PLC控制技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用研究

王燕青

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

通風(fēng)機(jī)是煤礦井下工作作業(yè)場(chǎng)所中的主要通風(fēng)設(shè)備，對(duì)煤礦產(chǎn)煤作業(yè)的安全性有著非常關(guān)鍵的作用。目前，許多礦井中通風(fēng)機(jī)的控制方式主要采用人工直接進(jìn)行的開關(guān)啟停方式，這對(duì)于提高煤礦自動(dòng)化水平，保障煤礦有效、合理的通風(fēng)，進(jìn)而保障煤礦安全生產(chǎn)有著嚴(yán)重的制約作用。煤礦井下巷道中通風(fēng)量的大小，需要結(jié)合巷道管網(wǎng)阻力及井下瓦斯的濃度情況及時(shí)進(jìn)行合理的調(diào)整，以滿足井下巷道風(fēng)量的要求，排除井下有害氣體。近年來，由于可編程控制器（PLC）的興起與在其他相關(guān)領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，與變頻器相結(jié)合起來，逐漸尋求到一種以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)代替人為的落后的控制方式，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化控制和風(fēng)量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，滿足煤礦通風(fēng)的自動(dòng)化要求，同時(shí)，以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)可靠性比較高，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)和實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

1 PLC控制技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用概況

PLC控制技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用，其中涉及的功能包括邏輯控制、過程控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)處理和通訊聯(lián)網(wǎng)。邏輯控制功能主要是針對(duì)巷道中的通風(fēng)機(jī)不同工況之間的切換，或有多于一臺(tái)通風(fēng)機(jī)相互切換時(shí)的控制。過程控制功能，主要是用來對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)大小等的調(diào)節(jié)，通過控制風(fēng)量和風(fēng)壓的大小，可以將巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛瓤刂圃谧鳂I(yè)的安全范圍內(nèi)。模擬量控制功能主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入和輸出模塊，將巷道管網(wǎng)壓力、風(fēng)量、溫度以及瓦斯?jié)舛鹊饶M量信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換成容易識(shí)別的數(shù)字量，數(shù)字量經(jīng)過PLC內(nèi)部中央處理器進(jìn)行一定的運(yùn)算處理后，再將經(jīng)過的數(shù)字量結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，以達(dá)到規(guī)定要求的結(jié)果。數(shù)據(jù)處理功能，主要是針對(duì)信號(hào)采集時(shí)輸入與信號(hào)處理后按設(shè)定輸出過程的一些數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、傳送、比較、運(yùn)算等處理。通訊聯(lián)網(wǎng)功能，通過利用各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將外部電氣設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)通訊，如通過運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤礦井下通風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而可以對(duì)不同區(qū)域的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行集中管理，提高了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的管控自動(dòng)化水平。

2 通風(fēng)機(jī)在礦井中安裝情況簡(jiǎn)述

在煤礦礦井中一般會(huì)配備兩臺(tái)相同規(guī)格型號(hào)的礦用通風(fēng)機(jī)，其安裝位置如圖1所示。在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中，正常情況只會(huì)啟用其中一臺(tái)通風(fēng)機(jī)，另一臺(tái)只作為備用機(jī)，用來在維護(hù)保養(yǎng)及故障時(shí)互相切換使用。

圖1 通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)安裝位置示意圖

3 PLC控制技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)特點(diǎn)主要是通過PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)變頻器進(jìn)行控制，然后再通過這兩臺(tái)變頻器來對(duì)風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行進(jìn)行控制。還可用來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)變頻及工頻這三者之間工況運(yùn)行的互相切換。另外，還可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警等功能的控制。該方案主要是通過PLC的模擬量控制方式來實(shí)現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)功能原理如下頁(yè)圖2所示。

通風(fēng)機(jī)在自動(dòng)變頻運(yùn)行時(shí)，首先通過瓦斯和壓力傳感器等采集作業(yè)面上的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)壓等數(shù)據(jù)。然后將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為處理器可以識(shí)別處理的數(shù)字量信號(hào)。處理器會(huì)自動(dòng)將收集到的數(shù)據(jù)與程序中設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過比較判斷與給定值的大小，來進(jìn)一步輸出判定結(jié)果，之后經(jīng)過轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)傳遞給變頻器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速。

圖2 控制系統(tǒng)功能原理圖

3.2 控制電路的設(shè)計(jì)

采用PLC的控制技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)時(shí)，可以省去大量的傳統(tǒng)的繼電器-接觸器這類控制元器件，使這種復(fù)雜接線控制方式更為簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可靠性。應(yīng)用以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在手動(dòng)工頻、自動(dòng)變頻和手動(dòng)變頻這三種運(yùn)行狀態(tài)下的指定情況下的自行切換。當(dāng)風(fēng)機(jī)在自動(dòng)變頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，主要是通過傳感器檢測(cè)到風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛刃盘?hào)經(jīng)過系統(tǒng)自行分析、對(duì)比、處理后反饋輸出后實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。

3.3 PLC軟件流程圖設(shè)計(jì)

PLC軟件程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，編程過程主要是采用梯形圖（LAD）語(yǔ)言，容易理解，編寫簡(jiǎn)單，比較直觀，而且修改也很容易。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的PLC程序主要有主程序和一些子程序。主控制程序主要是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)變頻、手動(dòng)變頻和工頻運(yùn)行、子程序的調(diào)用和中斷時(shí)間的設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警、變頻器和風(fēng)機(jī)故障報(bào)警、變頻器故障復(fù)位等功能。子程序包括有模擬量采集子程序，風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換控制程序及風(fēng)機(jī)啟?？刂瞥绦?。模擬量采集流程如圖3所示。

為了不影響正常生產(chǎn)，保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用的是兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)，一用一備，傳統(tǒng)的控制方式主要是靠人工切換，當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)才會(huì)啟用，這樣就會(huì)造成工作機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而設(shè)備損耗嚴(yán)重導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)運(yùn)用，而備用也由于長(zhǎng)時(shí)間擱置而出現(xiàn)損耗。因此，針對(duì)這種工作情況，避免出現(xiàn)這種傳統(tǒng)一用一備作業(yè)方式人工切換帶來的缺陷，主要通過PLC自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩機(jī)的定期自動(dòng)切換。其實(shí)現(xiàn)方法的控制流程如圖4所示。

圖3 模擬量采集與處理流程

圖4 雙機(jī)自動(dòng)切換控制流程

圖5 啟動(dòng)控制流程

圖6 停止控制流程

在PLC控制柜上設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制模式。自動(dòng)模式主要就是PLC控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換到手動(dòng)模式主要是人為撥動(dòng)開關(guān)進(jìn)行調(diào)試作用的。一般情況下，系統(tǒng)采用自動(dòng)模式的運(yùn)行方式，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出對(duì)風(fēng)機(jī)的啟停信號(hào)時(shí)，PLC通過控制風(fēng)機(jī)電機(jī)和風(fēng)門，來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟?？刂啤ｏL(fēng)機(jī)的啟/?？刂屏鞒倘鐖D5、圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

PLC控制技術(shù)在煤礦通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用，不僅能夠根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r及時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，合理調(diào)控巷道內(nèi)的通風(fēng)量，不僅滿足作業(yè)場(chǎng)所的需要，還避免了不合理的浪費(fèi)，減少了不必要的能耗。同時(shí)，將巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛冉档驮诎踩珮?biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障。