基于PLC的金屬非金屬礦山局部通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)

權(quán) 潔，熊書敏，孫曉東，余 謙，張煥強(qiáng)

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州 213015）

基于PLC的金屬非金屬礦山局部通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)

權(quán) 潔1，熊書敏2，孫曉東2，余 謙2，張煥強(qiáng)2

（1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164；2.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州 213015）

介紹了金屬非金屬礦山局部通風(fēng)機(jī)自動控制的必要性；分析了局部通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)的功能要求和特點(diǎn)，并根據(jù)功能要求運(yùn)用PLC控制器對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建了模擬實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有較高的推廣價值。

金屬非金屬；局部通風(fēng)機(jī)；PLC；監(jiān)測；自動控制

0 前言

由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，煤礦和非煤礦開采時會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，威脅員工的人身安全。局部通風(fēng)機(jī)是改善礦山井下勞動條件的重要設(shè)備，是井下掘進(jìn)過程中最主要的通風(fēng)設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)安全開采的必要安全設(shè)施[1]。目前，金屬非金屬礦山使用的局部通風(fēng)機(jī)大多采用傳統(tǒng)的手動控制方式，風(fēng)機(jī)的啟停不能根據(jù)有毒有害氣體的濃度變化而改變，因此常常會出現(xiàn)氣體已經(jīng)排出，但風(fēng)機(jī)還在運(yùn)行的情況，造成大量的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)對傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)啟停進(jìn)行自動化設(shè)計(jì)，對有毒有害氣體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋對通風(fēng)機(jī)的啟停和通風(fēng)量進(jìn)行控制，能夠大大提高風(fēng)機(jī)的工作效率，減小能源的浪費(fèi)，降低開采成本，達(dá)到安全高效的目的。

1 系統(tǒng)的功能要求和特點(diǎn)

通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測現(xiàn)場的一氧化碳、氧氣、二氧化氮等氣體的濃度參數(shù)，并在氣體濃度超標(biāo)時發(fā)出語音、聲光報(bào)警，提醒現(xiàn)場工作人員禁止進(jìn)入工作區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)對局部通風(fēng)機(jī)的手動和自動控制功能的切換，保證在自動控制出現(xiàn)故障時實(shí)現(xiàn)手動的方式進(jìn)行控制?，F(xiàn)場的各監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸?shù)絇LC控制器，運(yùn)用上位機(jī)上的組態(tài)畫面進(jìn)行歷史曲線、實(shí)時數(shù)據(jù)等的顯示和分析。

該系統(tǒng)的特點(diǎn)主要包括：系統(tǒng)組合方式多樣，可以通過以太網(wǎng)與礦井其他系統(tǒng)無縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息共享；傳感器報(bào)警點(diǎn)可以在傳感器上設(shè)定，也可以通過組態(tài)軟件設(shè)定；智能型總線傳感器即插即用，可以實(shí)現(xiàn)對不同氣體的監(jiān)測[2-4]。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)上述的功能要求，本文設(shè)計(jì)了基于PLC控制器以及各種氣體傳感器的局部通風(fēng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，以氣體濃度值為輸入?yún)?shù)，接入PLC的模擬量輸入端，以局部通風(fēng)機(jī)為控制對象，通過變頻器對局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和啟停控制，控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)方框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

礦井局部通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)由PLC控制柜、變頻器、局部通風(fēng)機(jī)和各類傳感器組成，各傳感器監(jiān)測到的氣體濃度值反饋到PLC控制器，當(dāng)有任一傳感器濃度值超過設(shè)定參數(shù)時，發(fā)出語音、聲光報(bào)警，該信號經(jīng)PLC處理后控制就近的變頻器對風(fēng)機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而有效控制通風(fēng)機(jī)的啟停和通風(fēng)量，在一定時間內(nèi)驅(qū)除有毒有害氣體，當(dāng)環(huán)境參數(shù)達(dá)到設(shè)定要求后，即無報(bào)警提示時，工作人員方可進(jìn)入工作區(qū)域[5-7]。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

局部通風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)基于上位機(jī)組態(tài)軟件組態(tài)王6.55版本，實(shí)現(xiàn)對CO氣體濃度的顯示，監(jiān)測濃度超過設(shè)定值時發(fā)出語音和聲光報(bào)警，并伴隨畫面閃爍警示，其中語音報(bào)警和畫面閃爍警示通過組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)。PLC編程采用西門子通用編程軟件STEP7 Micro WIN V4.0版本，系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，包括控制主程序、模擬量采集程序、手動控制程序和手自動切換控制程序等。

