基于PLC的通风机随瓦斯浓度自动调速系统研究.pdf

第3 8 卷第8 期 2 0 1 5年8 月 煤 炭 与 化 工 Co a l a n d C h e mi c a l I n d u s t r y V0 l - 3 8 No ． 8 Au g ． 201 5 基于P L C的 通风机随瓦 斯浓度自 动调速系 统研究 郇利虎 山西省大同市同煤集团煤峪口矿准备区，山西大同0 3 7 0 4 1 摘 要针对目前局部通风机运行情况以及存在的问题，以P L C技术和变频技术为基础，设 计了井下局部通风机随瓦斯浓度 自动调节系统，根据生产现场需要，选择西门子 s 7 2 0 0系 列 P L C 、 K G 9 7 0 1 智能低浓度瓦斯传感器和西门子 M M 4 3 0变频器，实现了局部通风机的自 动 化控制以及报警、启动备用风机等功能，保证了安全生产。 关键词P L C ；通风机；瓦斯浓度；自动调速 中图分类号 T D 6 3 5 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 5 0 8 0 0 4 1 0 3 S t u d y o n Ve n t i l a t o r Al o n g wi t h Ga s De n s i t y Au t o ma t i c S p e e d Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC HUAN L i h u Me i y u k o u Mi n e ， S h a n x i D a t o n gMi n i n g G r o u p ， D a t o n g 0 3 7 0 4 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o 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 m o f p a r t i a l v e n ti l a t o r o p e r a ti o n ，b a s e d o n P L C t e c h n o l o g y a n d f r e q u e n c y c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y ， u n d e r g r o u n d p a r t i a l v e n t i l a t o r a l o n g w i th the g as c o n c e n a ti o n a u t o m a ti c a d j u s t m e n t s y s t e m， b a s e d o n the n e e d s o f p r o d u c ti o n fi e l d ，S i e me n s S 7 2 0 0 s e rie s P L C， KG9 7 0 1 i n t e l l i g e n t l o w c o n c e n t r a ti o n g as s e n s o r s a n d S i e me n s MM4 3 0 f r e qu e n c y c o n v e e r w ℃ a d o p t ed t o r e a l i z e a u t o ma ti c c o n t r o l an d ala r m an d p a r ti al v e n ti l a t o r ， s t a r t the s t a n d b y b l o we r a n d e n s u r e the s a f e p r o d u c ti o n ． Ke y wor d s P L C ； v e n ti l a t o r , g a s c o n c e n t r a ti o n ； a u t o ma ti c c o n t r o l o f mo t o r s p e e d 0 9 1言 拿 萎 盏 化 进 行 智 能 调 瓦斯爆炸引发的安全事故，不仅影响煤炭企 业的正常生产 ，更直接危害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，引起瓦 斯 爆炸 ，酿成重大事故 。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 以有效减少巷道瓦斯积聚，避免产生安全隐患。 随着自动化控制技术的快速发展 ，可编程控制器 P L C 及变频技术在各个领域得到了广泛应用。 在矿井通风控制中，可以将 P L C和变频技术相结 1 局部通风机控制系统现状 1 ． 1主要控制方式 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 ，风量利用 出 口挡风板和导 向器进行调节，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。 1 ． 2存在问题 1 局部通风机的驱动电动机存在一定程度 收稿 日期 2 0 1 5 - - 0 4 1 6 ；责任编辑冯亚同 作者简介郇利虎 1 9 8 4 一 ，男，山西阳高人，助理工程师。E m a i l h u a n l i h u 1 6 3 ． c o m 引用格式 郇利虎． 基于 P L C的通风机随瓦斯浓度自动调速系统研究【 J 】 ． 煤炭与化工 ， 2 0 1 5 ，3 8 8 4 1 - 4 3 41 2 0 1 5 年第8 期 煤炭与化工 第3 8 卷 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，造成电能浪费。 3 随着掘进工作的推进 ，巷道内瓦斯浓度 处于实时变化中，局部通风机在排放瓦斯的时候， 不能控制流量，容易造成瓦斯积聚。一旦出现火 源，就容易发生瓦斯爆炸 ，破坏设备、危害矿工 生命安全。 