PLC在礦井局部通風機變頻調速系統中的應用

【摘要】礦產資源是我國的主要利用資源，實現資源的自主開發，是實現國家獨立的一個有力保障。而在近年來不斷頻發的礦難中我們發現，礦井內部的通風問題是共性，為此，筆者結合我國采礦地段的實際特點，進行了礦井通風問題的分析，并提出了PLC在礦井局部通風機變頻調速系統中的應用。

【關鍵詞】礦井通風；PLC；采礦作業；礦工

【中圖分類號】TD72 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2012）09-0253-01

前言

采礦業的發展是國家能源利用，經濟發展的可靠保障，雖然我國的采礦技術和采礦環境在國家相關部門的大力倡導之下已經取得了很大的提升，但是從數據調查結果來看，還不能實現完全的機械化作業，礦工的人身安全還不能得到高標準的保障。在我國，每年都會發生不同傷亡人數的礦難，雖然國家已經投入了專項的調整資金和整改資金，但是礦難問題始終不能有效的避免，廣大礦工的生活仍然沒有保障。通過對大量礦難數據的分析，筆者發現，造成礦難事故的共性是礦井內部的通風不好，通風不暢同時也降低了礦工作業的環境質量，為此，下面將對這一問題進行系統的闡述。

1.礦井內部通風不暢的主要原因分析

礦井是開鑿在地下的作業環境，沒有與外部空氣接觸的空間，因此在礦井內部，為了保障礦工作業的基本條件，都安裝數量不等通風機，由電力系統驅動。由于地下作業環境不能產生氧氣，而且礦工作業過程中不問斷的消耗大量的通風氧氣，所以要求通風機實現二十四小時的不問斷作業。在此基礎上，通風機作為一種電能與機械能共同作用的機械設備，在不問斷運行中各部件的損毀現象嚴重，極易發生不同程度的機器故障，致使產生重大安全事故。所以礦井通風系統進行技術改造勢在必行。本文介紹本系統將通過PLC與變頻器結合，以礦井氣體壓濃度為外界環境控制參數，實現對電動機工作過程有效控制，并為節能技術改造提供新的解決方案。

2.系統架構與控制方法

（1）系統的設計功能

本系統具有通風機組故障率低、可靠性高等特點，提高通風系統的自動化程度，同時PLC、變頻器與空氣壓力變送器配合使用，進一步提高系統安全性。其處理要求如下：模擬量壓力輸入經PID運算輸出模擬量控制變頻器。當井下壓力低于設定壓力下限時，兩組風機將自動啟動故障處理系統，并將通過對數據的分析及時的對外發出安全警告，當礦井瓦斯濃度大于設定報警上限時，PLC將自動切斷風機組電源，以保證礦井安全。

（2）系統結構及方案

根據礦井內部的空間范圍和實際作業人數的分析，我們基本確定在本通風控制系統中運用2臺通風機。處于對機械能的需要，要求每臺通風機必須有2臺電機，每臺電機驅動1組扇片，2組扇片是對旋的，1組用于吸風，1組為增加風速，對井下進行供風。本設計以風機組2x30kW為例，采用1臺西門子57-200可編程控制器（PLC），空氣壓力變送器等組成一個完整的閉環控制系統。其中還包括瓦斯傳感器、斷路器等系統保護電器.實現對電機和PLC的有效保護。每一個具體的系統內部都設有數九的上限值和數據的下限值，系統在各個數據值的中間范圍內正常運作，當一個系統的數據值出現異常時，超出了既定的參考范圍，系統內部就會根據PLC的指示及時的發出預警系統，防患于未然，在內部空氣含量沒有發生重大變化時就可以通知工作人員通過一系列的措施進行空氣含量的調整，從而大大降低了因通風不暢對礦工的人身損害問題，為廣大礦工提供一個安全可靠的工作環境。

3.系統硬件構成及各部分功能

本系統的硬件構成相對簡單，基本可以概括為可編程控制器（PLC）、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、變器、傳感器部分、監控對象和電控回路組成。

