楊 超

(雞西大學(xué)，黑龍江 雞西 158100)

1 設(shè)計(jì)目的

煤礦開(kāi)采過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生粉塵，尤其是綜采工作面，采煤機(jī)割煤、運(yùn)輸、移架、移溜等各個(gè)過(guò)程都會(huì)有粉塵產(chǎn)生，導(dǎo)致綜采工作面的產(chǎn)塵強(qiáng)度及作業(yè)環(huán)境中粉塵濃度也愈來(lái)愈大。綜采工作面割煤時(shí)的粉塵濃度達(dá)3 800～9 000mg/m3，除了危害煤礦安全生產(chǎn)，還會(huì)引起作業(yè)人員患矽肺等職業(yè)病，所以利用PLC變頻控制技術(shù)不但可以防塵、降塵，還可以排掉大量的有害氣體，同時(shí)在節(jié)約能源上也起到重要作用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 防塵方法研究

綜采工作面粉塵的防治主要是通過(guò)以下三種方法來(lái)達(dá)到的：一種是開(kāi)采之前利用注水方式提高煤體的潤(rùn)濕性或采取合理的開(kāi)采工藝，實(shí)現(xiàn)降低煤體產(chǎn)塵的可能性。二是在采煤的時(shí)候利用特定的防塵技術(shù)控制塵源，使粉塵存在于特定的空間和位置，防止進(jìn)一步擴(kuò)散。三是利用相關(guān)除塵技術(shù)或設(shè)備及時(shí)地把產(chǎn)生的粉塵過(guò)濾或排除掉。這三種方法成為綜采工作面防塵技術(shù)的三種基本思路，效果也不錯(cuò)，但是還是達(dá)不到要求。PLC變頻控制技術(shù)在防塵應(yīng)用的主要任務(wù)是：給綜采工作面提供足夠的新鮮空氣，滿足人員對(duì)氧氣的需要，沖淡井下有毒有害氣體和粉塵，保證安全生產(chǎn)，調(diào)節(jié)井下氣候，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。所以系統(tǒng)主要是通過(guò)控制風(fēng)、水流量來(lái)防塵、除塵，同時(shí)降低瓦斯等有害氣體濃度。系統(tǒng)充分保障城山煤礦安全生產(chǎn)，還將保護(hù)井下工作礦工的工作環(huán)境，降低危害的發(fā)生和職業(yè)病的發(fā)病率。

2.2 防塵系統(tǒng)及吸塵機(jī)控制方案

系統(tǒng)主要利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行吸塵，在采煤機(jī)割煤時(shí)利用霧化器噴霧使水霧與粉塵充分粘合在一起再采用吸塵機(jī)進(jìn)行吸塵，防止粉塵大面積擴(kuò)散，一并將煤層內(nèi)瓦斯吸凈降低危害程度。吸風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制利用變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)，根據(jù)粉塵多少確定吸力大小，由PLC控制變頻器輸出控制風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速起到了節(jié)能和提高系統(tǒng)工作效率的作用?？刂葡到y(tǒng)分為離心吸風(fēng)機(jī)啟動(dòng)部分、互鎖和過(guò)熱保護(hù)部分等。與其他控制系統(tǒng)相比，PLC變頻控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、故障率低、節(jié)約能源、可靠性高、維護(hù)成本低、線路簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。PLC和變頻器與各種傳感器協(xié)調(diào)運(yùn)用，PLC編程能力強(qiáng)再加上變頻器輸出頻率變化范圍大，使得噴霧、吸塵防塵控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度很高，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步加強(qiáng)了實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的采煤工作面工作技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)城山煤礦防塵系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能有控制系統(tǒng)(有自動(dòng)/手動(dòng)控制模式)、狀態(tài)顯示、故障報(bào)警等功能；模擬量輸入經(jīng)PID運(yùn)算，輸出模擬量控制變頻器；自動(dòng)控制是當(dāng)傳感器檢測(cè)到采煤機(jī)割煤時(shí)有粉塵量超出規(guī)定范圍時(shí)啟動(dòng)噴霧和吸塵機(jī)，兩組機(jī)構(gòu)同時(shí)投入運(yùn)行工作，利用信號(hào)燈提示工作人員系統(tǒng)開(kāi)始工作；模擬量傳感器輸入，綜采工作面粉塵、瓦斯?jié)舛瘸^(guò)設(shè)定上限值時(shí)，由指示燈閃爍指示和聲音提示報(bào)警。當(dāng)綜采工作面粉塵和瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定斷電上限值時(shí)，將自動(dòng)切斷工作面和吸風(fēng)機(jī)電源，防止粉塵爆炸等危害事故發(fā)生；為防止離心吸風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，工作溫度過(guò)高，在任何狀態(tài)下，電機(jī)連續(xù)工作時(shí)間超出設(shè)定值后PLC將自動(dòng)切換至另一臺(tái)備用吸風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行。PLC變頻控制系統(tǒng)框圖如圖1。

