基于PLC的金屬非金屬礦山局部通風機自動控制系統

權 潔，熊書敏，孫曉東，余 謙，張煥強

（1.常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州 213164；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州 213015）

基于PLC的金屬非金屬礦山局部通風機自動控制系統

權 潔1，熊書敏2，孫曉東2，余 謙2，張煥強2

（1.常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州 213164；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州 213015）

介紹了金屬非金屬礦山局部通風機自動控制的必要性；分析了局部通風機自動控制系統的功能要求和特點，并根據功能要求運用PLC控制器對自動控制系統進行了總體的硬件設計和軟件設計；在實驗室條件下搭建了模擬實驗平臺，進行了模擬試驗，結果表明該系統穩定可靠，具有較高的推廣價值。

金屬非金屬；局部通風機；PLC；監測；自動控制

0 前言

由于我國地質條件復雜，煤礦和非煤礦開采時會產生大量的有毒有害氣體，威脅員工的人身安全。局部通風機是改善礦山井下勞動條件的重要設備，是井下掘進過程中最主要的通風設備，是實現安全開采的必要安全設施[1]。目前，金屬非金屬礦山使用的局部通風機大多采用傳統的手動控制方式，風機的啟停不能根據有毒有害氣體的濃度變化而改變，因此常常會出現氣體已經排出，但風機還在運行的情況，造成大量的能源浪費和經濟損失。隨著自動化技術的發展，結合PLC控制技術和變頻調速技術對傳統風機啟停進行自動化設計，對有毒有害氣體進行實時監測，并通過監測數據反饋對通風機的啟停和通風量進行控制，能夠大大提高風機的工作效率，減小能源的浪費，降低開采成本，達到安全高效的目的。

1 系統的功能要求和特點

通風機自動控制系統能夠實時監測現場的一氧化碳、氧氣、二氧化氮等氣體的濃度參數，并在氣體濃度超標時發出語音、聲光報警，提醒現場工作人員禁止進入工作區域，能夠實現對局部通風機的手動和自動控制功能的切換，保證在自動控制出現故障時實現手動的方式進行控制。現場的各監測數據能夠實時傳輸到PLC控制器，運用上位機上的組態畫面進行歷史曲線、實時數據等的顯示和分析。

該系統的特點主要包括：系統組合方式多樣，可以通過以太網與礦井其他系統無縫結合，實現信息共享；傳感器報警點可以在傳感器上設定，也可以通過組態軟件設定；智能型總線傳感器即插即用，可以實現對不同氣體的監測[2-4]。

2 系統的整體設計

為了實現該系統上述的功能要求，本文設計了基于PLC控制器以及各種氣體傳感器的局部通風機閉環控制系統，以氣體濃度值為輸入參數，接入PLC的模擬量輸入端，以局部通風機為控制對象，通過變頻器對局部通風機進行變頻調速和啟停控制，控制系統方框圖如圖1所示。

圖1 控制系統方框圖

2.1 系統硬件設計

礦井局部通風機自動控制系統由PLC控制柜、變頻器、局部通風機和各類傳感器組成，各傳感器監測到的氣體濃度值反饋到PLC控制器，當有任一傳感器濃度值超過設定參數時，發出語音、聲光報警，該信號經PLC處理后控制就近的變頻器對風機的啟停和轉速進行控制，從而有效控制通風機的啟停和通風量，在一定時間內驅除有毒有害氣體，當環境參數達到設定要求后，即無報警提示時，工作人員方可進入工作區域[5-7]。該控制系統結構圖如2所示。

圖2 控制系統結構圖

2.2 系統軟件設計

局部通風機自動控制系統基于上位機組態軟件組態王6.55版本，實現對CO氣體濃度的顯示，監測濃度超過設定值時發出語音和聲光報警，并伴隨畫面閃爍警示，其中語音報警和畫面閃爍警示通過組態軟件編程實現。PLC編程采用西門子通用編程軟件STEP7 Micro WIN V4.0版本，系統程序采用模塊化設計，包括控制主程序、模擬量采集程序、手動控制程序和手自動切換控制程序等。

