矿井单巷掘进通风机集成控制系统

1.矿井单巷掘进通风机集成控制系统，包括PLC(1)、变频器(2)、通讯扩展模块(5)、模拟量扩展模块(6)以及显示屏(7)，其特征在于PLC(1)与变频器(2)和显示屏(7)分别通过串行通讯口连接；PLC(1)与通讯扩展模块(5)和模拟量扩展模块(6)分别通过I/O扩展端口连接；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口连接；PLC(1)分别与主保护电路板(3)和电动机保护电路板(4)通过I/O口连接；
所述的主保护电路板(3)是由电压检测电路和系统整定电流参数输入电路构成，其中，
所述的电压检测电路是电压互感器(14)的输入端和电缆的任意两相连接，单相桥式整流电路I(15)输入端和电压互感器(14)输出端连接，电容C1(16)和极性电容C2(59)分别并联于单相桥式整流电路I(15)的输出端，电阻R1(17)一端和极性电容C2(59)正极连接，电阻R1(17)另一端和电位器RP1(18)一端连接，电位器RP1(18)另一端、电容C1(16)一端、极性电容C2(59)负极和单相桥式整流电路I(15)输出端的另一端共同接地；
所述的系统整定电流参数输入电路是电平转换电路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B1(21)、BCD拨码盘B2(22)、BCD拨码盘B3(23)和BCD拨码盘B4(24)的输入控制线连接，BCD拨码盘B1(21)、BCD拨码盘B2(22)、BCD拨码盘B3(23)和BCD拨码盘B4(24)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II(26)、与非门III(27)和与非门IV(28)的输入端分别和BCD拨码盘B1(21)、BCD拨码盘B2(22)、BCD拨码盘B3(23)和BCD拨码盘B4(24)的BCD码输出信号线连接，电平转换电路II(29)输入端分别和与非门I(25)、与非门II(26)、与非门III(27)和与非门IV(28)的输出端连接，电平转换电路II(29)输出端和PLC(1)I/O口的输入端连接；
所述的电动机保护电路板(4)是一个由电流检测电路和漏电闭锁电路构成的电路板，其中，
所述的电流检测电路是电阻R2(30)并联于电流互感器(60)输出端，整流二极管D1(31)串联于电阻R2(30)一端和电容C3(35)一端，电容C3(35)一端和整流二极管D1(31)一端连接，电容C3(35)另一端接地，电容C4(36)并联于电容(35)C3两端，电位器RP2(32)串联于电容C4(36)一端和电阻R3(33)一端，电阻R3(33)串联于电位器RP2(32)另一端和电阻R5(34)一端，电阻R4(37)一端和电阻R5(34)一端连接，电阻R5(34)另一端和稳压管V1(38)一端连接，电阻R2(30)另一端、电容C3(35)另一端、电容C4(36)另一端、电阻R4(37)另一端和稳压管V1(38)另一端共同接地；
所述的漏电闭锁电路是单相桥式整流电路II(39)输入端与交流电源连接，极性电容C5(42)和电容C6(43)并联后共同并联于单相桥式整流电路II(39)输出端，稳压块(40)输入端的一端和电容C6(43)一端连接，稳压块(40)输入端的另一端和稳压管V2(44)一端连接，稳压块(40)输出端和电容C7(45)一端连接，电容C7(45)和极性电容C8(46)并联，电阻R6(41)串联于极性电容C8(46)正极和电阻R8一端，电位器RP3(48)一端和电阻R6(41)另一端连接，电阻R7(47)一端和电位器RP3另一端连接，电阻R8(50)另一端和稳压管V3(49)一端连接，电阻R7(47)另一端和稳压管V3(49)另一端连接后接地，单相桥式整流电路II(39)输出端的另一端、极性电容C5(42)负极、电容C6(43)另一端、稳压管V2(44)的另一端、电容C7(45)的另一端和极性电容C8(46)负极共同连接电缆A相。
2.如权利要求1所述的矿井单巷掘进通风机集成控制系统，其特征在于电平转换电路I(20)是电阻R9(51)和晶体管T1(53)基极连接，电容C9(54)连接于晶体管T1(53)基极和地之间，晶体管T1(53)发射极接地，电阻R10(52)接于+24V电源和晶体管T1(53)集电极之间。
3.如权利要求1所述的矿井单巷掘进通风机集成控制系统，其特征在于电平转换电路II(29)是电阻R11(55)和晶体管T2(56)基极连接，电容C10(58)连接于晶体管T2(56)基极和地之间，晶体管T2(56)发射极接地，电阻R12(57)接于+5V电源和晶体管T2(56)集电极之间。

矿井单巷掘进通风机集成控制系统\n技术领域\n[0001] 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。\n技术背景\n[0002] 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。\n发明内容\n[0003] 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。\n[0004] 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。\n[0005] 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。\n[0006] 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。\n[0007] 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。\n[0008] 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。\n[0009] 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。\n[0010] 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。\n[0011] 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。\n[0012] 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。\n[0013] 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。\n[0014] 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。\n[0015] 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；\n[0016] 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；\n[0017] 故障处理完毕后，进行空载检验；\n[0018] 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。\n[0019] 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。\n附图说明\n[0020] 图1是本发明的集成控制统结构示意框图\n[0021] 图2是本发明的集成控制系统主接线示意图\n[0022] 图3是本发明的矿井巷道瓦斯传感器分布示意图\n[0023] 图4是本发明的电压检测电路图\n[0024] 图5是本发明的系统整定电流参数输入电路图\n[0025] 图6是本发明的电流检测电路图\n[0026] 图7是本发明的漏电闭锁电路图\n[0027] 图8是本发明的电平转换电路I的示意图\n[0028] 图9是本发明的电平转换电路II的示意图\n[0029] 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 \n12：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 \n17：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B425：与非门I 26：与非门II 27：与非门III 28：\n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 \n34：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：\n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 \n47：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\n具体实施方式\n[0030] 本发明结合附图用实例来进一步详细描述如下：\n[0031] 实施例1\n[0032] 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。\n[0033] 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。\n[0034] 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。\n[0035] 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。\n[0036] 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I15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。\n[0037] 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I25、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II26、与非门III27和与非门IV28的输出端连接，电平转换电路II29输出端和PLC1I/O口的输入端连接。\n[0038] 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。\n[0039] 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。\n[0040] 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II 39输出端，稳压块\n40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。\n[0041] 电平转换电路I20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。\n[0042] 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。\n[0043] 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。\n[0044] 实施例2\n[0045] 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。\n[0046] 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。\n[0047] 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。\n[0048] 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。\n[0049] 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。