基于PLC的矿井主通风机控制系统设计分析.pdf

引言 煤炭资源是我国经济社会发展的基础产业， 自 我国煤炭开采以来， 矿井安全事故频繁发生， 其中 瓦斯积聚引起的爆炸事故占很大一部分， 影响了企 业的发展与工人的生命安全， 是社会发展的不稳定 因素之一[1-2]。 矿井通风系统负责排除井下瓦斯等有 害气体， 向工作面输送新鲜空气， 并调节井下温度 与湿度等参数。 主通风机作为关键设备之一， 需 24 h 不间断运转满足井下需风量， 消耗了大量的电能[3-4]。 近年来随着控制技术的发展与节能减排理念的加 深， 企业不仅朝着自动化与智能化方向发展， 同时 也朝着可持续发展与绿色健康发展[5]。 为此， 本文分 析一种基于 PLC 的煤矿主通风机自动控制系统。 1通风系统结构及控制策略研究 煤矿通风机主要分为两种类型离心式通风机 和轴流式通风机，目前煤矿使用的多为轴流式通风 机。 本系统选用的为对旋式轴流通风机， 由两台电机 驱动两叶轮反方向旋转， 具有损耗小、 传动效率高、 噪音低、调速方便的优点，满足矿井通风阻力的要 求。通风系统由两套通风机组成， 其中一套为主， 直 接投入工作， 另一套为辅， 作为备用风机。控制系统 的整体结构如图 1 所示， 主要由上位机系统、 PLC 控 制系统、 变频调速系统与信号采集系统组成。 两台通 风机的出口处安装有静压传感器与压差传感器， 用 于测量风机输出的风量及压强等参数，巷道内安装 有温度传感器、 湿度传感器与瓦斯浓度传感器等， 用 于监测井下环境参数。 系统以 PLC 为控制核心，具有三种控制模式， 手动控制、 触摸屏控制与上位机远程控制； 当变频器 正常工作时， 系统为变频运行， 当变频器故障时， 系 统切换为工频运行； 当井下发生火灾等突发事故时， 系统控制电机反转， 完成系统反风工作； PLC 控制器 与组态软件结合，实现风机参数与环境参数的实时 监测， 并可远程控制通风机的运行状态； 系统具有故 障报警功能，当出现变频器故障、电机故障等情况 时， 控制电机减速， 切断电源停机维护。 系统采用变频调速技术实现通风机输出风速的 调节。 变频调速技术以变频器为核心， 通过将固定工 频交流电转化为频率可调的变频交流电，从而改变 通风机驱动电机的输出转速， 达到风速调节的目的。 变频调速技术发展成熟，逐渐应用到各工业与生活 领域， 具有控制精度高、 响应速度快、 资源消耗少等 多个优点， 尤其适合应用于水泵与通风设备等场合， 具有较好的节能效果。 本文利用模糊控制策略，通过瓦斯浓度传感器 实现风速的负反馈控制，系统的控制策略结构图如 图 2 所示。 模糊控制作为一种控制技术， 可解决复杂 系统的控制难题， 提高设备智能化水平。 本系统的模 糊控制主要包括计算偏差值、 模糊量化、 推理决策与 判决四个阶段，通过瓦斯浓度传感器监测到的实际 浓度值与给定值相比较，计算得到浓度偏差值与偏 差率，系统根据函数关系与规则得到两个模糊输入 基于 PLC 的矿井主通风机控制系统设计分析 孙国栋 （山西煤炭进出口集团洪洞恒兴煤业有限公司， 山西临汾041600） 摘要 针对煤矿通风机的工作环境与矿井需求， 分析一种基于 PLC 的通风控制系统， 并对系统的功能和控 制策略， 以及系统的 PLC 控制器、 变频器与传感器单元进行选型设计。控制系统采用变频调速技术与模糊控 制策略， 不仅可实现矿井主通风机的自动化控制， 并且可实现节能降耗。 关键词 矿井通风自动控制PLC 中图分类号 TD724文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 07-0232-02 收稿日期 2020-05-01 作者简介 孙国栋 （1989） ， 男， 毕业于山西大同大学， 助理工程 师， 现从事煤矿机电相关工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.07.100 总第 207 期 2020 年第7 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 207 No.7， 2020 图 1控制系统整体结构 上位机 PLC 控制器 变频器 11 变频器 12 变频器 22 变频器 21 电机 11 电机 12 电机 22 电机 21 风机 1 风机 2 风门 1 风门 2 主巷道 图 2系统控制策略结构图 给定值 计算浓 度偏差 模糊 量化 模糊推 理决策 模糊 判决 变频器风机巷道 瓦斯浓度传感器 模糊控制单元 自动化技术与设计 2020 年第 7 期 量，并推算出一个模糊输出量，最终通过变频器执 行， 以达到风机的智能化调速。 2系统的硬件部分 本文以 PLC 控制器为核心，主要包括 CPU 模 块、 电源、 存储器、 各外部输入与输出设备等。 