山东能源新矿集团翟镇煤矿 山东省新泰市 271204
摘要：煤炭行业作为我国的支柱性产业，一直以来都是我国社会发展与经济快速增长的基础。由于我国煤炭多为地下开采，通风不便，频发的瓦斯爆炸事故对井下工人的生命安全构成了巨大威胁。通过对历史上多起煤矿爆炸事故的分析，发现多数事故矿井的通风设施不到位，通风系统不合理，控制方式不科学，最终酿成惨祸。近年来，随着电子信息技术、微电子技术与控制理论的发展，PLC控制技术与变频调速技术应用范围越来越广。通过PLC控制煤矿通风机，可有效提高通风系统的自动化程度与工作的可靠性，通过变频技术驱动通风机可大幅降低风机的损耗，实现电机软起动与无级调速。文章研究了PLC自动控制技术与变频调速驱动方式，并提出了一种通风控制系统的应用方案。研究了系统的控制技术，并分析了变频调速方式的节能效果，设计了系统的闭环控制原理与整体方案；对系统的硬件设备进行了设计，选型了PLC控制器、变频器，设计了传感器的接线图。系统将PLC自动控制与变频调速技术应用于矿井通风，提高了通风系统的自动化程度，减少了设备的电能消耗。
关键词：矿井通风；自动化；PLC；变频调速
1矿山井下通风自动化技术概述
在矿井通风系统中，自动化技术的应用能够使得矿井通风系统中存在的问题通过系统自行进行反馈，并根据所设定的程序自动控制风机进行相应参数的设置和改动，使得煤矿生产过程始终处于安全、稳定、高效的运转过程中，从而提升矿井通风的管控水平。控制精准度高以及控制效率高是自动化技术应用的主要优势，而将自动化技术应用的矿井通风系统中，能够使得煤矿的通风系统得到系统化和智能化的发展。现阶段，我国的许多煤矿都存在不同程度的自动化技术运用，但是仍然存在自动化技术之间无法平衡、自动化控制程序低以及对相应系统的应用缺乏系统化。尤其是矿井通风设备，维护数量大、处理不及时等对矿井的安全生产造成较大的影响和阻滞，因此煤矿应当根据矿井的实际情况以及设备数量型号等多方面因素设计具有本矿井特色的自动化通风系统，实现高效、有序、安全的矿井通风环境。
2控制系统整体方案设计
2.1系统功能设计
由于传统风机控制方案存在自动化程度低，启动时间长、电流冲击大等缺点，会损坏电机的绝缘性能，缩短设备的使用寿命，并且造成较大的能源浪费。本文设计的控制系统主要实现的功能如下：实现风机的手动控制、自动控制与远程终端控制三种工作模式，并且三种模式可以任意切换；风机可实现软起动，并自动进入变频运行模式，当变频器故障时，可以切换到工频模式；当矿井发生爆炸或火灾时，PLC控制风机反向运转；系统实时监测风机的运行参数，通过液晶屏显示风机的各组工作状态；当系统电气设备、电参数等工况数据异常时，系统发出报警信息，当参数超过设定值一定量时，切断电源，停止风机运行；当主风机故障时，自动运行切换程序，切断主风机电源，运行副风机。
2.2系统结构方案设计
系统以PLC控制器为核心，包括远程监控机、上位机、交换机、控制器、变频器以及各类传感器。上位机与远程监控机可实现风机历史运行数据以及现场运行效果的实时监控功能，并通过互联网实现远程指导与信息交流。此外系统采用权限管理，权限低的用户只能查看，不能修改。系统的通讯介质为光纤电缆，通过TCP/IP协议实现信号传输，满足各设备之间的通讯功能。传感器部分包括温度传感器、风速传感器、湿度传感器与瓦斯浓度传感器，负责采集矿井与风机内的信号参数，实现风速的自适应调节。
3系统设备选型设计
系统的硬件部分包括PLC控制器、变频器与传感器等部分，本节将对控制系统的部分设备进行选型设计。
3.1PLC控制器及外围模块选型设计
系统采用西门子公司S7-300PLC控制器，负责对通风机设备、高低压电气设备等的监控。S7-300PLC编程功能强大，具有较好的电磁兼容性和抗干扰能力，满足矿井通风机的工作需求。S7-300采用PS307电源模块供电，向控制器提高5V直流电源与24V直流电源。控制器CPU模块型号为315-2DP，CPU包括384KRAM存储器，2个DP接口。控制器采用SM321数字量输入模块与SM321数字量输出模块，负责将外部数字信号转换为控制器内部信号或将内部信号转换为外部设备可用信号。通讯模块包括CP343-1与CP341，分别满足控制器的以太网通讯需求与串口通信需求。
3.2变频器选型
目前变频器主要分为交-直-交变频器与交-交变频器两种，其中交-直-交变频器将一定频率的交流电整流转换为直流电，再通过逆变电路转换为所需频率的交流电。本文选用日立公司生产的SJ700交-直-交变频器，具有较高的启动转矩，保证风机的快速启动，具有过电流与过电压保护功能，减少跳闸风险，搭设噪音滤波器，降低变频器发出的噪音。
3.3传感器模块设计
系统的传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器与瓦斯浓度传感器。其中温度传感器模块采用NTC热敏电阻材料，其中R2为限流电阻，C1为滤波电容，传感器模块的测量范围在-20～75℃之间，误差小于±0.1℃。系统选用DHT1数字式湿度传感器，具有响应快、性价比高等优点，其中R3为上拉电阻，当传输距离大于20m时，需计算合适电阻值，电容C2为滤波电容。瓦斯浓度传感器选用KG9701智能沼气传感器，可实时监测附近范围内的CO气体浓度，并具有声光报警功能。系统选用KGF2型矿井专用风速传感器测量风机出风口处的风速信号。KGF2传感器由18V直流电源供电，可将信号传输到PLC控制器，也可直接通过液晶屏显示。传感器安装于出风口管道的墙壁上，保证传感器探头与出风的风向一致。
4系统监测数据分析
系统通过各传感器设备监测矿井的通风参数，部分监测数值如表1所示。监测数据表明，当巷道风速达到3m/s时，瓦斯等有害气体的浓度值较低，温、湿度保持在一个舒适值。当风速过大，不仅造成能源浪费，也会吹起粉尘，影响作业环境；当风速过小时，不能有效地输送新鲜空气，稀释瓦斯。系统根据监测数据，对通风机的转速进行实时控制，以达到良好的通风效果。
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5结语
本文通过对PLC控制技术与变频技术的研究，提出了一种基于PLC控制器的矿井通风自动控制系统，并分析了变频技术应用于通风机后的控制效果与节能效果。对控制系统的主要硬件设备与传感器进行了选型，并设计了温、湿度传感器的系统接线方式。本控制系统与控制技术具有自动化程度高，节能效果好等优点，可满足通风系统的调速与监测需求，提高井下工作环境的安全性。
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