3 模擬實(shí)驗(yàn)研究

為了研究該系統(tǒng)的可行性，本文以CO氣體濃度的監(jiān)測為例，在實(shí)驗(yàn)室搭建了控制系統(tǒng)演示平臺，并通過組態(tài)軟件對CO氣體濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和顯示，濃度超過設(shè)定值時發(fā)出語音和聲光報(bào)警，通過PLC采集監(jiān)測數(shù)據(jù)處理后控制繼電器從而控制通風(fēng)機(jī)的啟停。

本實(shí)驗(yàn)采用的PLC為耐特公司生產(chǎn)的LT-200系列CPU224-XP型，該P(yáng)LC采用直流24 V電源供電，集成2AI/1AO和14DI/10DO功能；采用天地公司生產(chǎn)的GTH1000礦用一般型一氧化碳傳感器，該傳感器用于連續(xù)固定檢測金屬非金屬井下環(huán)境空氣中的CO含量，本實(shí)驗(yàn)中該傳感器用于監(jiān)測CO含量，并通過RS485總線將檢測到的濃度信號通過頻率轉(zhuǎn)換電流板，轉(zhuǎn)換成模擬信號輸送給PLC的模擬量輸入端，濃度達(dá)到或超過設(shè)定值時發(fā)出語音和聲光報(bào)警，模擬系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

上位機(jī)采用組態(tài)王組態(tài)軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和記錄，并對監(jiān)控畫面進(jìn)行顯示，組態(tài)王監(jiān)控畫面如圖4所示。

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PLC控制器、CO氣體傳感器、繼電器等能夠?qū)崿F(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)的自動控制，通過組態(tài)軟件能夠?qū)怏w濃度和報(bào)警信息等進(jìn)行實(shí)時畫面監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)語音和聲光報(bào)警，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性和自動化水平。

圖3 模擬系統(tǒng)連接圖

圖4 組態(tài)王監(jiān)控畫面

4 結(jié)論

該系統(tǒng)在保證了金屬非金屬礦山安全開采的同時，達(dá)到了降低功耗、節(jié)約成本的目的，并實(shí)現(xiàn)了自動控制，運(yùn)行安全可靠，能夠在提高生產(chǎn)效率的同時保障員工的安全，在能源相對緊缺的現(xiàn)狀下，該系統(tǒng)具有較高的推廣價值。

［1］周建新，張興凱，劉曉宇，等.非煤礦山安全標(biāo)準(zhǔn)化在安全生產(chǎn)中的地位和作用［J］.金屬礦山，2007（4）：1-5，18.

［2］王淑芳，王劍波，張麗，等.局部通風(fēng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2006，31（6）：813-818.

［3］余躍，李新，何元新.局部通風(fēng)機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39（1）：43-45.

［4］王前進(jìn)，馬小平，張守田.PLC冗余在通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工礦自動化，2014，40（1）：93-96.

［5］華滿香.礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中PLC控制和組態(tài)技術(shù)的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2013，（11）：69，70.

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［7］王啟立，胡亞飛，熊建軍.基于可編程控制器的煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)［J］.煤炭工程，2007（7）：94-96.

Metal-Nonmetal Mine Local Ventilator Automatic Control System Based on PLC

QUAN Jie1，XIONG Shu-min2，SUN Xiao-dong2，YU Qian2，ZHANG Huan-qiang2
（1.Changzhou Textile Garment Institute，Changzhou213164，China；2.Tiandi(Changzhou)Automation Co.，Ltd.，Changzhou213015，China）

Introduced the necessity of automatic control of metal-nonmetal mine local ventilator.Analyzed the functional requirements and characteristics of automatic control system，and designed the overall hardware and software according to the functional requirements of automatic control system using PLC controller.Built a simulation experiment platform in the laboratory and carried out a simulation experiment，results show that the system is stable and reliable，and has high promotion value.

metal-nonmetal；local ventilator；PLC；monitoring；automatic control

TD441 TP273

A

1009－9492(2015)10－0104－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.026

權(quán) 潔，男，1987年生，江蘇徐州人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文3篇。

(編輯：向飛)

2015－04－30