基于 PLC 的通风机随瓦斯浓度自动调速系统研究.pdf

江西煤炭科技 J I ANGXI COAL S CI ENCE TECHNOL OGY 2 0 1 5年 第 3期 NO．3 2 01 5 基于 P L C的通风机随瓦斯浓度 自动调速系统研究 郝 海鹏 大 同煤矿集 团公 司 同家梁矿 ， 山西 大 同 0 3 7 0 2 5 摘要 瓦斯 爆炸是煤炭生产过程中具有严重危害 的事故之 一。造成瓦斯爆 炸的原 因， 通风不合 理 、 通风设施损 坏等 占有 很大 比例 。本文分析 了 目前局部通风机运行 情况 以及存在 的问题 ， 说 明了局部 通风 机与巷道 瓦斯浓 度之 间的关系 ， 并 以 P L C技术 以及变频技术为基础 ， 对井下局部通风机随瓦斯浓度 自动调节 系统 进行 了设 计 。文 中介绍 了系统可 以完成 的主 要功能 以及具体设计方案 ， 详细说明 了系统中设备 的配置 以及瓦斯传感器 的安装位 置 ， 并设计 了系统运行 的主控制部分软 件流程 图。 关键词 P L C； 通风机 ； 瓦斯 浓度 ； 调速 中 图分 类 号 TD6 3 5 文 献 标 识码 B 文 章 编 号 1 0 0 6 2 5 7 2 2 0 1 5 0 3 0 0 8 1 0 3 S t u d y o n t h e S p e e d Ad j u s t me n t S y s t e m o f F a n w i t h G a s C o n c e n t r a t i o n B a s e d O n P L C Ha o Ha i pe n g To n g j i a l i a n g C o l l i e r y， Da t o n g C o a l Mi n e Gr o u p Co ． ， Da t o n g S h a n x i 0 3 7 0 4 1 Ab s t r a c t Ga s e x p l os i o n i s o n e o f t he a c c i d e n t s wi t h s e r i o us h a r m i n c o a l p r o d u c t i o n d u e t O u nr e a s o n a b l e v e n t i l a t i o n a n d v e nt i l a t i o n f a c i l i t i e s d a ma g e ． By a n a l y s i s o f t h e c u r r e n t s i t u a t i o n a n d p r o b l e ms o f l o c a l f a n o p e r a t i on， t h e p a p e r i l l u s t r a t e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t he l o c a l f a n a n d g a s c o n c e n t r a t i o n i n r o a d wa y， a n d i nt r o d u c e s a n a u t o ma t i c d i s p a t c h i n g s y s t e m o f u n d e r g r o u n d l o c a l f a n wi t h g a s c o n c e n t r a t i o n b a s e d o n PLC a n d v a r i a b l e f r e q u e n c y t e c hn o l o g y， i nc l u d i n g i t s ma i n f u nc t i o ns ， t he s p e c i f i c de s i g n s c he me ， t he c o n f i g u r a t i o n o f t h e d e v i c e s ， t h e i n s t a l l a t i o n l o c a t i o n o f g a s s e n s o r ，a n d t he s o f t wa r e f l o wc h a r t o f t h e ma i n c o n t r o l p a r t o f t he s ys t e m． Ke y wo r d s P L C； f a n； g a s c o n c e n t r a t i 0 n； s p e e d a d j u s t me n t 1 概 述 煤炭工业是我 国国民经 济和社会 发展 的基 础 。但是 ， 煤炭行业 事故 发 生频 繁 ， 尤 其是 瓦斯 爆 炸 引发 的 安全 事 故 ， 不仅影 响了煤炭企 业 的生产 ， 更危 害 了矿井 作业 人员 的健康 和人身安全 。