PLC 技术在煤矿通风安全中的应用研究

李国锋

（西山煤电西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

随着以单片机为基础的PLC 自动控制技术的发展，为煤矿井下通风系统智能控制提供了坚实的技术基础。PLC 智能监控技术能实现对通风系统主要参数的连续监控，通过在PLC 预先存入的逻辑判断语句，对监测到的通风系统参数值进行判断，并输出可以被通风设备设施识别的控制信号，控制通风设备设施进行相应的动作，从而实现了通风系统的智能化、自动化控制，提高了通风系统的安全性。

1 PLC 技术控制机理

PLC 技术是以单片机技术为基础的智能控制技术，它将监测到的电信号转换为数字信号后，经控制器中预先输入的逻辑语句的判断，输出相应的控制信号，经输出模块转换为电信号控制设备设施做出相应的动作，从而实现设备设施的自动智能控制。

2 煤矿井下通风系统智能控制设计

2.1 智能通风控制系统设计机理

通风系统是矿井开采的重要辅助系统，通风系统的可靠性、耐久性和工作效率对井下开采作业的安全极为重要，通风系统为井下提供新鲜空气，携带煤矿开采过程中积聚的瓦斯、硫化氢等有毒有害气体，同时携带大量生产过程中产生的热量排出地表，根据通风系统的工作特点，确定风速、瓦斯浓度、温度作为监测参数。根据监测到的监测数值及其在一定时间内的变化决定风门的开闭状态、开启程度和局部通风机的启停状态，设计井下风门存在开启1/2 和全开状态[1]。为了确保井下通风系统的安全，风机和风门的开启可以由PLC 控制系统自动控制，风门的关闭和局部通风机的关闭应由人工操作，防止因机械故障危害井下安全生产。

2.2 PLC 监控系统监测参数参考值设置

监测点风速设置由入井人员所需风量确定，监测点瓦斯浓度监测参数设置由瓦斯爆炸极限确定，温度由井下作业人员正常工作所需环境温度确定。根据井下正常作业所需风量计算公式：

式中：Q 为监测点处风量，m3/s；V 为监测点处风速，m/min；S 为监测点处断面面积，m2；N 为井下作业人数；K 为矿井通风系数，取值为1.2～1.25。

式（1）（2）中，当监测点处工作人员数量一定时，监测点处所需风量是常数，相应监测点处的最小风速也是一定的，当PLC 监测设备监测到监测点处风速小于最小风速要求时，控制风门开启或局部通风机启动，增大进风量。根据监测点截面大小不同，监测点处的初始风速也不同，监测点的截面积较大时，风速较小，监测点的截面较小时，风速较大，两者成反比例关系。在PLC 控制器编程中，确定风速监测值为监测点初始风速的85%、90%、95%时作为局部通风机启动、风门全开、风门开启1/2 的信号。瓦斯气体的爆炸极限是5%～16%，在煤矿安全规程中，要求总回风巷道中瓦斯浓度不大于0.7%，对各工作面和巷道内的瓦斯浓度控制不够精细化，根据瓦斯爆炸危险性，选定瓦斯浓度检测值1%、1.5%、2%作为控制风门开启1/2、风门全开和局部通风机开启的信号。根据煤矿安全规程要求，煤矿开采过程中采掘工作面温度不高于26°，机电设备硐室内最高温度不高于30°，监测点不同对环境温度的要求也不同，煤矿井下温度随风速风量的增加温度逐渐降低，因此选定当温度监测值为规程要求值的90%、100%、110%作为风门控制风门开启1/2、风门全开和局部通风机开启的信号[2]。根据煤矿井下开采特点设计监测动作值为如下页表1 所示。如下页表1 所示，由于不同监测点的初始风速不同，如采掘工作面的风速和进回风巷道的风速不同，同一工作水平不同截面的风速也是不同的，不同监测点的环境温度要求也是不同的，如规程要求工作面环境温度不大于26 ℃，机电设备硐室不大于30 ℃，因此在PLC 控制系统中，对不同监测点处设备设施的控制动作参考值是不同的，其中风速和环境温度的设置使用的是监测点监测参数的相对值，由于不同的监测点初始风速和初始环境温度值的不同，控制器对不同监测点处的控制参数要求是变化的。

