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★山西卡文電氣有限公司龐維建

關鍵詞：煤礦通風；PLC技術；自動控制；節(jié)能降耗

煤礦通風系統(tǒng)是保障礦井安全生產(chǎn)的重要基礎設施，其運行狀況直接關系到礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。隨著煤礦開采深度的增加和機械化程度的提高，傳統(tǒng)的人工控制方式已難以滿足現(xiàn)代化礦井通風系統(tǒng)的控制要求。其主要問題表現(xiàn)在：通風參數(shù)測控精度低，無法及時響應工況變化；系統(tǒng)運行效率低下，能源浪費嚴重；人工值守勞動強度大，管理成本高。因此，開發(fā)先進的通風自動控制系統(tǒng)、提高通風系統(tǒng)的智能化水平，對于提升礦井安全生產(chǎn)水平和降低運營成本具有重要意義。本文以某煤礦為例，探討基于PLC技術的通風控制系統(tǒng)的設計方案及其應用效果。

1　工程概況

本研究以某煤礦工程為例，該煤礦位于華北地區(qū)，礦井設計生產(chǎn)能力為240萬噸/年，井田面積約42.8平方公里。礦井采用立井開拓方式，共設有三條立井：主井、副井和兩條風井。主井擔負礦井煤炭提升任務，井筒凈斷面積為28.3平方米；副井作為人員、材料提升和安全出口，井筒凈斷面積為19.6平方米；南風井和北風井作為礦井進、回風井，井筒凈斷面積分別為19.8平方米和21.2平方米。該礦井通風系統(tǒng)采用抽出式通風方式，在南、北回風井井口設置2臺FBCDZ-8-№30型主通風機（一用一備），風機額定風量為320立方米/秒，額定全壓為4800帕，電機功率為1600千瓦^[1]。礦井瓦斯等級為低瓦斯礦井，最大瓦斯涌出量為5.2立方米/分鐘，采用分區(qū)通風方式。目前共有4個采煤工作面和2個掘進工作面，采煤工作面均采用U型通風方式，掘進工作面采用壓入式通風方式。

為提高礦井通風系統(tǒng)的自動化水平和運行效率，該礦投資680萬元建設了基于PLC技術的礦井通風自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2023年5月開始建設，同年12月完成調試并投入運行。系統(tǒng)主要包括井下風門自動控制、主通風機智能控制、局部通風機自動控制、通風參數(shù)在線監(jiān)測等功能，實現(xiàn)了通風系統(tǒng)的無人值守和智能化運行。

2　系統(tǒng)總體設計

2.1　系統(tǒng)構架

本系統(tǒng)采用分層分布式控制架構，主要由上位機監(jiān)控層、PLC控制層和現(xiàn)場執(zhí)行層三個層次構成，如圖1所示。

圖1基于PLC煤礦通風控制系統(tǒng)架構圖

其中，上位機監(jiān)控層采用工控機配置WINCC組態(tài)軟件，負責系統(tǒng)運行參數(shù)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲、趨勢分析和報警等功能；PLC控制層采用西門子S7-300系列可編程控制器，執(zhí)行系統(tǒng)的核心控制邏輯；現(xiàn)場執(zhí)行層包括各類傳感器、執(zhí)行器和操作臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制指令的執(zhí)行。系統(tǒng)現(xiàn)場總線采用PROFIBUS-DP協(xié)議，連接各控制單元和執(zhí)行設備。主要控制回路包括：變頻調速控制回路、液壓制動控制回路和風門調節(jié)控制回路^[2]。變頻調速系統(tǒng)由變頻器、電機和減速箱組成，通過4~20mA模擬量信號實現(xiàn)無級調速；液壓制動系統(tǒng)配備壓力傳感器和電流檢測裝置，確保系統(tǒng)安全制動；風門調節(jié)系統(tǒng)采用渦輪蝸桿傳動機構，配備行程開關和壓力傳感器，實現(xiàn)精確定位控制。

根據(jù)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，系統(tǒng)響應時間小于200毫秒，控制精度達到±0.5%，運行可靠性達到99.9%。通過采用先進的PID控制算法，風機調速過程平穩(wěn)，過調量小于2%，調節(jié)時間不超過5秒。系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，工業(yè)現(xiàn)場電磁兼容性測試全部達標，可確保其在復雜的井下環(huán)境中穩(wěn)定可靠運行^[3]。