3 模擬實驗研究

為了研究該系統的可行性，本文以CO氣體濃度的監測為例，在實驗室搭建了控制系統演示平臺，并通過組態軟件對CO氣體濃度進行實時監測和顯示，濃度超過設定值時發出語音和聲光報警，通過PLC采集監測數據處理后控制繼電器從而控制通風機的啟停。

本實驗采用的PLC為耐特公司生產的LT-200系列CPU224-XP型，該PLC采用直流24 V電源供電，集成2AI/1AO和14DI/10DO功能；采用天地公司生產的GTH1000礦用一般型一氧化碳傳感器，該傳感器用于連續固定檢測金屬非金屬井下環境空氣中的CO含量，本實驗中該傳感器用于監測CO含量，并通過RS485總線將檢測到的濃度信號通過頻率轉換電流板，轉換成模擬信號輸送給PLC的模擬量輸入端，濃度達到或超過設定值時發出語音和聲光報警，模擬系統連接圖如圖3所示。

上位機采用組態王組態軟件對監測數據進行顯示和記錄，并對監控畫面進行顯示，組態王監控畫面如圖4所示。

模擬實驗結果表明，采用PLC控制器、CO氣體傳感器、繼電器等能夠實現局部通風機的自動控制，通過組態軟件能夠對氣體濃度和報警信息等進行實時畫面監測，并實現語音和聲光報警，提高了設備運行的安全性和自動化水平。

圖3 模擬系統連接圖

圖4 組態王監控畫面

4 結論

該系統在保證了金屬非金屬礦山安全開采的同時，達到了降低功耗、節約成本的目的，并實現了自動控制，運行安全可靠，能夠在提高生產效率的同時保障員工的安全，在能源相對緊缺的現狀下，該系統具有較高的推廣價值。

［1］周建新，張興凱，劉曉宇，等.非煤礦山安全標準化在安全生產中的地位和作用［J］.金屬礦山，2007（4）：1-5，18.

［2］王淑芳，王劍波，張麗，等.局部通風機調速控制系統的研究［J］.煤炭學報，2006，31（6）：813-818.

［3］余躍，李新，何元新.局部通風機智能控制系統的設計［J］.礦業安全與環保，2012，39（1）：43-45.

［4］王前進，馬小平，張守田.PLC冗余在通風機監控系統中的應用［J］.工礦自動化，2014，40（1）：93-96.

［5］華滿香.礦用通風機監控系統中PLC控制和組態技術的應用［J］.煤炭技術，2013，（11）：69，70.

［6］孫傳余，肖林京，孫慧，等.煤礦通風機變頻控制系統的開發與應用［J］.工礦自動化，2009，35（11）：72-75.

［7］王啟立，胡亞飛，熊建軍.基于可編程控制器的煤礦主通風機監控管理系統［J］.煤炭工程，2007（7）：94-96.

Metal-Nonmetal Mine Local Ventilator Automatic Control System Based on PLC

QUAN Jie1，XIONG Shu-min2，SUN Xiao-dong2，YU Qian2，ZHANG Huan-qiang2
（1.Changzhou Textile Garment Institute，Changzhou213164，China；2.Tiandi(Changzhou)Automation Co.，Ltd.，Changzhou213015，China）

Introduced the necessity of automatic control of metal-nonmetal mine local ventilator.Analyzed the functional requirements and characteristics of automatic control system，and designed the overall hardware and software according to the functional requirements of automatic control system using PLC controller.Built a simulation experiment platform in the laboratory and carried out a simulation experiment，results show that the system is stable and reliable，and has high promotion value.

metal-nonmetal；local ventilator；PLC；monitoring；automatic control

TD441 TP273

A

1009－9492(2015)10－0104－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.026

權 潔，男，1987年生，江蘇徐州人，碩士研究生。研究領域：產品結構工藝設計。已發表論文3篇。

(編輯：向飛)

2015－04－30