根据对 系统控制功能与外部设备 I/O 口数量估算，本文选 用西门子 S7-300PLC 控制器。S7-300 具有 RS-485 通信接口， 可快速组件通信网络， 具有较强的抗干扰 能力， 可适应煤矿的恶劣环境。S7-300 软件编程简 单， 采用模块化设计， 便于操作人员掌握， 拥有 400 条指令， 满足系统开发需求[6-7]。 根据系统负载类型与控制精度需求等，在综合 对比西门子、 施耐德与日立等公司的变频器后， 本文 选用 SJ700 变频器实现风机的变频调速功能。SJ700 变频器启动转矩大， 可保证风机的正常启动与工作。 变频器调试简单， 具有过载、 短路、 断路等抑制保护 功能， 在设备故障时， 可紧急切断电源， 保护电气设 备不受损坏。SJ700 变频器采用噪音滤波器， 有效降 低了运行噪音， 使用寿命可长达 15 年， 适应煤矿的 工作环境[8]。 系统所需监测的参数包括电机的温度信号、 通 风口处风速的流量信号与压力信号、巷道瓦斯浓度 信号与温湿度信号等。 系统选用 AD590 温度传感器 对电机与巷道温度信号进行检测，利用 PN 结构的 热敏特性， 可测量 -50 ℃150 ℃的温度范围， 误差 范围在0.3 ℃内， 可精确测量各温度参数。 系统通风流量参数通过压差变送器测量，利用 两个压力变送器测量两个不同断面处通风时的压力 值，对比断面截面积与压力关系计算得到通风口处 的空气流量。 系统选用 LLD-EX 压差变送器， 利用压 力值与膜片产生的位移关系，分析得到介质的压力 值。 LLD-EX 压差变送器具有稳定性好、 灵敏度高等 优点， 测量精确度≤0.25。 系统选用 KG9701 型瓦斯传感器，可检测设备 附近的瓦斯浓度信号， 通过屏幕直观显示， 并将信号 传输到 PLC 控制器中， 传感器可测量瓦斯浓度范围 为 04， 使用寿命 2 年。瓦斯浓度传感器安装于进 风巷中， 距离通风口 5 m 左右， 当瓦斯浓度值＞0.5 时， 增大通风机转速； 瓦斯传感器安装于回风巷中， 距离风流汇合处 12 m 左右， 当浓度值＞1时， 增大 通风量。 3系统的软件部分 通风机控制系统的主程序流程图如图 3 所示。 系统初始化后启动主通风机， 开启主通风门， 并关闭 备用通风机风门。 系统通过触摸屏设定运行参数， 驱 动变频器控制风机转速， 当检测到变频器故障时， 切 换为工频运行。系统运行信号采集子程序与数据通 讯子程序， 当监测到运行风机发生故障时， PLC 控制 器运行风机切换子程序，关闭正在运行的风机与风 门， 开启备用风机与风门， 重复上述流程。在监测到 重大故障时， 系统向工作人员报警， 并且切断电源紧 急停机维修， 当故障检修完成后， 系统重新上电恢复 正常。 4结语 基于 PLC 控制器的矿井通风控制系统采用变 频调速技术与模糊控制策略，实现了通风机的自动 化与智能化控制，可实时监测通风机工作参数与巷 道内环境参数， 具有完善的故障诊断与报警功能， 节 能效果显著。 参考文献 [1]程磊， 杨运良， 熊亚选.基于人工神经网络的矿井通风系统评价 研究[J].中国安全科学学报， 2005 （5） 89-91. [2]李润求， 施式亮， 彭新.矿井通风系统安全评价方法及发展趋势 [J].中国安全科学学报， 2008 （1） 116-122. [3]李勇， 吴建平， 刘海峰.变频技术在煤矿通风机控制系统中的应 用设计[J].信息技术， 2009 （8） 157-159. [4]宋泽阳， 李学创， 齐文宇， 等.矿井通风系统稳定性定量判定方 法研究[J].中国安全科学学报， 2011 （9） 119-124. [5]李德英， 颜静仪， 王志江.基于模糊神经网络的公路隧道通风控 制的应用[J].公路交通科技， 2003， 20 （supple1） 44-47. [6]张宝， 陈开岩， 司俊鸿， 等.复杂通风系统风流敏感性及稳定性 控制[J].煤矿安全， 2012 （2） 123-127. [7]董金波， 李春华.基于 PLC 与触摸屏的煤矿瓦斯控制系统的研 图 3系统主程序流程图 系统初始化 启动主风机 开启主风机风门 备用风门关闭关闭备用风门 驱动变频器 变频器故障 变频运行 信号采集 风机故障 关闭主风门 开启备用风门 切换备用风门 工频运行 正常运行 N N N Y Y Y （下转第 246 页） 孙国栋 基于 PLC 的矿井主通风机控制系统设计分析233 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 升容器的加速度超过了系统设定的阈值时，系统就 会向外发出警报。 不仅通过指示灯进行警报， 还会发 出刺耳的声音警告。通过软件界面还可以调用系统 存储的历史数据，以便对前期故障问题进行深入分 析。本文所研究的提升机最大加速度值为 0.6 m/s2， 当系统检测到提升机容器加速度超过该值就会马上 发出警报。 