針對礦井舊通風控制系統中存在的體積龐大、接線復雜、機械觸點多、排除故障困難、可靠性差、自動化程度低等缺陷,設計了一種基于先進PLC控制技術的礦井通風安全控制系統。該控制系統投入使用,運行結果表明,系統具有功能完善,運行穩定,節能效果明顯等特點,提高了企業的生產效率和經濟效益,具有很好的應用前景。
    煤礦礦井通風系統是煤礦礦井安全生產的重要組成部分，煤礦礦井通風系統能否正常工作與礦井內工作環境條件、生產效率、安全生產密切相關。隨著我國政府對各行各業安全生產監管力度的不斷加強，尤其對煤礦安全生產的要求越來越高，對煤礦礦井通風系統進行技術改造，提高其運行穩定性、節能降耗等勢在必行。本系統將PLC與變頻器有機地結合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數，實現對電動機工作過程和運轉速度的有效控制，使礦井通風機通風高效、安全，達到了明顯的節能效果。
    系統的設計功能
    本控制系統具有通風機組的啟動、互鎖和過熱保護等功能。與常規繼電器實施的通風系統相比，PLC系統具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護方便等諸多優點，PLC的控制功能使通風系統的自動化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動強度。為滿足礦井通風系統自動控制的要求，系統的具體設計要求如下：
    2.1.本系統提供手動／自動兩種工作模式，具有狀態顯示以及故障報警等功能。
    2.2.模擬量壓力輸入經PID運算，輸出模擬量控制變頻器。
    2.3.在自動方式下，當井下壓力低于設定壓力下限時，兩組風機將同時投入工作運行，同時并發出指示和報警信號。
    2.4.模擬量瓦斯輸入，當礦井瓦斯濃度大于設定報警上限時，發出指示和報警。當瓦斯濃度大于設定斷電上限時，PLC將切斷工作面和風機組電源，防止瓦斯爆炸。
    2.5.運用溫度傳感器測定風機組定子溫度或軸承溫度，當定子溫度或軸承溫度超過設定報警上線時，發出指示和報警信號。當定子溫度或軸承溫度超過設定風機組轉換溫度界線時，PLC將切斷指示和報警信號并自動切斷當前運行風機組，在自動方式下并能自動接入另一臺風機組運行，若在手動方式下，工作人員手動切換。
    系統硬件構成及各部分功能
    本控制系統有可編程控制器（PLC）、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、變頻器、傳感器部分、監控對象和電控回路組成。
    3.1.PLC可編程控制器部分可編程控制器部分
    PLC概述概述PLC是以微處理器為核心的一種特殊的工業用計算機，其結構與一般的計算機相類似，由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、輸入接口、輸出接口、I/O擴展接口、外部設備接口以及電源等組成。CPU單元由微處理器、系統程序存儲器、用戶程序存儲器以及工作數據存儲器等組成，它是PLC的核心部件，是由大規模或超大規模的集成電路微處理芯片構成，主要完成運算和控制任務，可以接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據。存儲器單元按照物理性能分為兩類，隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。輸入輸出單元由輸入模塊、輸出模塊和功能模塊構成，是PLC與現場輸入輸出設備或其他外部設備之間的連接部件。PLC通過輸入模塊把工業設備或生產過程的狀態或信息讀入中央處理單元，通過用戶程序的運算與操作，把結果通過輸出模塊輸出給執行單元。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運算結果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內部電路和外部執行單元的作用，還具有功率放大的作用。
    3.2.變頻器部分
    本系統選用的是西門子全新一代標準變頻器MicroMaster440功能強大，應用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。變頻器的選用：變頻器的選用應滿足以下規則，變頻器的容量應大于負載所需的輸出；變頻器的容量不低于電機的容量；變頻器的電流大于電機的電流。由于本設計以風機組2×30kW為例，因此可選用37kW，額定電流75A的變頻器。考慮到改進設計方案的可行性，調速系統的穩定性及性價比，我們采用西門子MM440、37kw，額定電流為75A的通用變頻器。該變頻器采用高性能矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，可以控制電機從靜止到平滑起動期間提供3S，有200％的過載能力。變頻器參數的設置：負載為一大慣性負載，在停車時，為防止因慣性而產生的回饋制動使泵升電壓過高的現象，加入制動電阻，斜坡下降時間設定長一些。外接制動電阻的阻值和功率可按公式R≥2Ud／1P≥(0.3—0.5)選取。式中：U為變頻器直流側電壓，d為變頻器的額定電流。本次設計采用西門子與37kW電機配套的制動電阻響和對轉速調整的要求，系統用模擬量輸入作為附加給定，與固定頻率設定相疊加以滿足不同型號模具特殊要求。
    軟件設計
    本控制系統的軟件設計是分四部分實現的，主要包括手動自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯濃度控制部分和壓力PID控制部分。本文中所采用的PLC是西門子公司的產品S7-200系列，CPU的型號是CPU226。主要包括手動/自動控制部分、溫度轉換控制部分、瓦斯濃度控制部分、壓力PID控制部分、PLC與變頻器通信和機械故障處理部分。其中手動和自動控制部分是在溫度、瓦斯和壓力控制中使用的。所以下面僅對溫度、瓦斯、壓力進行分析。溫度控制部分本設計的風機組設有軸承溫度和定子溫度過熱保護。綜合所選用的風機組自身特性和國家規定標準，設置了風機組軸承溫度和定子溫度報警溫度和跳閘溫度（本系統是風機組切換溫度）。瓦斯濃度傳感器將連續變化的瓦斯濃度信號轉換為4～20毫安的電流，然后經A/D轉換模塊EM235，通過其內部的采樣、濾波，轉換為PLC能識別的二進制信號存儲到VD196中。

    西門子PLC控制變頻器在煤礦礦井通風系統中的應用，不僅簡化了系統，提高了設備的可靠性和穩定性，設備的操作和維護方便，節省能耗，同時也大大地提高了煤礦生產的安全系數。由于變頻器直接控制電機，通過調速來驅動風機工作，從而提高了風機的傳動效率。此系統操作方便，控制精度高，響應速度快，使整個系統工作平穩。而且節電率在20%～70%之間，具有巨大的節效益。