矿井单巷掘进通风机集成控制系统

摘要

本发明公开了一种矿井单巷掘进通风机集成控制系统，其特征在于PLC与变频器和显示屏分别通过串行通讯口连接；PLC与通讯扩展模块和模拟量扩展模块分别通过I/O总线连接；主保护电路板和电动机保护电路板分别与模拟量扩展模块通过I/O口连接；PLC分别与主保护电路板和电动机保护电路板通过I/O口连接。本发明以PLC为中央处理器，设计了硬件电路及控制方法，实现了各种控制方法的稳定切换及漏电闭锁、对称短路、过载、稳态过电压等保护功能，现场运行表明，系统运行稳定可靠、技术指标符合设计要求，最大限度地确保了掘进通风的连续性和瓦斯排放的安全性，保证了矿井的安全生产。本发明尤其适用于矿井单巷掘进工作面的掘进通风和瓦斯排放。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿井巷道掘进通风控制系统，特别是一种用于矿井单巷掘进通风机集成控制系统。

技术背景

现有矿井巷道掘进通风机自动控制系统有两类，一类是如盘江煤电公司董代安于2005年6月在《矿业安全与环保》发表的“矿用局部通风机自动切换装置的研制”，介绍了矿井掘进工作面专供工作风机和动力备用风机开停的自动切换工作原理，并通过现场应用，有效实施了工作风机和备用风机的开停自动切换，确保了掘进工作面连续正常供风；还有平顶山煤业集团公司陈超凡于2001年12月在《煤矿安全》发表的“KJD11局部通风机自动切换监控器”，实现了专备用风机间的自动切换又可以取代一个掘进工作面应投入3～5台设备开停传感器和1台断电控制器，提高了煤矿掘进工作面局部痛风的安全可靠性。这两种装置只能控制局部通风机工频运转，当瓦斯超限，排放瓦斯时采用加挡板、控制风门等方法，这些方法排放瓦斯时，风量控制不易把握，仅凭瓦斯排放员的经验来给定供风量的大小，很容易造成全风压风流混合处瓦斯浓度超限，产生安全隐患；另一类如中国矿业大学祝龙记于2003年4月份在《煤炭科学技术》发表的“矿用变频调速局部通风机的模糊控制技术”提出了一种模糊控制器及其解耦设计方式，实现了瓦斯浓度与局部通风机变频调速的模糊控制；还有渤海大学贺玉凯于2005年第3期在《煤炭工程》发表的“基于DSP的智能局部通风机控制系统研究”以DSP为控制核心，调速电机驱动局部通风机，采用智能控制等先进的控制手段，构成智能局部通风机控制系统，对掘进巷道中积聚的瓦斯进行无超限自动排放。这两种系统无论是在掘进通风还是瓦斯排放状态，始终控制局部通风机变频运转，虽然这种方式起到节能和瓦斯安全排放的作用，但是当变频器在隔爆腔内始终处于运行状态时，散热量大、寿命降低，故障率高，影响煤矿井下的安全作业。

发明内容

本发明是一种矿井单巷掘进通风机集成控制系统，并以提供一种矿井单巷掘进通风机集成控制系统的硬件结构为目的，用以解决矿井单巷掘进工作面局部通风机间切换不可靠、电动机保护功能不健全以及局部通风机变频排放瓦斯的问题。

本发明基于上述问题和目的，采用PLC专用编程软件进行程序设计，并通过软件提供的PID指令向导，设计PID控制器，该PID控制器能够根据输入瓦斯浓度值的大小，输出相应的控制量，改变局部通风机转速，实现瓦斯自动排放。

本发明所采取的技术方案包括PLC、变频器、通讯扩展模块、模拟量扩展模块、主保护电路板、电动机保护电路板以及显示屏。

其中，PLC与变频器和显示器通过串口连接；PLC与通讯扩展模块和模拟量扩展模块通过I/O扩展端口连接；主保护电路板和电动机保护电路板分别与模拟量扩展模块通过I/O口连接；PLC分别与主保护电路板、电动机保护电路板通过I/O口连接。