表1 监测点处设备设施动作参考值

3 智能控制系统在矿井通风中的应用

3.1 PLC 智能监控系统中监测设备的选用

利用PLC 控制原理对某矿1510 综采工作面的通风系统进行设计，工作面情况如下：1510 综采工作面额定工作人员70 人，进风巷道截面积10.5 m2，经统计，回采工作面的瓦斯涌出量峰值为1.1 m3/s。在1510 综采工作面的PLC 智能监控系统设计中，选用西门子S7-1200PLC 系列作为井下通风监控系统的控制器。与其他PLC 监控系统相比，西门子S7-1200PLC 系列具有很高的防尘、防爆性能，可以很好地适应煤矿开采过程中粉尘浓度高、煤粉易燃易爆的工作环境[3]；采用KG94A2 型瓦斯传感器测量工作面的瓦斯浓度，监测点布置在采煤工作面上部，KG94A2 型瓦斯传感器采用热催化原理监测瓦斯浓度，在瓦斯浓度较低时传感器的催化元件工作稳定，精度高，工作面瓦斯突出低谷值仅有0.2 m3/s，瓦斯涌出量较小，因此选用在低瓦斯浓度下仍有很高精度的KG94A2 型瓦斯传感器；采用KG3044 型矿用温度传感器测量工作面的环境温度，监测点布置在采煤工作面中部，KG3044 型矿用温度传感器利用PN 结测温原理，在0～100 ℃范围内，设备的精度可以达到1 ℃；采用KG3088 型矿用风速传感器测量1510 综采工作面进风巷道的风速，监测点布置在采煤工作面中部，KG3088 型矿用风速传感器利用超声式涡街流量计原理测量井下风速，测量范围较广，在风速较低时，传感器的灵敏度较高。

3.2 PLC 智能监控系统中监测参数的确定

为保证煤矿开采时的通风安全，矿井通风系数取大值1.25，由公式（1）计算可得，1510 综采工作面设计风量350 m3/min，由公式（2）计算可得，进风巷道初始风速0.56 m/s。PLC 智能监控系统在1510 综采工作面应用过程中的监测参数如下表2。

表2 1510 综采工作面监测参数

PLC 智能监控系统在1510 工作面的应用过程中，各监测参数之间是或的逻辑关系，以保证综采工作面通风安全。如上表所示，当监测设备监测到进风巷道风速为0.532 m/s 或瓦斯浓度为1%或环境温度为23.4 ℃时，监测信号经PLC 控制器判断，输出控制风门开启至1/2 处的控制信号；当监测设备监测到进风巷道风速为0.504 m/s 或瓦斯浓度为1.5%或环境温度为26 ℃时，监测信号经PLC 控制器判断，输出控制风门全开的控制信号；当监测设备监测到进风巷道风速为0.476 m/s 或瓦斯浓度为2%或环境温度为28.6℃时，监测信号经PLC 控制器判断，输出控制局部通风机运转的控制信号。

经现场试验表明，在利用PLC 智能监控技术对1510 综采工作面进行监测控制的过程中，PLC 智能监控系统可以实时监测到工作面风速、风量、瓦斯浓度、环境温度等通风参数，并将监测信号经输入模块转换成可供控制器进行逻辑判断的数字信号，经预先输入控制器的逻辑语句的判断后输出可控电动风门、局部通风机识别的动作信号，控制设备进行相应的动作，实现了对通风系统实时控制，提高了通风系统可靠性。

4 结论

1）阐述了PLC 监控技术的工作原理，与传统的通风系统控制措施相比，PLC 监控系统实现了通风设备的智能化、自动化控制。

2）根据通风系统特点，选用进风巷道风速、工作面瓦斯浓度和工作面环境温度作为监测参数，设计了控制风门、局部通风机开闭状态的监测参考值。

3）利用PLC 监控技术，在某矿1510 工作面中设计一套智能监控系统应用到通风系统中，结果表明，PLC 监控技术可以满足对通风系统的实时控制，提高了通风系统的稳定性。