造成煤矿 瓦斯爆 炸的原 因很 多 ， 大 多 数 和通 风不合理 、 通 风设施损 坏 ， 风量不 足等有关 ， 尤其是 通风管理混乱 、 工作 面风 流不 足导致 瓦斯 积 聚 ， 由于多 种 因素产生 电火 花 ， 引起 了瓦斯爆炸 ， 酿成 了重大事故 。 在矿井通风系统 中 ， 局部通 风机 的主要作用 就是负 责 巷道 的通风 。合理 的通风机位 置布置 ， 参 数选择 和通风 机 管理 ， 可以有效地 减少巷道瓦斯积 聚 ， 避免产 生安全 隐患。 那么 ， 局部通风机如果能够根据 瓦斯 浓度情 况 自动调 整运 行状态 ， 既能保证 瓦斯浓度处在 合理范 围 ， 又能节 省 电能 。 因此 ， 局部通风机 的 自动化控制具 有非常重 要 的指 导意义 和实践价值 。 随着 自动 化 控 制 技 术 的 快 速 发 展 ， 可 编 程 控 制 器 P LC 及变频技术 已经在各个领域得到了广泛的应 用 。在 矿井通 风控制 中 ， 利用 P LC和变频器 技术 相结合 ， 实现通 风机转 速随瓦斯浓度变化 而进 行智能调 节 ； 还可 以实现报 警 、 启 动备用 风机 等确保安全生产 。 2局 部 通 风 机 控 制 系统 现 状 2 ． 1 目前局 部通风机主 要控 制方式 8] 。 在煤矿生产 中 ， 多数局部通风 机采用 的是 传统 的继 电 器控制方 式 ， 风 量是 利用 出 口挡 风 板和 导 向器 进 行 调节 的。这两种方法都是采用交流 接触器 直接启动 ， 启 动 电流 和转矩 比较 大 ， 很 容 易烧毁 设备 。另外 ， 采 用继 电器 进行 控制 ， 局部通风机 无法根 据 瓦斯浓 度 自动调 节 电机转 速 ， 通 风机始终保持恒速运行 ， 既无法满足及 时排放 瓦斯 的要 求 ， 又不利 于节约 电能 。 2 ． 2 目前局部通风机存在的问题 目前煤 矿企 业使用 的局 部通 风机往 往存 在一 定 的问 题 ， 主要有 以下几条 1 局部通 风机 的驱动 电动 机存在 一定 程度 的老 化 ， 控制线路复杂 ， 难 以及时发现和排查故障 。 2 局部通 风 机的控 制系 统无法 调速 ， 一旦 投入 使用 就长期处于工频 运转 状态 。不 能随工 作 面实 际情况及 时 变更运行状态 ， 造成电能的浪费 。 3 随着掘进 工作 推进 ， 巷 道 内瓦斯浓 度也 处在 实 时 变化 中 ， 局部通风机在排放瓦斯 的时候 ， 不能控 制流量 ， 容 易造成 瓦斯 的积聚 。 由于上述 问题 的存在 ， 通风机 的智 能控制 系统 的研究 显得极为重要 。在选择局部通风机 功率 的时候 ， 要根据最 长距离进行计算 ， 确保工人正常 呼吸需 求和瓦斯 浓度处 在 合理范 围的风量 。通 风机 的功率 应能 随掘进 距离 的变 化 而变化 。这样的智 能系统既安 全又节 能。利用 P L C结 合 变频器 的控制方式 ， 可以实现这一设计 。 2 ． 3 变频器的应用 变频器能够让 频率 和电压 幅值发生 改变 ， 一次实 现节 能的功效 。目前 ， 利用 P L C结合变频器 的控制技术 已经得 到广泛应用 ， 能够提高生 产效 率 ， 降低生产 成本 ， 提高企 业 自动化水平 。 在井巷掘 进过 程 中 ， 要 求 确 保工 作 面新 鲜 风 流 的风 量 ， 保证瓦斯浓度不超过安全阀值 ， 但是 风量也不 能过大 ， 避免工作面煤 尘粉尘 飞扬 。变频技 术 的应用能 够很好 的 满足这一要求 ， 提高局部通风机的运行效率 。 3基 于 PLC 的 局 部 通 风 机 瓦斯 浓 度 控 制 系统 研 究 3 ． 1 控 制 要 求 根据 目前井下局 部通 风机运 行现 状 ， 进行 了分 析 ， 认 为智能化的瓦斯浓 度控制应该满 足一定要求 ， 结 构框 图见 图 1 。 8 2 图 1 控制系统应满足要求框 1 风量调 节 ， 能 够 随着巷 道 的采 掘进 而 自动调 节 电 机转速 以此调 节风量 大小 。 2 自动检测 瓦斯浓度 ， 由于通 风机随瓦斯 浓度调 节 ， 因此需 要配合 瓦斯浓度传感 器 ， 将传感器采 集 的数 据输入 P L C ， 通过 P L C的计算 自动输 出控制 。 3 风电锁闭功 能 ， 能够对 风 机运行 状态 进行 实时 检 测 ， 发现风机运行故障后 ， 能够切断电源发出警报 。 4 如果风机发生故障 ， 切换到备用风机 。 5 监控并记录风机运行状态 。 3 ． 2方案设计 煤矿安全规 程 相 关条款 规定 瓦斯浓度 超过 1 ． 5 的时候 ， 就要进 行排放 ； 瓦斯浓度 低于 1 ． 5 的时候 ， 可 以 随瓦斯浓度调节 风机转速 。 本 文中的设 计 ， 利 用瓦 斯传 感器 采集 瓦斯浓 度 ， 输入 P LC后通过程序运 行进行 计算 ， 输 出端控 制变 频器 ， 从而 实现对 风机转 速 的调节 。系统结 构 框见 图 2 。