主保护电路板是主保护电路板是由电压检测电路和系统整定电流参数输入电路构成的电路板。

电压检测电路是电压互感器输入端和电缆的任意两连接，单相桥式整流电路输入端和电压互感器输出端连接，电容C₁和极性电容C₂分别并联于单相桥式整流电路的输出端，电阻R₁一端和极性电容C₂正极连接，电阻R₁另一端和电位器RP₁一端连接，电位器RP₁另一端、电容C₁一端、极性电容C₂负极和单相桥式整流电路输出端的另一端共同接地。

系统整定电流参数输入电路是是电平转换电路I输入端和PLC输出端连接，电平转换电路I输出端和BCD拨码盘B₁、BCD拨码盘B₂、BCD拨码盘B₃和BCD拨码盘B₄的输入控制线连接，BCD拨码盘B₁、BCD拨码盘B₂、BCD拨码盘B₃和BCD拨码盘B₄的BCD码输出信号线经过限流电阻和+5V电源连接，与非门I、与非门II、与非门III和与非门IV的输入端分别和BCD拨码盘B₁、BCD拨码盘B₂、BCD拨码盘B₃和BCD拨码盘B₄的BCD码输出信号线连接，电平转换电路II输入端端分别和与非门I、与非门II、与非门III和与非门IV的输出端连接，电平转换电路II输出端和PLC I/O口的输入端连接。

电动机保护电路板是一个由电流检测电路和漏电闭锁电路构成的电路板。

电流检测电路是电阻R₂并联于电流互感器输出端，整流二极管D₁串联于电阻R₂一端和电容C₃一端，电容C₃一端和二极管D₁一端连接，电容C₃另一端接地，电容C₄并联于电容C₃两端，电位器RP₂串联于电容C₄一端和电阻R₃一端，电阻R₃串联于电位器RP₂另一端和电阻R₅一端，电阻R₄一端和电阻R₅一端连接，电阻R₅另一端和稳压管V₁一端连接，电阻R₂另一端、电容C₃另一端、电容C₄另一端、电阻R₄另一端和稳压管V₁另一端共同接地。

漏电闭锁电路是漏电闭锁电路是单相桥式整流电路输入端与交流电源连接，极性电容C₅和电容C₆并联后共同并联于单相桥式整流电路输出端，稳压块输入端的一端和电容C₆一端连接，稳压块输入端的另一端和稳压管V₂一端连接，稳压块输出端和电容C₇一端连接，电容C₇和极性电容C₈并联，电阻R₆串联于极性电容C₈正极和电阻R₆一端，电位器RP₃一端和电阻R₆另一端连接，电阻R₇一端和稳压管V₃另一端连接，电阻R₈另一端和稳压管V₃一端连接，电阻R₇另一端和稳压管V₃另一端连接后接地，单相桥式整流电路输出端的另一端、极性电容C₅负极、电容C₆另一端、稳压管V₂的另一端、电容C₇的另一端和极性电容C₈负极共同连接于电缆A相。

电平转换电路I是电阻R₉和晶体管T₁基极连接，电容C₉连接于晶体管T₁基极和地之间，晶体管T₁发射极接地，电阻R₁₀接于+24V电源和晶体管T₁集电极之间。

电平转换电路II是电阻R₁₁和晶体管T₂基极连接，电容C₁₀连接于晶体管T₂基极和地之间，晶体管T₂发射极接地，电阻R₁₂接于+5V电源和晶体管T₂集电极之间。

本发明一种矿井单巷掘进通风机集成控制系统的控制方法，该方法是起动集成控制系统，若瓦斯传感器T₁≥1％，系统进入排放瓦斯状态，当瓦斯传感器T₁＜1％，瓦斯传感器T₂＜1％且变频器运行到工频时，延时10分钟，瓦斯排放完毕，局部通风机接入工频电源进行掘进通风；若瓦斯传感器T₁＜1％，进行掘进通风；在系统掘进通风过程中，当瓦斯传感器T₁≥1％时，断开真空接触器K₃，延时30秒，进入排放瓦斯状态，瓦斯排放完毕后，进入工频运行状态；

