基于PLC的矿井通风安全控制系统.pdf

S e rie s No ． 3 72 J u n e 2 0 0 7 金 畿 砖 ME T AL MI NE 总 第 3 7 2 期 2 0 0 7 年 第 6期 安全 与环保 基于 P L C的矿井通风安全控制 系统术 刘法治 河南科技学院 摘要针对矿井旧通风控制系统中存在的体积庞大、 接线复杂、 机械触点多、 排除故障困难、 可靠性差、 自动 化程度低等缺陷， 设计了一种基于先进 P L C控制技术的矿井通风安全控制系统， 详细讨论了系统的结构、 控制方 案、 工作原理 、 硬件与软件设计方法。该控制系统投入使用， 运行结果表明， 系统具有功能完善， 运行稳定， 可靠性 高， 便于维护 ， 节能效果明显等特点， 提高了企业的生产效率和经济效益 ， 具有很好的应用前景。同时该控制系统 若配置相应的通信模块和上位计算机 ， 可方便地组成集散式控制系统， 对现场设备的运行状态进行监控， 实现远程 控制， 提升企业生产的自动化程度。 关键词通风 系统风机矿井s 7 2 0 0 P L C Unde r g r ou nd M i ne Ve nt i l a t i o n Sa f e t y Con t r o l Sy s t e m Ba s e d o n PLC L i u Fa z h i H e n a n I n s t i t u t e o fS c i e n c e T e c h n o l o g y Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e d e f e c t s i n t h e o l d u n d e r g r o u n d mi n e v e n t i l a t i o n c o n t r o l s y s t e m s u c h a s l a r g e s i z e，c o mp l e x wi r e c o n n e c t i o n，ma n y me c h a n i c a l c o n t a c t s ，d i ffi c u l t f a i l u r e s h o o t i n g ，p o o r r e l i a b i l i t y a n d l o w a u t o ma t i o n d e gre e ，a mi n e v e n t i l a t i o n s a f e t y c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n a d v a n c e d P L C c o n t r o l t e c h n o l o g y i s d e s i g n e d ．I t s s t r u c t u r e，c o n t r o l s c h e me， wo r k me c h a n i s m ，h a r d w a r e a n d s o f t wa r e d e s i g n me t h o d a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l ．Th e p r a c t i c a l o p e r a t i o n o f t h i s c o n t rol s y s t e m s h o w s t h a t i t h a s t h e a d v a n t a g e s o f p e r f e c t f u n c t i o n ，s t a b l e o p e r a t i o n，h i g h r e l i a b i l i t y ，c o n v e n i e n t ma i n t e n a n c e a n d e v i d e n t e n e r gy s a v i n g e f f e c t ，a n d c a n i mp r o v e b o t h the e n t e r p ri s e p rod u c t i o n e f f i c i e n c y a n d e c o n o mi c b e n e fi t ，t h u s h a v i n g g o o d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t ．