图 中， P L C 是核心部 件 ， 完成 系统 的输入 、 输 出、 数据处 理与存 储 ， 并 驱动变频器对 电机转速进行调控 ； 检测 电路主要包 括 A ／ D 与 D／ A转换 电路 ， 以此进行 数据和模 拟量 的转 换 。此外 ， 系统还 能够根 据瓦斯浓 度情况 ， 通 过与存储 器 中的数 据进 行对 比进行报 警和 自动断电。 由于瓦斯 传感器 的输 出值 是直流 电流 1 ～5 mA ， 而 变频器 的输入需要直 流 电流 0 ～2 0 mA 或者直 流电压 0 ～ 1 0 mV ， 因此在进行 电路连接时 ， 通过接入 2 k 1 2的可变 电阻将其 电流转换为直流电压 。 图 2 控 制系统 结构框 圈 3 ． 3 设备配 置 瓦斯传感器用来记 录正常通风 时 的瓦斯 浓度 ， 其位置 主要分布在工作 面 附近 、 迎风 头 以及 回风 口处 ， 具 体 位置 见图 3 ， 图中 K表示开关 ， B表示 P L C， F表示 通风机 ， D表 示导风筒 ， T表示 瓦斯传感器 。 根据 煤 矿 安全 规 程 规 定 ， 局部 通 风 机 安装 在进 风 巷 ， 瓦斯传感器 T 应放在距离风机 3 “ -- 5 m 的位 置 。如果 瓦斯浓度大 于 0 ． 5 ％ ， 就应 当切 断通 风机和 所有非 本 安型 设备 的电源 ； 如 果瓦斯 浓度小 于 0 ． 5 ， 回风通 风机 运行 ， 加大风量 ， 排放瓦斯 。瓦斯传感器 T 安装在距离工作 面 5 m 的位置 。如 果 瓦斯 浓度 大 于 1 ． 0 就报警 ， 大 于 1 ． 5 就切断 所 有 非 本 安 型 设 备 的 电 源 ； 如 果 低 于 瓦斯 浓 度 4 结 语 1 ． 0 ， 恢复供 电 ， 加 大风量 ， 排 放瓦斯 。瓦斯传感 器 T 。 安 装在进 风与回风交汇 处 ， 瓦斯 浓度 大于 1 ． 0 就 报警 并切 断所有非本安 型设备 的电源 ； 如果 低于瓦斯浓度 1 ． 0 ， 恢 复供 电 ， 加大风量 ， 排放 瓦斯 。根据 生产现场 的需要 ， 瓦斯 传感器 型号选 择 KG 9 7 0 1智能 低浓 度 瓦斯 传感 器 。该 型 号 瓦斯传感器 具有 自动 连续检 测 附近 区域 瓦斯浓 度 并实 时显示 数据 的功 能 ， 可 以将 数 据 传输 给 相连 接 的 通讯 设 备 ， 还 具备声光报警等功能 。 P L C可 以选 择使 用 1 4输 入端 和 1 0输 出端 的西 门子 S 7 2 0 0 系列 ， 外接一个 E M2 3 5 模 拟量模块 。变频 器可 以 选 择西门子 MM4 3 0变频器 。 3 ． 4 主程序流程 前面 已经对系统主要功能进 行了介 绍 ， 那么整 个系统 的软件设计应该 分为 主控 系统 、 瓦斯 浓度 采集 与判 断 、 电 机转速控 制 等几 个 部分 。下 面简 单 介 绍 系统 主 控 程序 。 主控程序 的作用 是检 测 系统状 态 、 调 用子 程序 、 进行 报警 以及断 电等功能 。系统主控制器流程见 图 4 。 图 4系统主控流程 1 分析 了 目前 局部通 风机运行 情况 以及存在 的问题 ， 同时对局部通 风机与 巷道 瓦斯 浓度 之 间 的关 系做 了简要 说 明， 以 PL C技 术以及 变频 技术 为基础 ， 对 井下局 部通 风 机随瓦斯浓度 自动调节 系统进行 了设计 。 2 介绍 了系 统可 以完 成 的主要 功能 以及 具体 设计 方 案 ， 详细说 明了系统 中设备 的配置 以及 瓦斯传 感器 的安装 位置 。 3 设计 了系统运行 的主控制 部分软件流程图 。 参考 文献 1 3王 军 ．煤 矿 安 全事 故 分 析及 对 策 [ J ] ．山东 煤 炭科 技 ， 2 0 1 2， 0 1 1 8 1 9 [ 2 ]贾 晓全 ．掘进工作面风流分 布及 防治瓦斯 积聚 措施 [ J ] ．山 西煤炭管理干部学院学报 ， 2 0 1 2 ， O 2 1 2 1 3 [ 3 ]解启栋 ．变 频调速技术在矿井轴 流式 通风机 的应用 [ J ] ．煤 矿机电 ， 2 0 0 3 ， O 6 4 5 4 7 [ 4 ]李冠群 ． K G9 7 0 1智能低浓瓦斯传感器 的分析 [ J ] ．煤炭 科学 技术 ， 2 0 0 4 ， 1 1 3 9 4 0 [ 5 ]姚昕 ．基于 P L C的矿井局 部通 风机 的 自动化改造 [ J ] ．机 电工程技术 ， 2 0 1 4 ， 1 1 4 0 4 3 作者 简介 郝海鹏 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山西介休人 ， 毕业 于中 国矿业 大 学 北京 ， 本科学历 ， 助理工 程师 ， 现从事煤矿 机电技术工作 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 2 0 编辑 胡 中祺 83