2.2　硬件選型

本系統(tǒng)硬件選型遵循可靠性優(yōu)先、性能適配、品牌統(tǒng)一的原則，主要選用西門子自動化產(chǎn)品系列。控制系統(tǒng)的核心采用西門子S7-300系列PLC，具體選用CPU319-3PN/DP處理器。該處理器具備1.5MB用戶程序存儲空間、32KB系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲空間，支持PROFIBUS-DP和PROFINET兩種通訊方式，最大支持2048個I/O點，能夠滿足系統(tǒng)擴展需求^[4]。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，所選硬件配置詳細參數(shù)如表1所示。

表1硬件配置型號

系統(tǒng)輸入輸出信號的采集和控制采用分布式布局方案，就近布置遠程I/O站，減少系統(tǒng)布線工程量。系統(tǒng)采用ET200M分布式I/O站，通過PROFIBUS-DP總線與主站進行通信，通信速率設置為1.5Mbps，單站點響應時間小于10ms。考慮到井下潮濕多塵的環(huán)境特點，所有控制柜體防護等級不低于IP65，控制柜內(nèi)安裝除濕裝置，確保設備長期穩(wěn)定運行^[5]。

供電系統(tǒng)采用雙路供電方案，配置APC3000VA在線式UPS，具備15分鐘以上后備供電能力。所有控制柜均采用防爆設計，滿足礦用設備安全要求。傳感器選型方面，壓力傳感器選用西門子SITRANSP系列，精度等級0.1級；溫度傳感器選用PT100鉑電阻，測量范圍0-150℃；轉速傳感器采用霍爾效應式，最高測量轉速可達3000r/min。

2.3　主通風機自動控制

主通風機自動控制系統(tǒng)基于PLC技術實現(xiàn)智能化運行控制，系統(tǒng)重點解決風筒、抽放管和煤堆三個關鍵部位的協(xié)同控制問題。如圖2所示，主通風機運行過程中需要確保風筒區(qū)域氣流通暢、抽放管抽氣效率穩(wěn)定以及煤堆揚塵得到有效抑制。PLC控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列，其通過設計完善的控制算法實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能調節(jié)^[6]。

圖2主通風機自動控制圖

控制系統(tǒng)采用閉環(huán)PID控制策略，實時采集風壓、風量、電機電流、軸承溫度等運行參數(shù)。PLC控制程序根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)，結合預設的控制模型，自動調節(jié)變頻器輸出頻率，實現(xiàn)風機轉速的無級調節(jié)。系統(tǒng)設定風壓控制精度為±20Pa，風量控制精度為±2m3/s。在正常工況下，系統(tǒng)響應時間不超過3秒，調節(jié)過程平穩(wěn)無振蕩。為確保系統(tǒng)安全運行，設置了完善的保護機制。當檢測到軸承溫度超過85℃、電機電流超過額定值的1.2倍、風壓突變超過設定值的30%等異常情況時，PLC控制系統(tǒng)自動啟動保護程序^[7]。同時，系統(tǒng)具備軟啟動和軟停止功能，每次啟動時間不少于90秒，可有效防止電機過載和機械沖擊。

在除塵控制方面，PLC根據(jù)煤堆區(qū)域粉塵濃度傳感器的反饋，自動調節(jié)噴霧系統(tǒng)的啟停和噴霧量，粉塵處理效率達到98%以上。系統(tǒng)還建立了風機效率模型，通過實時計算系統(tǒng)運行效率，自動尋優(yōu)運行參數(shù)，使風機始終在最佳工況點附近運行。該系統(tǒng)綜合節(jié)能效果顯著，相比傳統(tǒng)控制方式，年節(jié)電率達到15.8%。