I n a d d i t i o n，i f i t i s c o n fi g u r e d wi t h c o r r e s p o n d i n g c o mmu n i c a t i o n mo d u l e a n d t h e u p p e r l e v e l c o mp u t e r ， a d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m c a n b e c o n v e n i e n t l y c o mp o s e d，wh i c h c a n mo n i t o r t h e o p e r a t i o n s t a t e o f t h e o n s i t e e q u i p me n t S O a s t o rea l i z e t h e r e mo t e c o n t rol a n d r a i s e t h e a u t o ma t i o n d e gre e o f t h e e n t e rpri s e p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s V e n t i l a t i o n s y s t e m ，F a n，Mi n e s h a f t ，s 7 2 0 0 P L C 煤矿矿井通风系统是煤矿矿井安全生产的重要 组成部分， 煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井 内工作环境条件、 生产效率、 安全生产密切相关。随 着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加 强， 尤其对煤矿安全生产的要求越来越高， 对煤矿矿 井通风系统进行技术改造 ， 提高其运行稳定性 、 可靠 性 、 节能降耗等势在必行。 目前在煤矿矿井 通风 系统 中， 大多仍采用继 电 接触器控制系统， 但这种控制系统存在着体积大、 机 械触点多、 接线复杂 、 可靠性低 、 排 除故 障困难等很 多的缺陷 ； 且因工作通风机一直高速运行 ， 备用通风 机停止， 不能轮休工作， 易使工作通风机产生故障， 降低使用寿命。针对这一系列问题， 采用 P L C控制 技术对其进行改造 ， 利用远传空气压力实现对矿井 通风系统的 自动控制 ， 使 主风机和备用风机轮换工 作 ， 提高了矿井通风系统稳定性和安全性 ， 节能效果 显著 ， 且 P L C控制系统具有对驱动风机 的电机 过热 保护 ， 故障报警等功能特点 ， 为煤矿矿井通风系统的 节能技术改造提供一条新途径。 1 系统结构和控制方案 ． 通风控制系统主要由2台通风机组成， 每台通 风机有 2台电机， 每台电机驱动 1 组扇片， 2 组扇片 是对旋 的， 1 组用于吸风， 1 组为增加风速 ， 对井下进 行供风。根据井下用风量的不同， 采用不同型号的 } 河南省科技攻 关项 目 编号 0 4 2 4 3 0 0 0 0 7 。 刘法治 1 9 6 4 一 ， 男 ， 河南 科技 学院机 电学 院， 在读硕 士 ， 高级工程 师 ， 4 5 3 0 0 3河南省新乡市 。 6 5 维普资讯 总第 3 7 2期 金 属 矿 山 2 0 0 7年第 6期 风机。本设计 以风机组 2 4 5 k W 为例 ， 选用 1台 西门子 s 72 0 0可编程控制器 P L C ， 空气压力变 送器等组成一个完整的闭环控制系统。其 中还包括 接触器 、 中间继 电器、 热继电器 、 矿用 防爆型磁 力起 动器 、 断路 器等系统保护 电器 ， 实现对 电机和 P L C 的有效保护 ， 以及对电机的切换控制。如图 1 所示。 显示 部分 报警部分 ] t I 蕊森 l 瓦 斯 浓 度 传 感 器 一矿井 图 1 通风控制系统方案 本 P L C控制系统具有对 通风机 的电动机启动 与运行 ， 进行监控 、 联锁和过热保护等功能。