2.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)實(shí)際情況，PLC選擇用戶較多的西門子S7-200系列，型號(hào)為CPU226的PLC。CPU226裝配有集成式2V編碼器/負(fù)載電源，用于直接連接傳感器和編碼器。具有400mA輸出電流，它也可用作負(fù)載電源；2種型號(hào)帶多種電源和控制電壓；內(nèi)置數(shù)字量輸入/輸出24個(gè)輸入和16個(gè)輸出；2個(gè)通訊接口。為了接收傳感器反饋回來(lái)的模擬信號(hào)，PLC通過(guò)連接2個(gè)EM231模擬量輸入模塊完成，EM231是模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器(ADC)的12位讀數(shù)，其數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的。最高有效位是符號(hào)位：0表示是正值數(shù)據(jù)字，對(duì)單極性格式，3個(gè)連續(xù)的0使得ADC計(jì)數(shù)數(shù)值每變化1個(gè)單位則數(shù)據(jù)字的變化是以8為單位變化的。對(duì)雙極性格式，4個(gè)連續(xù)的0使得ADC計(jì)數(shù)數(shù)值每變化1個(gè)單位，則數(shù)據(jù)字的變化是以16為單位變化的。粉塵濃度傳感器、空氣壓力傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、溫度傳感器采集的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器處理后再經(jīng)過(guò)放大，輸出0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)擴(kuò)展的模擬量模塊自動(dòng)完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)就可以完成系統(tǒng)的要求，由于CPU226是40個(gè)點(diǎn)的PLC所以還可以為今后擴(kuò)展其他設(shè)備或功能預(yù)留I/O點(diǎn)數(shù)。綜采工作面PLC變頻控制系統(tǒng)主要用到了10個(gè)輸入觸點(diǎn)、15個(gè)輸出觸點(diǎn)以及6個(gè)傳感器模擬量輸入，還可以設(shè)置6個(gè)控制按鍵、4個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入邏輯傳感器。6個(gè)控制按鍵是自動(dòng)模式控制選擇按鍵、手動(dòng)模式選擇按鍵、暫?？刂瓢存I、報(bào)警復(fù)位按鍵以及手動(dòng)模式下吸風(fēng)機(jī)啟?？刂瓢存I。城山煤礦防塵PLC變頻控制系統(tǒng)接線圖如圖2。

2.4 變頻器

西門子MicroMaster440變頻器是全新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備超強(qiáng)的過(guò)載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。創(chuàng)新的BiCo(內(nèi)部功能互聯(lián))功能有無(wú)可比擬的靈活性。

西門子MicroMaster440變頻器主要特性：

200V～240V±10%，單相/三相，交流，0.12kW～45kW；

380V～480V±10%，三相，交流，0.37kW～250kW；

矢量控制方式，可構(gòu)成閉環(huán)矢量控制，閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制；

高過(guò)載能力，內(nèi)置制動(dòng)單元；

三組參數(shù)切換功能。

2.5 模擬量模塊

EM235是最常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。接線端子如圖3所示。圖3演示了模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法，對(duì)于電壓信號(hào)，按正、負(fù)極直接接入X+和X-；對(duì)于電流信號(hào)，將RX和X+短接后接入電流輸入信號(hào)的“+”端；未連接傳感器的通道要將X+和X-短接。對(duì)于某一模塊，只能將輸入端同時(shí)設(shè)置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。