2.4　分區(qū)通風智能控制

分區(qū)通風智能控制系統(tǒng)基于PLC技術，采用分層分布式控制架構，實現(xiàn)了對礦井各個區(qū)域通風系統(tǒng)的精確調控。系統(tǒng)根據(jù)工作面生產(chǎn)狀態(tài)、瓦斯?jié)舛取⒎蹓m含量等參數(shù)，自動調節(jié)風量分配，確保了通風系統(tǒng)運行效率最優(yōu)。主控PLC采用西門子S7-300系列，下設多個分控站，通過PROFIBUS-DP總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)按照采區(qū)、掘進面、回采工作面等不同區(qū)域設置獨立的控制回路。每個區(qū)域配置智能風門、風速傳感器、瓦斯傳感器等現(xiàn)場設備，采集的數(shù)據(jù)通過就地分控站實時上傳至主控PLC。控制系統(tǒng)根據(jù)預設的通風需求模型，結合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動計算各區(qū)域所需風量，通過調節(jié)智能風門開度實現(xiàn)風量的動態(tài)分配。系統(tǒng)控制精度達到風速±0.1m/s、風量±0.5m3/min、調節(jié)時間不超過15秒。針對采煤工作面，系統(tǒng)建立了基于作業(yè)工況的智能控制策略。當檢測到采煤機開機信號時，PLC自動增大該工作面的供風量20%～30%；休息或停產(chǎn)時段，系統(tǒng)自動降低供風量至基礎值的70%，實現(xiàn)按需供風。同時，系統(tǒng)可實時監(jiān)測瓦斯?jié)舛茸兓厔荩斖咚節(jié)舛瘸^0.8%時，自動增大局部通風機風量，確保工作面安全。在掘進工作面通風控制方面，系統(tǒng)采用智能跟蹤控制算法，可根據(jù)掘進機位置信號自動調整風筒位置和送風量，保持掘進面前方20米范圍內(nèi)的有效通風。系統(tǒng)還配置了粉塵濃度在線監(jiān)測裝置，當粉塵濃度超過4mg/m3時，其可自動啟動噴霧降塵裝置，降塵效率達到95%以上。

3　應用效果

基于PLC技術的煤礦通風控制系統(tǒng)自2023年12月投入運行以來，通過對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的跟蹤分析和效果評估，其在安全性、經(jīng)濟性和可靠性等方面取得了顯著成效。系統(tǒng)運行情況統(tǒng)計如表2所示。

表2系統(tǒng)運行效果

在安全生產(chǎn)方面，系統(tǒng)實現(xiàn)了通風參數(shù)的實時監(jiān)測和智能調節(jié)，顯著提高了通風系統(tǒng)的控制精度和響應速度。主通風機運行穩(wěn)定性提升，風壓波動率從原來的±8%降低到±2%以內(nèi)；工作面風量控制精度提高到±0.5m3/s，有效避免了通風量不足或過量的問題。通過智能聯(lián)動控制，系統(tǒng)對突發(fā)事件的響應時間縮短至3秒以內(nèi)，極大提升了系統(tǒng)的應急處置能力。在節(jié)能降耗方面，通過PLC實現(xiàn)的智能調速和分區(qū)控制，使通風系統(tǒng)始終保持在最優(yōu)運行狀態(tài)。主通風機年度總耗電量從原來的1038萬度降低到874萬度，節(jié)約電費支出164萬元；設備故障率大幅降低，維修費用年度節(jié)省26.2萬元。采用無人值守運行模式，每年可節(jié)省人工成本約48萬元。在設備管理方面，系統(tǒng)實現(xiàn)了設備運行狀態(tài)的全程監(jiān)控和故障預警。系統(tǒng)通過分析設備振動、溫度等參數(shù)的變化趨勢，可及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，設備平均無故障運行時間從原來的960小時提升到4200小時。系統(tǒng)自動記錄運行數(shù)據(jù)，建立了完整的設備運行檔案，為設備維護和管理決策提供了科學依據(jù)。

4　結語

本研究成功實現(xiàn)了基于PLC技術的煤礦通風控制系統(tǒng)的設計與應用，顯著提升了礦井通風系統(tǒng)的自動化水平和運行效率。系統(tǒng)在保障安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗、減少人工成本等方面取得了顯著成效，為煤礦通風系統(tǒng)的智能化改造提供了可借鑒的技術方案。未來可進一步探索人工智能、大數(shù)據(jù)分析等新技術在通風控制系統(tǒng)中的應用，開發(fā)更智能的控制算法，建立更完善的預測預警模型，推動煤礦通風系統(tǒng)向智能化、無人化方向發(fā)展。同時，也應加強系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全防護，確保系統(tǒng)在復雜工況下的穩(wěn)定可靠運行。

作者簡介：

龐維建（1986-），男，河北滄州人，碩士，現(xiàn)就職于山西卡文電氣有限公司，研究方向為自動化和控制工程。

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摘自《自動化博覽》2025年5月刊