PLC 技術(shù)在煤礦通風(fēng)安全中的應(yīng)用研究

李國鋒

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著以單片機(jī)為基礎(chǔ)的PLC 自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，為煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)智能控制提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。PLC 智能監(jiān)控技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)主要參數(shù)的連續(xù)監(jiān)控，通過在PLC 預(yù)先存入的邏輯判斷語句，對監(jiān)測到的通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)值進(jìn)行判斷，并輸出可以被通風(fēng)設(shè)備設(shè)施識別的控制信號，控制通風(fēng)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化控制，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的安全性。

1 PLC 技術(shù)控制機(jī)理

PLC 技術(shù)是以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能控制技術(shù)，它將監(jiān)測到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，經(jīng)控制器中預(yù)先輸入的邏輯語句的判斷，輸出相應(yīng)的控制信號，經(jīng)輸出模塊轉(zhuǎn)換為電信號控制設(shè)備設(shè)施做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的自動(dòng)智能控制。

2 煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)智能控制設(shè)計(jì)

2.1 智能通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)理

通風(fēng)系統(tǒng)是礦井開采的重要輔助系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性、耐久性和工作效率對井下開采作業(yè)的安全極為重要，通風(fēng)系統(tǒng)為井下提供新鮮空氣，攜帶煤礦開采過程中積聚的瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體，同時(shí)攜帶大量生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量排出地表，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，確定風(fēng)速、瓦斯?jié)舛?、溫度作為監(jiān)測參數(shù)。根據(jù)監(jiān)測到的監(jiān)測數(shù)值及其在一定時(shí)間內(nèi)的變化決定風(fēng)門的開閉狀態(tài)、開啟程度和局部通風(fēng)機(jī)的啟停狀態(tài)，設(shè)計(jì)井下風(fēng)門存在開啟1/2 和全開狀態(tài)[1]。為了確保井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全，風(fēng)機(jī)和風(fēng)門的開啟可以由PLC 控制系統(tǒng)自動(dòng)控制，風(fēng)門的關(guān)閉和局部通風(fēng)機(jī)的關(guān)閉應(yīng)由人工操作，防止因機(jī)械故障危害井下安全生產(chǎn)。

2.2 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)參考值設(shè)置

監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速設(shè)置由入井人員所需風(fēng)量確定，監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測參數(shù)設(shè)置由瓦斯爆炸極限確定，溫度由井下作業(yè)人員正常工作所需環(huán)境溫度確定。根據(jù)井下正常作業(yè)所需風(fēng)量計(jì)算公式：

式中：Q 為監(jiān)測點(diǎn)處風(fēng)量，m3/s；V 為監(jiān)測點(diǎn)處風(fēng)速，m/min；S 為監(jiān)測點(diǎn)處斷面面積，m2；N 為井下作業(yè)人數(shù)；K 為礦井通風(fēng)系數(shù)，取值為1.2～1.25。

式（1）（2）中，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)處工作人員數(shù)量一定時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)處所需風(fēng)量是常數(shù)，相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)處的最小風(fēng)速也是一定的，當(dāng)PLC 監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到監(jiān)測點(diǎn)處風(fēng)速小于最小風(fēng)速要求時(shí)，控制風(fēng)門開啟或局部通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，增大進(jìn)風(fēng)量。根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)截面大小不同，監(jiān)測點(diǎn)處的初始風(fēng)速也不同，監(jiān)測點(diǎn)的截面積較大時(shí)，風(fēng)速較小，監(jiān)測點(diǎn)的截面較小時(shí)，風(fēng)速較大，兩者成反比例關(guān)系。在PLC 控制器編程中，確定風(fēng)速監(jiān)測值為監(jiān)測點(diǎn)初始風(fēng)速的85%、90%、95%時(shí)作為局部通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、風(fēng)門全開、風(fēng)門開啟1/2 的信號。瓦斯氣體的爆炸極限是5%～16%，在煤礦安全規(guī)程中，要求總回風(fēng)巷道中瓦斯?jié)舛炔淮笥?.7%，對各工作面和巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛瓤刂撇粔蚓?xì)化，根據(jù)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性，選定瓦斯?jié)舛葯z測值1%、1.5%、2%作為控制風(fēng)門開啟1/2、風(fēng)門全開和局部通風(fēng)機(jī)開啟的信號。根據(jù)煤礦安全規(guī)程要求，煤礦開采過程中采掘工作面溫度不高于26°，機(jī)電設(shè)備硐室內(nèi)最高溫度不高于30°，監(jiān)測點(diǎn)不同對環(huán)境溫度的要求也不同，煤礦井下溫度隨風(fēng)速風(fēng)量的增加溫度逐漸降低，因此選定當(dāng)溫度監(jiān)測值為規(guī)程要求值的90%、100%、110%作為風(fēng)門控制風(fēng)門開啟1/2、風(fēng)門全開和局部通風(fēng)機(jī)開啟的信號[2]。根據(jù)煤礦井下開采特點(diǎn)設(shè)計(jì)監(jiān)測動(dòng)作值為如下頁表1 所示。如下頁表1 所示，由于不同監(jiān)測點(diǎn)的初始風(fēng)速不同，如采掘工作面的風(fēng)速和進(jìn)回風(fēng)巷道的風(fēng)速不同，同一工作水平不同截面的風(fēng)速也是不同的，不同監(jiān)測點(diǎn)的環(huán)境溫度要求也是不同的，如規(guī)程要求工作面環(huán)境溫度不大于26 ℃，機(jī)電設(shè)備硐室不大于30 ℃，因此在PLC 控制系統(tǒng)中，對不同監(jiān)測點(diǎn)處設(shè)備設(shè)施的控制動(dòng)作參考值是不同的，其中風(fēng)速和環(huán)境溫度的設(shè)置使用的是監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測參數(shù)的相對值，由于不同的監(jiān)測點(diǎn)初始風(fēng)速和初始環(huán)境溫度值的不同，控制器對不同監(jiān)測點(diǎn)處的控制參數(shù)要求是變化的。