因此通风机智能控制系统的研究就显得极为 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。通风机的功率应该随掘进距 离变化 ，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 局部通风与瓦斯涌出理论 2 ． 1 瓦斯涌 出的特点与危害 瓦斯涌出是指瓦斯从没有发生动力移动的煤 层或者岩层中涌出的现象。主要有以下 4 个特点 ①具有局部性 ，难以被及时发现 ；②易于积聚 ； ③有声响和刺激性气味；④不破坏煤层。 煤炭开采过程中，如果没有及时处理涌出的 瓦斯 ，形成积聚 ，可能会造成瓦斯爆炸 ，危害工 作人员生命安全、破坏设备 ，影响煤矿生产。 2 ． 2 局部通风 的重要性 瓦斯爆炸需要具备 3 个条件 ①瓦斯浓度在 4 ％～ 1 5 ％；②0 浓度高于 1 2 ％；③有火源。其中 氧气浓度高于 1 2 ％是一定的，火源控制能够限制 人的行为 ，但是很难避免机械设备摩擦产 生的火 花、煤炭的自燃等。因此 ，防止瓦斯爆炸的主要 手段是控制瓦斯浓度 ，这就需要良好的通风情况。 加强通风，优化通风设备参数和通风系统，能够 有效避免瓦斯积聚，消除瓦斯爆炸隐患。 3变频器的应用 变频器能够使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。 42 4 基于 P L C的局部通风机瓦斯浓度控制 系统研究 4 ． 1 控制要求 智能化的瓦斯浓度控制系统应该满足一定要 求 ，如图 1 所示。①风量调节，能够随着巷道采 掘进程，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风电闭锁功能 ，对风机运行状态进行实时 监测 ，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。 瓦斯 浓度 检测 控 制 l瓦 斯 嚣 l 切换I J 监控f l 自动 声光 报警 图 1 控 制系统要求 4 ． 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 ，输人 P L C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 统结构如图 2 所示。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。 图2 控制系统结构 郇利虎 基于 P L C的通风机随瓦斯浓度自动调速系统研究 2 0 1 5 年第 8 期 由于瓦斯传感器的输出值是直流电流 1 ～5 m A ，而变频器的输入需要直流电流 0 2 0 m A 或者直流电压 0～1 0 m V ，因此在进行电路连 接时，通过接入 2 k Q 的可变电阻将其电流转换 为直流电压 。 4 ． 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，具体位置如图3 所示。 K一开关 ；BP L C；F一通厉 l 机 ；D一导风筒 ；T一瓦斯传感器 图3 瓦斯传感器位置分布示意 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 1 应放在距离风机 3 5 m的位置。如果瓦斯浓度高于 0 ．5 ％，应当切断 通风机和所有非本安型设备的电源；如果瓦斯浓 度低于 0 ． 5 ％，回风通 风机运行 ，加大风量 ，排放 瓦斯。瓦斯传感器 T 2 安装在距离工作面 5 m的位 置。如果瓦斯浓度高于 1 ． 0 ％就报警 ，高于 1 ． 5 ％ 就切断所有非本安型设备的电源；如果瓦斯浓度 低于 1 ． O ％，恢复供电，加大风量，排放瓦斯。瓦 斯传感器 T 3 安装在进风与回风交汇处 ，如果瓦斯 浓度高于 1 ．0 ％，报警并切断所有非本安型设备的 电源；如果瓦斯浓度低于 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 K G 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 ， 并具备声光报警等功能。 P L C选择使用 1 4 输入端和 l 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 。 变频器选择西 门子 MM4 3 0变频器。 4 ． 4 主控程序流程 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。其软件流程如图 4所示 。 图4 系统主控流程 5 结 论 1 分析 了 目前局部 通风机运行情况 以及存 在的问题 ，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 P L C技术及 变频技术 为基 础 ，对井下局部通 风机随瓦斯浓度 自动调速 系统 进行 了设计 。 2 介绍了系统具体设计方案以及可以完成 的主要功能，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 设计了系统运行主控制部分软件流程。 参考文献 [ 1 】 宋修通，王军 ，刘建伟． 煤矿安全事故分析及对策[ J 】 ． 山东煤炭科技 ，2 0 1 2 3 2 3 8 2 3 9 ． 【 2】 贾晓全． 掘进工作面风流分布及防止瓦斯积聚措施【 J 】 ． 山 西煤炭管理干部学院学报，2 0 1 2 2 3 8 3 9 ． 【 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 6 4 54 7 ． 【 4 】 李冠群． K G 9 7 0 1 型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 94 1 ． 【 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 2 1 1 4 JD一4 2 ． 4 3