若瓦斯传感器T₂发生故障，则系统自动停止运行并报警，此时进行手动排放瓦斯；

故障处理完毕后，进行空载检验；

在两套集控系统因故障而自动转换失败时，报警检修，并选择一套集控系统无保护起动，集控系统将起动局部通风机进行工频运转。

本发明一种矿井单巷掘进局部通风机集成控制系统，以PLC做为中央处理单元，设计了硬件电路及控制方法，能够实现各种控制方法的稳定切换及漏电闭锁、对称短路、过载、稳态过电压等保护功能，特别适用于矿井单巷掘进工作面的掘进通风和瓦斯排放。其中稳态过电压保护电路简单实用，其检测信号与电网电压成严格的线性关系，PLC实时检测该信号并作相应的判断处理，实现了稳态电压故障保护功能；使用与非门实现整定参数的输入，节省了PLC大量I/O口，降低了系统成本；电流检测电路能够准确判断和切除各种过电流故障，实现系统三相短路和过载保护功能；集控系统漏电闭锁保护功能，能够快速判断出电缆绝缘故障，缩短查找故障时间，提高工作效率。在煤矿巷道瓦斯浓度值低于安全值时，局部通风机接入工频电源进行掘进通风；瓦斯浓度超限时，局部通风机接入变频器输出端进行瓦斯排放，这样做既达到了安全排放瓦斯的目的，又避免了变频器长期运行时导致的发热量大、寿命降低等问题。PID控制器可以确定瓦斯浓度与局部通风机转速间对应关系，能够输出与全风压风流混合处瓦斯浓度大小相对应的控制量，从而实现瓦斯浓度无超限安全排放。本发明经过现场运行情况表明：系统运行稳定、动作可靠、技术指标符合设计要求，最大限度地确保了掘进通风的连续性和瓦斯排放的安全性，保证了矿井的安全生产。

附图说明

图1是本发明的集成控制统结构示意框图

图2是本发明的集成控制系统主接线示意图

图3是本发明的矿井巷道瓦斯传感器分布示意图

图4是本发明的电压检测电路图

图5是本发明的系统整定电流参数输入电路图

图6是本发明的电流检测电路图

图7是本发明的漏电闭锁电路图

图8是本发明的电平转换电路I的示意图

图9是本发明的电平转换电路II的示意图

图中：1：PLC  2：变频器  3：主保护电路板  4：电动机保护电路板  5：通讯扩展模块  6：模拟量扩展模块  7：显示屏  8：接触器K₁  9：接触器K₂  10：接触器K₃11：局部通风机  12：瓦斯传感器T₁  13：瓦斯传感器T₂  14：电压互感器  15：单相桥式整流电路I  16：电容C₁  17：电阻R₁  18：电位器RP₁  19：限流电阻  20：电平转换电路I  21：BCD拨码盘B₁  22：BCD拨码盘B₂  23：BCD拨码盘B₃  24：BCD拨码盘B₄  25：与非门I  26：与非门II  27：与非门III  28：与非门IV  29：电平转换电路II  30：电阻R₂  31：整流二极管D₁  32：电位器RP₂  33：电阻R₃  34：电阻R₅35：电容C₃  36：电容C₄  37：电阻R₄  38：稳压管V₁  39：单相桥式整流电路II  40：稳压块  41：电阻R₆  42：极性电容C₅  43：电容C₆  44：稳压管V₂  45：电容C₇46：极性电容C₈  47：电阻R₇  48：电位器RP₃  49：稳压管V₃  50：电阻R₈  51：电阻R₉  52：电阻R₁₀  53：晶体管T₁  54：电容C₉  55：电阻R₁₁  56：晶体管T₂57：电阻R₁₂  58：电容C₁₀  59：极性电容C₂  60：电流互感器

