基于PLC的通風機隨瓦斯濃度自動調速系統研究

郝海鵬

（大同煤礦集團公司 同家梁礦，山西 大同037025）

1 概述

煤炭工業是我國國民經濟和社會發展的基礎。但是，煤炭行業事故發生頻繁，尤其是瓦斯爆炸引發的安全事故，不僅影響了煤炭企業的生產，更危害了礦井作業人員的健康和人身安全。造成煤礦瓦斯爆炸的原因很多，大多數和通風不合理、通風設施損壞，風量不足等有關，尤其是通風管理混亂、工作面風流不足導致瓦斯積聚，由于多種因素產生電火花，引起了瓦斯爆炸，釀成了重大事故。

在礦井通風系統中，局部通風機的主要作用就是負責巷道的通風。合理的通風機位置布置，參數選擇和通風機管理，可以有效地減少巷道瓦斯積聚，避免產生安全隱患。那么，局部通風機如果能夠根據瓦斯濃度情況自動調整運行狀態，既能保證瓦斯濃度處在合理范圍，又能節省電能。因此，局部通風機的自動化控制具有非常重要的指導意義和實踐價值。

隨著自動化控制技術的快速發展，可編程控制器（PLC）及變頻技術已經在各個領域得到了廣泛的應用。在礦井通風控制中，利用PLC和變頻器技術相結合，實現通風機轉速隨瓦斯濃度變化而進行智能調節；還可以實現報警、啟動備用風機等確保安全生產。

2 局部通風機控制系統現狀

2.1 目前局部通風機主要控制方式

在煤礦生產中，多數局部通風機采用的是傳統的繼電器控制方式，風量是利用出口擋風板和導向器進行調節的。這兩種方法都是采用交流接觸器直接啟動，啟動電流和轉矩比較大，很容易燒毀設備。另外，采用繼電器進行控制，局部通風機無法根據瓦斯濃度自動調節電機轉速，通風機始終保持恒速運行，既無法滿足及時排放瓦斯的要求，又不利于節約電能。

2.2 目前局部通風機存在的問題

目前煤礦企業使用的局部通風機往往存在一定的問題，主要有以下幾條：

（1）局部通風機的驅動電動機存在一定程度的老化，控制線路復雜，難以及時發現和排查故障。

（2）局部通風機的控制系統無法調速，一旦投入使用就長期處于工頻運轉狀態。不能隨工作面實際情況及時變更運行狀態，造成電能的浪費。

（3）隨著掘進工作推進，巷道內瓦斯濃度也處在實時變化中，局部通風機在排放瓦斯的時候，不能控制流量，容易造成瓦斯的積聚。

由于上述問題的存在，通風機的智能控制系統的研究顯得極為重要。在選擇局部通風機功率的時候，要根據最長距離進行計算，確保工人正常呼吸需求和瓦斯濃度處在合理范圍的風量。通風機的功率應能隨掘進距離的變化而變化。這樣的智能系統既安全又節能。利用PLC結合變頻器的控制方式，可以實現這一設計。

2.3 變頻器的應用

變頻器能夠讓頻率和電壓幅值發生改變，一次實現節能的功效。目前，利用PLC結合變頻器的控制技術已經得到廣泛應用，能夠提高生產效率，降低生產成本，提高企業自動化水平。

在井巷掘進過程中，要求確保工作面新鮮風流的風量，保證瓦斯濃度不超過安全閥值，但是風量也不能過大，避免工作面煤塵粉塵飛揚。變頻技術的應用能夠很好的滿足這一要求，提高局部通風機的運行效率。

