基于PLC的金属非金属矿山局部通风机自动控制系统

权 洁，熊书敏，孙晓东，余 谦，张焕强

（1.常州纺织服装职业技术学院，江苏常州 213164；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州 213015）

基于PLC的金属非金属矿山局部通风机自动控制系统

权 洁1，熊书敏2，孙晓东2，余 谦2，张焕强2

（1.常州纺织服装职业技术学院，江苏常州 213164；2.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州 213015）

介绍了金属非金属矿山局部通风机自动控制的必要性；分析了局部通风机自动控制系统的功能要求和特点，并根据功能要求运用PLC控制器对自动控制系统进行了总体的硬件设计和软件设计；在实验室条件下搭建了模拟实验平台，进行了模拟试验，结果表明该系统稳定可靠，具有较高的推广价值。

金属非金属；局部通风机；PLC；监测；自动控制

0 前言

由于我国地质条件复杂，煤矿和非煤矿开采时会产生大量的有毒有害气体，威胁员工的人身安全。局部通风机是改善矿山井下劳动条件的重要设备，是井下掘进过程中最主要的通风设备，是实现安全开采的必要安全设施[1]。目前，金属非金属矿山使用的局部通风机大多采用传统的手动控制方式，风机的启停不能根据有毒有害气体的浓度变化而改变，因此常常会出现气体已经排出，但风机还在运行的情况，造成大量的能源浪费和经济损失。随着自动化技术的发展，结合PLC控制技术和变频调速技术对传统风机启停进行自动化设计，对有毒有害气体进行实时监测，并通过监测数据反馈对通风机的启停和通风量进行控制，能够大大提高风机的工作效率，减小能源的浪费，降低开采成本，达到安全高效的目的。

1 系统的功能要求和特点

通风机自动控制系统能够实时监测现场的一氧化碳、氧气、二氧化氮等气体的浓度参数，并在气体浓度超标时发出语音、声光报警，提醒现场工作人员禁止进入工作区域，能够实现对局部通风机的手动和自动控制功能的切换，保证在自动控制出现故障时实现手动的方式进行控制。现场的各监测数据能够实时传输到PLC控制器，运用上位机上的组态画面进行历史曲线、实时数据等的显示和分析。

该系统的特点主要包括：系统组合方式多样，可以通过以太网与矿井其他系统无缝结合，实现信息共享；传感器报警点可以在传感器上设定，也可以通过组态软件设定；智能型总线传感器即插即用，可以实现对不同气体的监测[2-4]。

2 系统的整体设计

为了实现该系统上述的功能要求，本文设计了基于PLC控制器以及各种气体传感器的局部通风机闭环控制系统，以气体浓度值为输入参数，接入PLC的模拟量输入端，以局部通风机为控制对象，通过变频器对局部通风机进行变频调速和启停控制，控制系统方框图如图1所示。

图1 控制系统方框图

2.1 系统硬件设计

矿井局部通风机自动控制系统由PLC控制柜、变频器、局部通风机和各类传感器组成，各传感器监测到的气体浓度值反馈到PLC控制器，当有任一传感器浓度值超过设定参数时，发出语音、声光报警，该信号经PLC处理后控制就近的变频器对风机的启停和转速进行控制，从而有效控制通风机的启停和通风量，在一定时间内驱除有毒有害气体，当环境参数达到设定要求后，即无报警提示时，工作人员方可进入工作区域[5-7]。该控制系统结构图如2所示。

图2 控制系统结构图

2.2 系统软件设计

局部通风机自动控制系统基于上位机组态软件组态王6.55版本，实现对CO气体浓度的显示，监测浓度超过设定值时发出语音和声光报警，并伴随画面闪烁警示，其中语音报警和画面闪烁警示通过组态软件编程实现。PLC编程采用西门子通用编程软件STEP7 Micro WIN V4.0版本，系统程序采用模块化设计，包括控制主程序、模拟量采集程序、手动控制程序和手自动切换控制程序等。

3 模拟实验研究

为了研究该系统的可行性，本文以CO气体浓度的监测为例，在实验室搭建了控制系统演示平台，并通过组态软件对CO气体浓度进行实时监测和显示，浓度超过设定值时发出语音和声光报警，通过PLC采集监测数据处理后控制继电器从而控制通风机的启停。

本实验采用的PLC为耐特公司生产的LT-200系列CPU224-XP型，该PLC采用直流24 V电源供电，集成2AI/1AO和14DI/10DO功能；采用天地公司生产的GTH1000矿用一般型一氧化碳传感器，该传感器用于连续固定检测金属非金属井下环境空气中的CO含量，本实验中该传感器用于监测CO含量，并通过RS485总线将检测到的浓度信号通过频率转换电流板，转换成模拟信号输送给PLC的模拟量输入端，浓度达到或超过设定值时发出语音和声光报警，模拟系统连接图如图3所示。

上位机采用组态王组态软件对监测数据进行显示和记录，并对监控画面进行显示，组态王监控画面如图4所示。

模拟实验结果表明，采用PLC控制器、CO气体传感器、继电器等能够实现局部通风机的自动控制，通过组态软件能够对气体浓度和报警信息等进行实时画面监测，并实现语音和声光报警，提高了设备运行的安全性和自动化水平。

图3 模拟系统连接图

图4 组态王监控画面

4 结论

该系统在保证了金属非金属矿山安全开采的同时，达到了降低功耗、节约成本的目的，并实现了自动控制，运行安全可靠，能够在提高生产效率的同时保障员工的安全，在能源相对紧缺的现状下，该系统具有较高的推广价值。

［1］周建新，张兴凯，刘晓宇，等.非煤矿山安全标准化在安全生产中的地位和作用［J］.金属矿山，2007（4）：1-5，18.

［2］王淑芳，王剑波，张丽，等.局部通风机调速控制系统的研究［J］.煤炭学报，2006，31（6）：813-818.

［3］余跃，李新，何元新.局部通风机智能控制系统的设计［J］.矿业安全与环保，2012，39（1）：43-45.

［4］王前进，马小平，张守田.PLC冗余在通风机监控系统中的应用［J］.工矿自动化，2014，40（1）：93-96.

［5］华满香.矿用通风机监控系统中PLC控制和组态技术的应用［J］.煤炭技术，2013，（11）：69，70.

［6］孙传余，肖林京，孙慧，等.煤矿通风机变频控制系统的开发与应用［J］.工矿自动化，2009，35（11）：72-75.

［7］王启立，胡亚飞，熊建军.基于可编程控制器的煤矿主通风机监控管理系统［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

权 洁，男，1987年生，江苏徐州人，硕士研究生。研究领域：产品结构工艺设计。已发表论文3篇。

(编辑：向飞)

2015－04－30