具体实施方式

本发明结合附图用实例来进一步详细描述如下：

实施例1

本实施例采用PID控制器和变频器实现瓦斯无超限自动排放功能，其中采用SIEMENSS7-200系列PLC专用编程软件Step7 Microwin V4.0软件提供的PID指令向导设计了PID控制器，利用该PID指令向导一步一步进行参数设定，就可以生成PID控制器，该控制器根据这些采样得到全风压风流混合处的瓦斯浓度进行PID运算，从而控制变频器的输出频率。变频器采用深圳英威腾公司的CHF系列通用变频器，该变频器为U/F控制方式，具有RS-485通讯口，能与SIEMENS S7-200系列PLC通讯。

如图1所示，本发明具体实施方式包括PLC 1、变频器2、通讯扩展模块5、模拟量扩展模块6、主保护电路板3、电动机保护电路板4及大屏幕液晶显示屏7。

其中，PLC1与变频器2和大屏幕液晶显示器7通过串口相连接；PLC 1与通讯扩展模块5和模拟量扩展模块6通过I/O扩展端口相连接；主保护电路板3和电动机保护电路板4分别与模拟量扩展模块6通过I/O口相连接；PLC1分别与主保护电路板3、电动机保护电路板4通过I/O口相连接。

主保护电路板3是由电压检测电路和系统整定电流参数输入电路构成的电路板。

电压检测电路是电压互感器14输入端和电缆的任意两相连接，单相桥式整流电路15输入端和电压互感器14输出端连接，电容C₁16和极性电容C₂59分别并联于单相桥式整流电路I 15的输出端，电阻R₁17一端和极性电容C₂59正极连接，电阻R₁17另一端和电位器RP₁18一端连接，电位器RP₁18另一端、电容C₁16一端、极性电容C₂59负极和单相桥式整流电路I15输出端的另一端共同接地。

系统整定电流参数输入电路是是电平转换电路I 20输入端和PLC 1输出端连接，电平转换电路I 20输出端和BCD拨码盘B₁21、BCD拨码盘B₂22、BCD拨码盘B₃23和BCD拨码盘B₄24的输入控制线连接，BCD拨码盘B₁21、BCD拨码盘B₂22、BCD拨码盘B₃23和BCD拨码盘B₄24的BCD码输出信号线经过限流电阻19和+5V电源连接，与非门I 25、与非门II26、与非门III27和与非门IV28的输入端分别和BCD拨码盘B₁21、BCD拨码盘B₂22、BCD拨码盘B₃23和BCD拨码盘B₄24的BCD码输出信号线连接，电平转换电路II 29输入端端分别和与非门I 25、与非门II 26、与非门III27和与非门IV28的输出端连接，电平转换电路II 29输出端和PLC1I/O口的输入端连接。

电动机保护电路板4是一个由电流检测电路和漏电闭锁电路构成的电路板。

电流检测电路是电阻R₂30并联于电流互感器60输出端，整流二极管D₁31串联于电阻R₂30一端和电容C₃35一端，电容C₃35一端和二极管D₁31一端连接，电容C₃35另一端接地，电容C₄36并联于电容C₃35两端，电位器RP₂32串联于电容C₄36一端和电阻R₃33一端，电阻R₃33串联于电位器RP₂32另一端和电阻R₅34一端，电阻R₄37一端和电阻R₅34一端连接，电阻R₅34另一端和稳压管V₁38一端连接，电阻R₂60另一端、电容C₃35另一端、电容C₄36另一端、电阻R₄37另一端和稳压管V₁38另一端共同接地。