3 基于PLC的局部通風機瓦斯濃度控制系統研究

3.1 控制要求

根據目前井下局部通風機運行現狀，進行了分析，認為智能化的瓦斯濃度控制應該滿足一定要求，結構框圖見圖1。

圖1 控制系統應滿足要求框

（1）風量調節，能夠隨著巷道的采掘進而自動調節電機轉速以此調節風量大小。

（2）自動檢測瓦斯濃度，由于通風機隨瓦斯濃度調節，因此需要配合瓦斯濃度傳感器，將傳感器采集的數據輸入PLC，通過PLC的計算自動輸出控制。

（3）風電鎖閉功能，能夠對風機運行狀態進行實時檢測，發現風機運行故障后，能夠切斷電源發出警報。

（4）如果風機發生故障，切換到備用風機。

（5）監控并記錄風機運行狀態。

3.2 方案設計

《煤礦安全規程》相關條款規定：瓦斯濃度超過1.5%的時候，就要進行排放；瓦斯濃度低于1.5%的時候，可以隨瓦斯濃度調節風機轉速。

本文中的設計，利用瓦斯傳感器采集瓦斯濃度，輸入PLC后通過程序運行進行計算，輸出端控制變頻器，從而實現對風機轉速的調節。系統結構框見圖2。圖中，PLC是核心部件，完成系統的輸入、輸出、數據處理與存儲，并驅動變頻器對電機轉速進行調控；檢測電路主要包括A／D與D／A轉換電路，以此進行數據和模擬量的轉換。此外，系統還能夠根據瓦斯濃度情況，通過與存儲器中的數據進行對比進行報警和自動斷電。

由于瓦斯傳感器的輸出值是直流電流（1～5mA），而變頻器的輸入需要直流電流（0～20mA）或者直流電壓（0～10mV），因此在進行電路連接時，通過接入2kΩ的可變電阻將其電流轉換為直流電壓。

圖2 控制系統結構框圖

3.3 設備配置

瓦斯傳感器用來記錄正常通風時的瓦斯濃度，其位置主要分布在工作面附近、迎風頭以及回風口處，具體位置見圖3，圖中K表示開關，B表示PLC，F表示通風機，D表示導風筒，T表示瓦斯傳感器。

圖3 瓦斯傳感器位置分布示意

根據《煤礦安全規程》規定，局部通風機安裝在進風巷，瓦斯傳感器T1應放在距離風機3～5m的位置。如果瓦斯濃度大于0.5%，就應當切斷通風機和所有非本安型設備的電源；如果瓦斯濃度小于0.5%，回風通風機運行，加大風量，排放瓦斯。瓦斯傳感器T2安裝在距離工作面5 m的位置。如果瓦斯濃度大于1.0%就報警，大于1.5%就切斷所有非本安型設備的電源；如果低于瓦斯濃度1.0%，恢復供電，加大風量，排放瓦斯。瓦斯傳感器T3安裝在進風與回風交匯處，瓦斯濃度大于1.0%就報警并切斷所有非本安型設備的電源；如果低于瓦斯濃度1.0%，恢復供電，加大風量，排放瓦斯。根據生產現場的需要，瓦斯傳感器型號選擇KG9701智能低濃度瓦斯傳感器。該型號瓦斯傳感器具有自動連續檢測附近區域瓦斯濃度并實時顯示數據的功能，可以將數據傳輸給相連接的通訊設備，還具備聲光報警等功能。

PLC可以選擇使用14輸入端和10輸出端的西門子S7－200系列，外接一個EM235模擬量模塊。變頻器可以選擇西門子MM430變頻器。

3.4 主程序流程

前面已經對系統主要功能進行了介紹，那么整個系統的軟件設計應該分為主控系統、瓦斯濃度采集與判斷、電機轉速控制等幾個部分。下面簡單介紹系統主控程序。主控程序的作用是檢測系統狀態、調用子程序、進行報警以及斷電等功能。系統主控制器流程見圖4。

圖4 系統主控流程

4 結語

1）分析了目前局部通風機運行情況以及存在的問題，同時對局部通風機與巷道瓦斯濃度之間的關系做了簡要說明，以PLC技術以及變頻技術為基礎，對井下局部通風機隨瓦斯濃度自動調節系統進行了設計。

2）介紹了系統可以完成的主要功能以及具體設計方案，詳細說明了系統中設備的配置以及瓦斯傳感器的安裝位置。

3）設計了系統運行的主控制部分軟件流程圖。

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