PLC控制技术在矿井通风机中的应用研究

王燕青

（山西焦煤西山煤电西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

通风机是煤矿井下工作作业场所中的主要通风设备，对煤矿产煤作业的安全性有着非常关键的作用。目前，许多矿井中通风机的控制方式主要采用人工直接进行的开关启停方式，这对于提高煤矿自动化水平，保障煤矿有效、合理的通风，进而保障煤矿安全生产有着严重的制约作用。煤矿井下巷道中通风量的大小，需要结合巷道管网阻力及井下瓦斯的浓度情况及时进行合理的调整，以满足井下巷道风量的要求，排除井下有害气体。近年来，由于可编程控制器（PLC）的兴起与在其他相关领域的成熟应用，与变频器相结合起来，逐渐寻求到一种以PLC控制技术为基础的控制系统代替人为的落后的控制方式，实现通风机的自动化控制和风量的自动监测，满足煤矿通风的自动化要求，同时，以PLC控制技术为基础的控制系统可靠性比较高，能够实时地监测和实现报警功能。

1 PLC控制技术在矿井通风机上的应用概况

PLC控制技术在矿井通风机的应用，其中涉及的功能包括逻辑控制、过程控制、模拟量控制、数据处理和通讯联网。逻辑控制功能主要是针对巷道中的通风机不同工况之间的切换，或有多于一台通风机相互切换时的控制。过程控制功能，主要是用来对风机的风量、风压等参数大小等的调节，通过控制风量和风压的大小，可以将巷道内的瓦斯浓度控制在作业的安全范围内。模拟量控制功能主要是实现信号的输入和输出模块，将巷道管网压力、风量、温度以及瓦斯浓度等模拟量信号进行采集、转换成容易识别的数字量，数字量经过PLC内部中央处理器进行一定的运算处理后，再将经过的数字量结果转换成模拟量信号输出，实现对外部设备的控制，以达到规定要求的结果。数据处理功能，主要是针对信号采集时输入与信号处理后按设定输出过程的一些数据的转换、传送、比较、运算等处理。通讯联网功能，通过利用各种网络协议，将外部电气设备与计算机连接，实现通讯，如通过运用现场总线和以太网技术，能够实现对煤矿井下通风机进行远程实时控制，进而可以对不同区域的通风机进行集中管理，提高了煤矿通风系统的管控自动化水平。

2 通风机在矿井中安装情况简述

在煤矿矿井中一般会配备两台相同规格型号的矿用通风机，其安装位置如图1所示。在煤矿通风系统中，正常情况只会启用其中一台通风机，另一台只作为备用机，用来在维护保养及故障时互相切换使用。

图1 通风机系统安装位置示意图

3 PLC控制技术在矿井通风机中的应用设计

3.1 系统控制方案

本系统特点主要是通过PLC控制技术实现两台变频器进行控制，然后再通过这两台变频器来对风机的变频运行进行控制。还可用来实现风机的手动、自动变频及工频这三者之间工况运行的互相切换。另外，还可实现通风机运行状态监测和故障报警等功能的控制。该方案主要是通过PLC的模拟量控制方式来实现的。控制系统功能原理如下页图2所示。

通风机在自动变频运行时，首先通过瓦斯和压力传感器等采集作业面上的现场实时的瓦斯浓度及风机管道的出气风压等数据。然后将采集到的信号数据经过PLC的A/D转换模块，将模拟量信号转换为处理器可以识别处理的数字量信号。处理器会自动将收集到的数据与程序中设定好的数据进行对比分析，通过比较判断与给定值的大小，来进一步输出判定结果，之后经过转换为模拟量信号传递给变频器，进而实现风机的变频调速。

图2 控制系统功能原理图

3.2 控制电路的设计

采用PLC的控制技术对风机进行控制系统硬件电路的设计时，可以省去大量的传统的继电器-接触器这类控制元器件，使这种复杂接线控制方式更为简化，提高了系统的可靠性。应用以PLC为基础的控制系统，风机可以实现在手动工频、自动变频和手动变频这三种运行状态下的指定情况下的自行切换。当风机在自动变频状态下运行时，主要是通过传感器检测到风压、瓦斯浓度信号经过系统自行分析、对比、处理后反馈输出后实现通风机的变频调速控制。

3.3 PLC软件流程图设计

PLC软件程序设计采用模块化结构，编程过程主要是采用梯形图（LAD）语言，容易理解，编写简单，比较直观，而且修改也很容易。矿井通风系统的PLC程序主要有主程序和一些子程序。主控制程序主要是实现风机的自动变频、手动变频和工频运行、子程序的调用和中断时间的设置，以及实现瓦斯浓度超限报警、变频器和风机故障报警、变频器故障复位等功能。子程序包括有模拟量采集子程序，风机自动切换控制程序及风机启停控制程序。模拟量采集流程如图3所示。

为了不影响正常生产，保证系统的连续运行，矿井通风系统采用的是两台通风机，一用一备，传统的控制方式主要是靠人工切换，当一台出现故障时，另一台才会启用，这样就会造成工作机长时间运行而设备损耗严重导致无法继续运用，而备用也由于长时间搁置而出现损耗。因此，针对这种工作情况，避免出现这种传统一用一备作业方式人工切换带来的缺陷，主要通过PLC自动控制技术，实现两机的定期自动切换。其实现方法的控制流程如图4所示。

图3 模拟量采集与处理流程

图4 双机自动切换控制流程

图5 启动控制流程

图6 停止控制流程

在PLC控制柜上设有自动、手动两种控制模式。自动模式主要就是PLC控制技术的实现，转换到手动模式主要是人为拨动开关进行调试作用的。一般情况下，系统采用自动模式的运行方式，当上位机发出对风机的启停信号时，PLC通过控制风机电机和风门，来实现对风机的启停控制。风机的启/停控制流程如图5、图6所示。

4 结语

PLC控制技术在煤矿通风机中的应用，不仅能够根据作业现场瓦斯浓度的变化情况及时调整风机的转速，合理调控巷道内的通风量，不仅满足作业场所的需要，还避免了不合理的浪费，减少了不必要的能耗。同时，将巷道内的瓦斯浓度降低在安全标准的范围内，为煤矿的安全生产提供了保障。