漏电闭锁电路是漏电闭锁电路是单相桥式整流电路II39输入端与交流电源连接，极性电容C₅42和电容C₆43并联后共同并联于单相桥式整流电路II39输出端，稳压块40输入端的一端和电容C₆43一端连接，稳压块40输入端的另一端和稳压管V₂44一端连接，稳压块40输出端和电容C₇45一端连接，电容C₇45和极性电容C₈46并联，电阻R₆41串联于极性电容C₈46正极和电阻R₈41一端，电位器RP₃48一端和电阻R₆41另一端连接，电阻R₇47一端和稳压管V₃49另一端连接，电阻R₈48另一端和稳压管V₃49一端连接，电阻R₇另一端和稳压管V₃49另一端连接后接地，单相桥式整流电路II39输出端的另一端、极性电容C₅42负极、电容C₆43另一端、稳压管V₂44的另一端、电容C₇45的另一端和极性电容C₈46负极共同连接于电缆A相。

电平转换电路I 20是电阻R₉51和晶体管T₁53基极连接，电容C₉54连接于晶体管T₁53基极和地之间，晶体管T₁53发射极接地，电阻R₁₀52接于+24V电源和晶体管T₁52集电极之间。

电平转换电路II29是电阻R₁₁55和晶体管T₂56基极连接，电容C₁₀58连接于晶体管T₂56基极和地之间，晶体管T₂56发射极接地，电阻R₁₂57接于+5V电源和晶体管T₂56集电极之间。

本发明基于上述矿井单巷掘进通风机集成控制系统，本专业人员配置相应的软件以及软件的组合，并采用下述矿井单巷掘进通风机集成控制系统的控制方法，得以实现矿井单巷掘进通风机集成控制系统的自动控制。

实施例2

本发明实现上述主要目的的一种矿井单巷掘进通风机集成控制系统的控制方法是：按下起动按钮，接触器K₁8、K₂9吸合，变频器2控制局部通风机11软起动至20Hz，PLC 1检测掘进工作面处瓦斯浓度，若T₁12≥1％，则系统进入排放瓦斯状态，此时系统根据全风压风流混合处瓦斯浓度T₂13值的大小，自动调整局部通风机11的转速，当T₁12＜1％，T₂13＜1％且变频器2运行到工频时，延时10分钟，瓦斯排放完毕，接触器K₁8、K₂9断开，K₃10吸合，局部通风机11接入工频电源进行掘进通风；若T₁8＜1％，则变频器2运行至工频，接触器K₁8、K₂9断开，K₃10吸合，进行掘进通风；在系统掘进通风过程中，瓦斯传感器T₁12实时检测掘进工作面瓦斯浓度，当T₁12≥1％时，断开接触器K₃10，延时30秒，吸合接触器K₁8、K₂9，起动变频器2进入排放瓦斯状态，瓦斯排放完毕后，接触器K₁8、K₂9断开，K₃10吸合进入工频运行状态。

系统运行过程中，PLC 1实时检测并显示局部通风机11的工作参数和工作状态，如果局部通风机11出现故障，接触器自动跳闸、并显示故障类型和故障参数、报警30秒。此时，处于热备用状态的集控系统控制对应局部通风机11自动软起动。

在排放瓦斯过程中，若瓦斯传感器发生故障，则系统自动停止运行并报警通知井下工作人员进行手动排放瓦斯。此时，工作人员可根据瓦斯监测人员提供的全风压风流混合处瓦斯浓度，通过“增大”和“减小”按钮调整变频器2的频率，实现局部通风机11转速手动控制，进而控制局部通风机11供风量的大小，局部通风机11转速缓慢改变，不会使掘进工作面供风量突变，所以可以实现瓦斯安全排放。

当故障系统检修完毕后，需要对检修效果进行检验。此时，系统主回路电源被切断，集控系统所用控制电源取自隔离换相开关进线端，可以实现不起动而检验集控系统各项控制功能。

如果在系统运行过程中，两套集控系统因本身出现问题而产生自动转换失败时，报警系统将会长时报警，以警示工作人员立即对两套故障系统进行检修。同时，工作人员选择一套集控系统，按下起动按钮，集控系统将同时起动两台电动机11进行工频运转。必须注意的是，此时该集控系统处于无保护工作状态，所以应尽快检修另外一套故障系统，检修完毕并进行空载试验后，先停止运行中的系统，然后起动检修好的集控系统，待系统正常运行后，再检修另外一套集控系统。