与常规 继 电器实施的通风系统相 比， P L C系统具有故障率 低 、 可靠性高 、 接线简单 、 维护方便等诸多优点 ， P L C 的控制功能使通风系统的自动化程度大大提高， 减 轻了岗位人员的劳动强度。P L C与空气压力变送器 配合使用 ， 使系统控制的安全性 、 可靠性大 大提高 ， 也使通风机运行的故障率大大降低， 提高了设备的 运转率。为满足煤 矿矿井通风 系统 自动控制 的要 求 ， 规定如下的控制方案。 本系统提供手动／自动两种工作模式 ， 具有现场 控制方式 ， 状态显示 以及故障报警等功能。 在手动方式下 ， 通风机通过开关进行控制 ， 不受 矿井 内气压的影响。为防止通风机的疲劳运行， 在 任何状态下风机在累计运行设定时间后要切换至另 一 台风机运行 。 1 通风机与 2 通风机可由二位开关转换。循环 次数及定时时间可根据需要随机设定 。报警信号均 为声光形式。声报警 电笛 可用按钮解除， 报警指 示在故障排除后 自动消失。 在 自动方式下 ， 利用远传空气压力传感器检测 矿井内的气压信号， 用变送器将现场信号变换成统 一 的标准信号 如4 2 0 m A直流电流信号、 0～ 5 V 直流电流信号等 ， 送人 A ／ D转换模块进行模数转 换 ， 然后 P L C将检测到的气压值 与设定 的气压值进 行处理 ， 输出信号控制通风机工作。当矿井内的气 ． 66 ． 压在一个大气压或在设定 的某个 大气压力数值 以 上 ， 工作通风机与备用通风机循环工作 ； 当出现突发 事故 ， 矿井内的气压低于设定 的某个大气压力数值 ， 工作通风机与备用通风机不再循环工作 ， 并 自动切 换为同时工作 ， 加大对矿井内的通风量 ， 直至矿井 内 的气压生至设定的大气压力数值 以上 ， 工作通风机 与备用通风机恢复循环工作。 在有瓦斯的矿井供风系统 中， 矿井内的瓦斯探 测传感器检测瓦斯浓度 ， 用变送 器将现场信号变换 成统一 的标准信号 ， 送人 A ／ D转换模块进行模数转 换 ， 同样 P L C将检测到 的数值与设定的数值进行比 较 ， 当瓦斯浓度大于设定数值后 ， P L C输出信号控制 通风机停止工作 ， 并输出信号 自动切断井下的电源 ， 满足风电连锁要求 ， 以免电子火花点着瓦斯 ， 防止瓦 斯爆炸事故发生。 2 控制系统设计 2 ． 1 P L C的 I ／ O地址分配 根据系统 的要求 ， 选 取 西 门子 P L C S 72 0 0 C P U 2 2 4作为控制核心 ， C P U 2 2 4的 I ／ ／ O点 数是 1 4 ／ 1 O ， 扩展 了 1个 E M 2 3 1模拟量输人模块 、 它是 A ／ D 转换模块 ， 具有 4个模拟量输人 ， 1 2位 A ／ D， 其采样 速度 2 5 s ， 气压传感器、 瓦斯传感器的输出信号， 经 过变送器调理和放大处理后 ， 成为 0～ 5 V的标准信 号 ， E M 2 3 1模块 自动完成 A ／ D转换 ； 同时扩展 了 1 个 E M 2 2 2的数字量输 出模块 ， 它有 8个数字量 的 输 出点 ， 作用是提供附加的输出点 ， 这样完全可以满 足系统的要求。I ／ O地址分配见表 1 所示 。 煤矿矿井通风控制系统的设计主要涉及 了9个 数字量输人和 2个模拟量输 人 ， 1 4个数 字量输 出， 设置 5个操作键 、 4个开关量传感器和 2个模拟量 传感器作输人信号； 这 5个操作键是 自动方式开关 、 手动方式开关 、 消音按钮及 2个在手动控制下控制 通风机运行按钮开关 ， 4个传感器为反映拖 动通风 机的吸风电机和增加风速电机堵转故障的热继电器 开关 ， 其中扩充 了 1个 E M 2 3 1的模拟量输人模块 ， 主要是用于测量气压值和瓦斯 浓度值 的， 另外扩展 了 1个 E M 2 2 2的数字量输出模块 ， 以提供更多的 输 出点数。 2 ． 2 控制系统软件设计 该系统除部分为顺序控制外 ， 从总体上来看具 有随机离散控制的特点 。控制程序采用 T E P 7一Mi - c r o ／ Wi n软件 以梯形 图方式 编写 ， 控 制系统软件结 构的流程图如图 2所示 。 下转第 8 3页 维普资讯 刘洪刚等 从低品位氧化锰矿 中综合回收镍钴 2 0 0 7年第 6期 [ 1 0 ] 刘春侠． 