表1 監(jiān)測點(diǎn)處設(shè)備設(shè)施動(dòng)作參考值

3 智能控制系統(tǒng)在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用

3.1 PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)測設(shè)備的選用

利用PLC 控制原理對某礦1510 綜采工作面的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作面情況如下：1510 綜采工作面額定工作人員70 人，進(jìn)風(fēng)巷道截面積10.5 m2，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，回采工作面的瓦斯涌出量峰值為1.1 m3/s。在1510 綜采工作面的PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用西門子S7-1200PLC 系列作為井下通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制器。與其他PLC 監(jiān)控系統(tǒng)相比，西門子S7-1200PLC 系列具有很高的防塵、防爆性能，可以很好地適應(yīng)煤礦開采過程中粉塵濃度高、煤粉易燃易爆的工作環(huán)境[3]；采用KG94A2 型瓦斯傳感器測量工作面的瓦斯?jié)舛?，監(jiān)測點(diǎn)布置在采煤工作面上部，KG94A2 型瓦斯傳感器采用熱催化原理監(jiān)測瓦斯?jié)舛?，在瓦斯?jié)舛容^低時(shí)傳感器的催化元件工作穩(wěn)定，精度高，工作面瓦斯突出低谷值僅有0.2 m3/s，瓦斯涌出量較小，因此選用在低瓦斯?jié)舛认氯杂泻芨呔鹊腒G94A2 型瓦斯傳感器；采用KG3044 型礦用溫度傳感器測量工作面的環(huán)境溫度，監(jiān)測點(diǎn)布置在采煤工作面中部，KG3044 型礦用溫度傳感器利用PN 結(jié)測溫原理，在0～100 ℃范圍內(nèi)，設(shè)備的精度可以達(dá)到1 ℃；采用KG3088 型礦用風(fēng)速傳感器測量1510 綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷道的風(fēng)速，監(jiān)測點(diǎn)布置在采煤工作面中部，KG3088 型礦用風(fēng)速傳感器利用超聲式渦街流量計(jì)原理測量井下風(fēng)速，測量范圍較廣，在風(fēng)速較低時(shí)，傳感器的靈敏度較高。

3.2 PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)測參數(shù)的確定

為保證煤礦開采時(shí)的通風(fēng)安全，礦井通風(fēng)系數(shù)取大值1.25，由公式（1）計(jì)算可得，1510 綜采工作面設(shè)計(jì)風(fēng)量350 m3/min，由公式（2）計(jì)算可得，進(jìn)風(fēng)巷道初始風(fēng)速0.56 m/s。PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)在1510 綜采工作面應(yīng)用過程中的監(jiān)測參數(shù)如下表2。

表2 1510 綜采工作面監(jiān)測參數(shù)

PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)在1510 工作面的應(yīng)用過程中，各監(jiān)測參數(shù)之間是或的邏輯關(guān)系，以保證綜采工作面通風(fēng)安全。如上表所示，當(dāng)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)速為0.532 m/s 或瓦斯?jié)舛葹?%或環(huán)境溫度為23.4 ℃時(shí)，監(jiān)測信號經(jīng)PLC 控制器判斷，輸出控制風(fēng)門開啟至1/2 處的控制信號；當(dāng)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)速為0.504 m/s 或瓦斯?jié)舛葹?.5%或環(huán)境溫度為26 ℃時(shí)，監(jiān)測信號經(jīng)PLC 控制器判斷，輸出控制風(fēng)門全開的控制信號；當(dāng)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)速為0.476 m/s 或瓦斯?jié)舛葹?%或環(huán)境溫度為28.6℃時(shí)，監(jiān)測信號經(jīng)PLC 控制器判斷，輸出控制局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制信號。

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，在利用PLC 智能監(jiān)控技術(shù)對1510 綜采工作面進(jìn)行監(jiān)測控制的過程中，PLC 智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到工作面風(fēng)速、風(fēng)量、瓦斯?jié)舛?、環(huán)境溫度等通風(fēng)參數(shù)，并將監(jiān)測信號經(jīng)輸入模塊轉(zhuǎn)換成可供控制器進(jìn)行邏輯判斷的數(shù)字信號，經(jīng)預(yù)先輸入控制器的邏輯語句的判斷后輸出可控電動(dòng)風(fēng)門、局部通風(fēng)機(jī)識別的動(dòng)作信號，控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，提高了通風(fēng)系統(tǒng)可靠性。

4 結(jié)論

1）闡述了PLC 監(jiān)控技術(shù)的工作原理，與傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)控制措施相比，PLC 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)設(shè)備的智能化、自動(dòng)化控制。

2）根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)，選用進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)速、工作面瓦斯?jié)舛群凸ぷ髅姝h(huán)境溫度作為監(jiān)測參數(shù)，設(shè)計(jì)了控制風(fēng)門、局部通風(fēng)機(jī)開閉狀態(tài)的監(jiān)測參考值。

3）利用PLC 監(jiān)控技術(shù)，在某礦1510 工作面中設(shè)計(jì)一套智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到通風(fēng)系統(tǒng)中，結(jié)果表明，PLC 監(jiān)控技術(shù)可以滿足對通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。