基于PLC控制的煤矿通风系统模拟设计

王兆兵

摘要：煤矿通风系统在整个矿井的安全生产中具有极其重要的作用，其能否正常运行是煤矿是否达到安全标准的一个重要依据。煤矿通风系统的主要作用是对井下和井上进行气体交换，使井下空气流通。在对井下煤矿进行开采的过程中，会伴随着瓦斯、含硫气体等一系列有害气体，同时开采设备也会产生有害废气、残热、水蒸气等等不利于工人劳动的气体，通风系统能够向矿井内部输送大量新鲜空气，同时将有害气体、残热、水蒸气等交换到矿井外部，从而使矿井内部空气条件符合工人作业标准，达到改善工人作业环境的目的。近年来，我国对安全生产的重视监管力度不断加强，为了保障电煤供应，煤矿企业在加紧生产的前提下要注重生产安全。因此，对煤矿通风系统的研究和学习在不断加强，然而对实际煤矿通风系统直接进行研究或学习，存在一定的危险性，并且研究成本较高。因此，亟需一种煤矿通风模拟系统，能够模拟煤矿通风系统的运行过程，并可以对相关煤矿通风从业人员进行相应的培训。由此可见，煤矿通风系统模拟系统的研制有着非常重要的意义。

关键词：PLC技术;煤矿通风;模拟设计

1 设计要求

为了使本设计能够完全模拟矿井通风系统自动控制的要求，研究团队对本煤矿通风模拟系统的设计提出了如下的要求：

1）设备要具有手动/自动两种及以上工作模式，能够实时显示设备状态，出现故障能够实时报警等功能。

2）设备要具备PID计算能力，要求能够输入模拟量压力，输出模拟量控制变频器。

3）当设备处于自动模式下，能够自动检测井下压力值，当检测到井下实时压力值低于安全下限时，能够自动启动两组风机，使两组风机同时开始工作，并能够同时发出相关报警。

4）能够模拟瓦斯当量输入，当矿井瓦斯浓度超过程序设定上限值时，设备能够发出指示和报警。

5）要求设备装备温度传感器，能够对风机组关键部位进行测温，例如风机组定子和轴承的位置，当该部位温度超过设定值时，能够自动发出报警和提示。

6）具有风机疲劳检测功能，可以设定风机最大累计运行时间，当达到风机设定累计运行时间后，能够自动切换风机组运行，并进行相关提示。

7）当设备处于手动模式时，要求具有防止风机组频繁启动的功能。

8）设备要具有风机组机械卡死指示报警功能。

2 方案设计

按照设计要求，整个煤矿通风模拟系统能够完全模拟矿井主通风机现场运行过程，要求具备一键启停、一键反风、风机故障时自动转换功能，可实现手动控制，可以从控制面板上实现故障模拟。具备以太网通信功能，可实现“矿井主通风机变频控制+PLC控制+远程监控”自动化控制。

通过分析设计要求可得，常用的通风系统目前分为两大类，抽风式通风和轴流式通风;轴流式通风又可以细分为两类。通过分析对比优缺点，本次设计确定采用轴流式通风系统，该模拟系统能够完全模拟矿井轴流式风机运行的全过程，设备整体设计分为机械和电气控制两部分。机械部分包括进风巷、井下巷道、出风巷、防爆压盖、两台轴流式风机、两套风门闸板等设备;电气控制部分包括西门子S7-300 PLC、变频器、控制面板、触摸屏和控制软件等。轴流式通风系统三维模型如图1所示。

3 程序流程设计

根据所选择的轴流式排风系统。

4 使用方法

对于风机和闸门运行方式的控制，选择在触摸屏控制面板进行控制的方式，同时设计一个手动旋转开关，在旋转开关上设置三个不同的档位，分别对应手动、集中、远程三种控制方式，当手动旋转开关转到某一档位时，在触摸屏面板上选择对应的模式进行相关风机和闸门的控制。

手动即就地控制模式，当设置的旋钮打到手动模式时，可实现本煤矿模拟通风系统单台风机的启动和停止以及风机对应闸门的单独开闭，在进行上述操作时相应的状态指示灯也会亮起，以起到提示处在某种状态的作用。在手动模式下，可以使用电位计旋钮模拟的风压、风量等参数，每一台风机都可以通过反馈过来的需求风量，对风机转速进行变频器调节。

当旋钮处于集中控制模式下，风机和与之对应的闸门可实现一键启动、停止或者反风操作，同时可以通过触摸屏界面显示各设备的状态。

当开关档位调整到远程模式时，可以通过触摸屏界面上【单机】、【联动】按钮，对风机和闸门进行控制;不同的风机既可以单独启停，也可以联动启停，不同的闸门之间也可以根据需求进行单独开闭或者联动，当按下联动按钮后，若一台风机出现故障会自动报警并自动切换开启另一台，与之相对应的闸门也在互锁关联状态下自动切换。同时，当处在本模式下风机和闸门也可根据上一级或当前系统调节，自动启停或反风。

5 结束语

通过对煤矿通风模拟系统的设计，实现了对真实煤矿通风系统的模拟。本模拟系统能够用于煤矿企业对新员工进行相应的通风培训，可以让研究煤矿通风系统的相关人员在不进入实际生产煤矿的情况下，初步研究煤矿通风系统的整个工作流程，还可以作为煤矿通风新技术的初步实验验证平台及相关院校专业学生模拟实训平台。本模拟系统通过PLC和变频器的应用，可以实现风机故障时自动转换、控制面板故障模拟、远程监控等功能，实现了矿井通风自动化控制功能的完全模拟，为后期研究矿井通风系统提供了参考。

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