锌湿法净化钴镍渣的综合回收[ J ] ． 有色金属 冶炼 部分 ， 2 0 0 6 3 2 - 5 ． [ 1 1 ] 烟伟 ， 金作美， 周惠南． 硫酸化焙烧从锰矿中回收钴[ J ] ． 化 工冶金 ， 1 9 9 7 ， 1 8 1 1 8 - 2 2 ． [ 1 2 ] 刘大星． 从镍红土矿中回收镍、 钴技术的进展[ J ] ． 有色金属 冶炼部分 ， 2 0 0 2 3 6 1 0 ． 上接第 6 6页 [ 1 3 ] 李慧玲． 合金样品中钴、 镍分量测定方法的研究[ J ] ． 四川有 色金属 ， 2 0 0 5 6 3 8 - 4 0 ． [ 1 4 ] 丘 山． 镍钴镀液中镍、 钴的快速测定 [ J ] ． 电镀与精饰， 2 0 0 3， 2 5 1 3 2 3 4 ． 收稿 日期2 0 0 7 - 0 4 - 0 2 表 1 P L C的 L ／ o 地址分配 输 入 输 出 序号 名 称 地址 序 号 名 称 地址 1 1 风机 1 电机状态 1 0 ． 0 1 故 障显示 Q o ． 0 2 1 风机 2 电机状态 1 0 ． 1 2 中高气压显示 Q o ． 1 3 2 风机 3 电机状态 1 0 ． 2 3 低气压显示 Q o ． 2 4 1 风机 4 电机状态 1 0 ． 3 4 报警 Q o ． 3 5 1 风 机控制 1 0 ． 4 5 继电器 K M1 Q o ． 4 6 2 风机控制 1 0 ． 5 6 继 电器 K M 2 Q o ． 5 7 消音 I 1 ． 0 7 继 电器 K M3 Q o ． 6 8 自动 I 1 ． 1 8 继 电器 K M 4 Q o ． 7 9 手动 I 1 ． 2 9 1 风机 1 电机运行显 示 Q1 ． o 1 0 停机 I 1 ． 3 l O 1 风机 2 电机运行显 示 Q1 ． 1 1 1 气压信号 1 2 ． 0 1 1 1 风机 3 电机运行显 示 Q 2 ． 0 1 2 瓦斯信号 I 2 ． 1 1 2 1 风机 4 电机运行显 示 Q 2 ． 1 1 3 手动状态显示 Q 2 ． 2 1 4 自动状态显示 Q 2 ． 3 j 匦 李 僵 一 图 2系统软件流程 设定 由瓦斯传感器传送来 瓦斯浓度值为 D， 用 户设定不能超过的瓦斯浓度值为 D 。 ； 气压传感器传 来的压力为 F ， ； 用户要求 的矿井 内气压值 为 F 。 由 图可知 ， 按下启动健后 ， 首先检测是否手动 ， 如果是 则手动控制操作 ， 否则就 自动正常运行 ； 接着检测矿 井内瓦斯浓度值和大气压力值 ， 进行处理判断 ， 若瓦 斯浓度 D大于设定数值 后 ， 则通风机与矿井下供 电电源连锁停止工作并报警， 否则比较判断矿井内 大气压力值 F 。 与设定 的大气压力数值 的大小 ， 若 F F ， 进入风机轮休控制子程序， 起动 l 风 机 ， 1 风机运行一定时间后 ， 起动 2 风机工作 ， 1 风 机停止。 否则 2台通风机 同时参与工作 。 3结语 采用西 门子 P L C控制 的煤矿矿井通 风系统对 老设备进行节能技术改造， 不仅简化了系统， 提高了 设备的可靠性和稳定性， 设备的操作和维护方便， 节 省能耗 ， 同时也大大地提高了煤矿生产的安全系数。 另外还可以根据需要配置相应的通信模块， 很方便 地组成集散式控制 系统 ， 进行远程监册控现场设备 的运行状态， 提高了企业的生产效率和经济效益， 具 有一定 的推广价值 。 参考文献 [ 1 ] 陈建明， 等． 电气控制与 P L C应用[ M] ． 北京 电子工业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 彭桂力， 刘知贵． 集中供热锅炉控制系统的P L C控制[ J ] ． 电力 自动化设 备，2 0 0 6 9 7 5 ． 7 7 ． [ 3 ] 李国厚 ， 杨青杰， 余泽通． 球磨机润滑站控制系统的设计[ J ] ． 金属矿山 ， 2 0 0 5 9 7 4 - 7 5 ． [ 4 ] 丁纪凯， 许逸舟． 基于 P L C和现场总线的污水处理系统 [ J ] ． 机 电一体化 ， 2 0 0 6 1 8 0 ． 8 3 ． 收稿 日期2 0 0 7 J D 4 - 2 3 维普资讯