5结论 提升机安全系统通过多种类型传感器对提升机 的运行状态进行监测， 包括提升载荷状态、 容器倾斜 和振动状态、钢丝绳受力状态、井底尾绳磨损状态 等。 安全系统在实践中取得了很好的应用效果， 在保 障提升机安全方面发挥着重要作用。 参考文献 [1]徐永飞.PLC 控制技术在矿用提升机中的应用探讨[J].中国化 工贸易， 2019， 11 （22） 124. [2]杜小琴.单绳缠绕式提升机松绳保护的改进[J].石化技术， 2019， 26 （10） 61-62. [3]李岩松.矿山提升机自动化控制趋势[J].设备管理与维修， 2019 （14） 156-157. [4]张小龙.基于矿用提升机液压站故障分析与处理分析[J].山东 工业技术， 2018 （13） 88. [5]张亚伦.矿用提升机故障诊断[J].卷宗， 2017 （17） 178-179. [6]刘涛， 赵慧明.基于决策树的矿用提升机故障预警系统设计[J]. 计算机仿真， 2012， 29 （9） 228-231； 282. （编辑 王慧芳） 图 4多绳摩擦式提升机安全系统软件界面 Study on Design of Safety System for Multi-rope Friction Hoist Zhang Yonghao （Luan Group Yuwu Coal Company, Changzhi Shanxi 046103） Abstract Based on the analysis of multi-rope friction hoist structure, aiming at the common safety hidden trouble of hoist, the hoist safety system is designed. The characteristics and functions of the system are expounded in detail from three aspects the overall structure design of the security system, the hardware selection design and the software system development. The security system has achieved good application results in practice and plays an important role in ensuring the safety of the hoist. Key words multi-rope friction type; hoist; safety system; design research 究[J].科学技术与工程， 2011 （11） 174-176； 182. [8]刘小满， 赵万里.井下局部通风机智能控制装置的设计[J].煤炭 工程， 2016 （7） 25-27. （编辑 王瑾） PLC-based Control System Design of Mine Main Ventilator Sun Guodong （Hongtong Hengxing Coal Industry Co., Ltd. of Shanxi Coal Import and Export Group, Linfen Shanxi 041600） Abstract According to the working environment and mine demand of coal mine ventilator, a ventilation control system based on PLC is designed, and the function and control strategy of the system are analyzed, and the PLC controller, frequency converter and sensor unit of the system are designed and selected. The control system adopts frequency conversion speed regulation technology and fuzzy control strategy, which not only realizes the automatic control of mine main ventilator, but also realizes energy saving and consumption reduction. Key words mine ventilation; automatic control; PLC （上接第 233 页） 246