（1）PLC可編程控制器部分

控制器是該系統的核心部分，它是命令的發出機構，其他的結構的工作目的都是為其作出正確的指令而服務的，該核心發布指令的正確與否直接關系到PLC的技術質量。作為本系統的主要控制中心，控制器需要進行定期的維修和養護，定期由專業人員對所有設備的數值進行校正，發現數值出現偏差的機械要及時更改部件或者進行及時的維修，以免發出錯誤的指令，影響到整個通風機的工作運轉。

（2）模數轉換模塊

LC模擬量處理功能主要通過模擬量輸入輸出模塊及用戶程序來完成。模數轉換模塊有A/v轉換、v/A轉換。模擬量輸入模塊接受各種傳感器輸出的標準電壓信號或電流信號，并通過原有的轉換公式將其轉換為數字信號并存儲到PLC中。PLC對轉換后的電壓信號和電流信號進行區分處理，并將處理結果通過模擬量輸出模塊轉換為標準電壓或電流信號去驅動執行元件。

（3）傳感器部分

傳感器主要負責利用各種數據的收集手段實現模擬量采集，并將采集到的模擬量信號送入PLC，在系統的內部進行所有數據的分析和歸類處理，最終實現模塊存儲與轉化。本系統的工作原理是利用瓦斯傳感器，實現自動化的自能檢測，對礦井內部的空氣中瓦斯實際含量進行不間斷自動檢測，以便其他設備能夠依據其傳感的數據進行預警或者操作管理。

4.軟件設計

本系統的操作運行需要外部硬件設施與內部軟件系統的共同作業。內部軟件系統由指定的科研人員通過對礦井的實際工作情況的勘探進行開發，通常來說，該軟件基本上分為4個主要的模塊：即手動自動控制、瓦斯濃度控制和壓力PID控制、PLC主要處理傳感器傳入的數字量信號。具體的工作流程是，通過傳感器從外部接收到的大量的模擬量，利用編訂好的程序實現與數字量的轉換，轉換后的數據成為電流的參考數值。在這個轉換的過程中，工作人員能夠得到一個電流的基本范圍，即實際的工程值的電流的上限和工程值的電流的下限。通過該系列的轉換，礦井內部的情況都將以完整的數據的形式展現在人們的面前，管理人員只需要對數字實行監控，就能判斷礦井之下的通風情況，操作簡單，觀察方便有效的提高了工作效率。

（1）瓦斯濃度控制部分

瓦斯濃度傳感器將礦井內部的瓦斯含量通過軟件轉換成具體的數據參考值，并將一系列的數據對比進行分析處理，最終將分析結果存儲到數據模塊中，建立全新的數據庫。數據庫內對瓦斯含量的上限也有相應的參考數值。當礦井內部的及時瓦斯含量超出了數據庫的瓦斯含量上限值時，該系統能夠及時的進行監控，并發出預警標志，并在第一時間內發出切斷電源的指令，降低礦井內部的瓦斯含量，該種方法能夠對瓦斯量進行及時的監控，并及時采取相應的處理措施，能夠有效的減輕礦井通風不暢帶來的礦難問題。

（2）壓力控制部分

傳統的壓力數據分析辦法是靜態的數據歸納，由于算法不科學，靜態數據不準確，因此，存在較大的誤差，而壓力數據處理部分采用PID算法，該算法可以消除系統的靜態誤差，加強對系統參數變化的能力。PID控制器主要負責通過調節使其輸出使偏差為零。在系統自動控制模式下空氣壓力傳感器檢測礦井內的氣壓信號，將其氣體壓力轉換為電壓信號，通過A/D轉換器轉換為PLC能識別的一進制信號本系統的壓力控制采用SMB34進行數據采樣，這將采樣數據轉換后放入VD128中，進行數值比較，當超過某個數值時PLC通過控制變頻器控制風機的轉速。

5.結語

綜上所述，礦井的通風工作是保證礦工基本工作環境的一項重要措施，傳統的礦井通風工作不合理，存在管理和設備的局限性，文章中介紹的PLC控制變頻器，不僅簡化了系統復雜度，同時提高了系統的穩定性與安全性。通過調整風機工作速度進一步提高風機的傳動效率，并起到節能作用。是倡導構建和諧社會，實現能源有效利用下的新型技術，必將在未來的礦產資源開采中得到廣泛的利用。