基于PLC 的礦井主通風機控制系統設計分析

孫國棟

（山西煤炭進出口集團洪洞恒興煤業有限公司， 山西 臨汾 041600）

引言

煤炭資源是我國經濟社會發展的基礎產業，自我國煤炭開采以來，礦井安全事故頻繁發生，其中瓦斯積聚引起的爆炸事故占很大一部分，影響了企業的發展與工人的生命安全，是社會發展的不穩定因素之一[1-2]。礦井通風系統負責排除井下瓦斯等有害氣體，向工作面輸送新鮮空氣，并調節井下溫度與濕度等參數。主通風機作為關鍵設備之一，需24 h不間斷運轉滿足井下需風量，消耗了大量的電能[3-4]。近年來隨著控制技術的發展與節能減排理念的加深，企業不僅朝著自動化與智能化方向發展，同時也朝著可持續發展與綠色健康發展[5]。為此，本文分析一種基于PLC 的煤礦主通風機自動控制系統。

1 通風系統結構及控制策略研究

1.1 控制系統的整體結構及功能

煤礦通風機主要分為兩種類型：離心式通風機和軸流式通風機，目前煤礦使用的多為軸流式通風機。本系統選用的為對旋式軸流通風機，由兩臺電機驅動兩葉輪反方向旋轉，具有損耗小、傳動效率高、噪音低、調速方便的優點，滿足礦井通風阻力的要求。通風系統由兩套通風機組成，其中一套為主，直接投入工作，另一套為輔，作為備用風機。控制系統的整體結構如圖1 所示，主要由上位機系統、PLC 控制系統、變頻調速系統與信號采集系統組成。兩臺通風機的出口處安裝有靜壓傳感器與壓差傳感器，用于測量風機輸出的風量及壓強等參數，巷道內安裝有溫度傳感器、濕度傳感器與瓦斯濃度傳感器等，用于監測井下環境參數。

圖1 控制系統整體結構

系統以PLC 為控制核心，具有三種控制模式，手動控制、觸摸屏控制與上位機遠程控制；當變頻器正常工作時，系統為變頻運行，當變頻器故障時，系統切換為工頻運行；當井下發生火災等突發事故時，系統控制電機反轉，完成系統反風工作；PLC 控制器與組態軟件結合，實現風機參數與環境參數的實時監測，并可遠程控制通風機的運行狀態；系統具有故障報警功能，當出現變頻器故障、電機故障等情況時，控制電機減速，切斷電源停機維護。

1.2 系統的控制策略分析

系統采用變頻調速技術實現通風機輸出風速的調節。變頻調速技術以變頻器為核心，通過將固定工頻交流電轉化為頻率可調的變頻交流電，從而改變通風機驅動電機的輸出轉速，達到風速調節的目的。變頻調速技術發展成熟，逐漸應用到各工業與生活領域，具有控制精度高、響應速度快、資源消耗少等多個優點，尤其適合應用于水泵與通風設備等場合，具有較好的節能效果。

本文利用模糊控制策略，通過瓦斯濃度傳感器實現風速的負反饋控制，系統的控制策略結構圖如圖2 所示。模糊控制作為一種控制技術，可解決復雜系統的控制難題，提高設備智能化水平。本系統的模糊控制主要包括計算偏差值、模糊量化、推理決策與判決四個階段，通過瓦斯濃度傳感器監測到的實際濃度值與給定值相比較，計算得到濃度偏差值與偏差率，系統根據函數關系與規則得到兩個模糊輸入量，并推算出一個模糊輸出量，最終通過變頻器執行，以達到風機的智能化調速。

圖2 系統控制策略結構圖

2 系統的硬件部分

2.1 PLC 的選用

本文以PLC 控制器為核心，主要包括CPU 模塊、電源、存儲器、各外部輸入與輸出設備等。根據對系統控制功能與外部設備I/O 口數量估算，本文選用西門子S7-300PLC 控制器。S7-300 具有RS-485通信接口，可快速組件通信網絡，具有較強的抗干擾能力，可適應煤礦的惡劣環境。S7-300 軟件編程簡單，采用模塊化設計，便于操作人員掌握，擁有400條指令，滿足系統開發需求[6-7]。

2.2 變頻器的選用

根據系統負載類型與控制精度需求等，在綜合對比西門子、施耐德與日立等公司的變頻器后，本文選用SJ700 變頻器實現風機的變頻調速功能。SJ700變頻器啟動轉矩大，可保證風機的正常啟動與工作。變頻器調試簡單，具有過載、短路、斷路等抑制保護功能，在設備故障時，可緊急切斷電源，保護電氣設備不受損壞。SJ700 變頻器采用噪音濾波器，有效降低了運行噪音，使用壽命可長達15 年，適應煤礦的工作環境[8]。

2.3 傳感器的選用

系統所需監測的參數包括電機的溫度信號、通風口處風速的流量信號與壓力信號、巷道瓦斯濃度信號與溫濕度信號等。系統選用AD590 溫度傳感器對電機與巷道溫度信號進行檢測，利用PN 結構的熱敏特性，可測量-50 ℃～+150 ℃的溫度范圍，誤差范圍在±0.3 ℃內，可精確測量各溫度參數。

系統通風流量參數通過壓差變送器測量，利用兩個壓力變送器測量兩個不同斷面處通風時的壓力值，對比斷面截面積與壓力關系計算得到通風口處的空氣流量。系統選用LLD-EX 壓差變送器，利用壓力值與膜片產生的位移關系，分析得到介質的壓力值。LLD-EX 壓差變送器具有穩定性好、靈敏度高等優點，測量精確度≤0.25%。

系統選用KG9701 型瓦斯傳感器，可檢測設備附近的瓦斯濃度信號，通過屏幕直觀顯示，并將信號傳輸到PLC 控制器中，傳感器可測量瓦斯濃度范圍為0～4%，使用壽命2 年。瓦斯濃度傳感器安裝于進風巷中，距離通風口5 m 左右，當瓦斯濃度值＞0.5%時，增大通風機轉速；瓦斯傳感器安裝于回風巷中，距離風流匯合處12 m 左右，當濃度值＞1%時，增大通風量。

3 系統的軟件部分

通風機控制系統的主程序流程圖如圖3 所示。系統初始化后啟動主通風機，開啟主通風門，并關閉備用通風機風門。系統通過觸摸屏設定運行參數，驅動變頻器控制風機轉速，當檢測到變頻器故障時，切換為工頻運行。系統運行信號采集子程序與數據通訊子程序，當監測到運行風機發生故障時，PLC 控制器運行風機切換子程序，關閉正在運行的風機與風門，開啟備用風機與風門，重復上述流程。在監測到重大故障時，系統向工作人員報警，并且切斷電源緊急停機維修，當故障檢修完成后，系統重新上電恢復正常。

圖3 系統主程序流程圖

4 結語

基于PLC 控制器的礦井通風控制系統采用變頻調速技術與模糊控制策略，實現了通風機的自動化與智能化控制，可實時監測通風機工作參數與巷道內環境參數，具有完善的故障診斷與報警功能，節能效果顯著。