2.6 系統(tǒng)保護(hù)、抗干擾方案

傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其保護(hù)、閉鎖及監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)漏洞較大，均采用繼電器保護(hù)系統(tǒng)并且沒(méi)有反饋信號(hào)，采用開(kāi)環(huán)控制。保護(hù)控制由于控制系統(tǒng)相混聯(lián)，同用一套線路，互相進(jìn)行干擾造成錯(cuò)誤動(dòng)作。在防塵控制系統(tǒng)中安全的主要環(huán)節(jié)設(shè)置溫度、轉(zhuǎn)速過(guò)快報(bào)警及過(guò)載、堵轉(zhuǎn)等安全保護(hù)措施，增加監(jiān)測(cè)控制環(huán)節(jié)，對(duì)吸風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障來(lái)源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使防塵安全大幅度提高。為了保證煤礦安全生產(chǎn)，在PLC變頻防塵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用了隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾保護(hù)環(huán)節(jié)。

3 軟件設(shè)計(jì)

PLC變頻控制防塵系統(tǒng)梯形圖(即程序)設(shè)計(jì)采用有順序控制結(jié)構(gòu)外，還進(jìn)行了隨機(jī)事件發(fā)生時(shí)選擇控制。設(shè)定由粉塵含量傳感器檢測(cè)濃度值為D0mg/m3，瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測(cè)的瓦斯?jié)舛戎禐镈1，程序可以設(shè)定粉塵顆粒上限值為D01和D02，瓦斯?jié)舛壬舷拗禐镈11和D12。當(dāng)粉塵含量傳感器檢測(cè)濃度值超過(guò)D01低于D02或是瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測(cè)的瓦斯?jié)舛戎党^(guò)D11低于D12時(shí)防塵系統(tǒng)啟動(dòng)吸風(fēng)機(jī)和噴霧器。當(dāng)粉塵含量傳感器檢測(cè)濃度值超過(guò)D02或是瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測(cè)的瓦斯?jié)舛戎党^(guò)D12時(shí)防塵系統(tǒng)啟動(dòng)吸風(fēng)機(jī)和噴霧器，并發(fā)出聲光報(bào)警提示，通知工作人員綜采工作面中的粉塵濃度或是瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)將引起爆炸等事故危險(xiǎn)。粉塵濃度還可以根據(jù)用戶需求多設(shè)定幾個(gè)數(shù)值進(jìn)行比較，比如目前濃度對(duì)人體有輕度危害、高度危害、將會(huì)引起爆炸危害等臨界值，通過(guò)PLC控制變頻器輸出不同頻率控制吸風(fēng)機(jī)快速排出粉塵，并同時(shí)發(fā)出不同的聲光提示。程序啟動(dòng)時(shí)按下啟動(dòng)鍵后，首先檢測(cè)控制系統(tǒng)是否進(jìn)入到手動(dòng)控制模式，如果是則啟動(dòng)手動(dòng)控制操作，否則就進(jìn)入到自動(dòng)控制模式進(jìn)行正常工作;然后讀取工作面內(nèi)各個(gè)傳感器的反饋值，由PLC進(jìn)行處理判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

4 總結(jié)

防塵控制系統(tǒng)利用可編程序控制器、變頻器控制技術(shù)應(yīng)用于綜采工作面防塵工作中，使得防塵控制系統(tǒng)中的吸風(fēng)機(jī)的整體特性和工作效率得到大幅度提升，解決了傳統(tǒng)防塵控制系統(tǒng)存在的安全隱患和抗干擾能力弱、功耗高、效率低等問(wèn)題。防塵控制系統(tǒng)結(jié)合成為一個(gè)有機(jī)的整體，保證了安全可靠的工作，并達(dá)到預(yù)期的控制效果，不但使控制性能得到極大的提高，也降低了系統(tǒng)的能耗，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。因此，該P(yáng)LC變頻防塵控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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