★山西卡文电气有限公司庞维建

关键词：煤矿通风；PLC技术；自动控制；节能降耗

煤矿通风系统是保障矿井安全生产的重要基础设施，其运行状况直接关系到矿井的安全生产和经济效益。随着煤矿开采深度的增加和机械化程度的提高，传统的人工控制方式已难以满足现代化矿井通风系统的控制要求。其主要问题表现在：通风参数测控精度低，无法及时响应工况变化；系统运行效率低下，能源浪费严重；人工值守劳动强度大，管理成本高。因此，开发先进的通风自动控制系统、提高通风系统的智能化水平，对于提升矿井安全生产水平和降低运营成本具有重要意义。本文以某煤矿为例，探讨基于PLC技术的通风控制系统的设计方案及其应用效果。

1　工程概况

本研究以某煤矿工程为例，该煤矿位于华北地区，矿井设计生产能力为240万吨/年，井田面积约42.8平方公里。矿井采用立井开拓方式，共设有三条立井：主井、副井和两条风井。主井担负矿井煤炭提升任务，井筒净断面积为28.3平方米；副井作为人员、材料提升和安全出口，井筒净断面积为19.6平方米；南风井和北风井作为矿井进、回风井，井筒净断面积分别为19.8平方米和21.2平方米。该矿井通风系统采用抽出式通风方式，在南、北回风井井口设置2台FBCDZ-8-№30型主通风机（一用一备），风机额定风量为320立方米/秒，额定全压为4800帕，电机功率为1600千瓦^[1]。矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井，最大瓦斯涌出量为5.2立方米/分钟，采用分区通风方式。目前共有4个采煤工作面和2个掘进工作面，采煤工作面均采用U型通风方式，掘进工作面采用压入式通风方式。

为提高矿井通风系统的自动化水平和运行效率，该矿投资680万元建设了基于PLC技术的矿井通风自动控制系统。该系统于2023年5月开始建设，同年12月完成调试并投入运行。系统主要包括井下风门自动控制、主通风机智能控制、局部通风机自动控制、通风参数在线监测等功能，实现了通风系统的无人值守和智能化运行。

2　系统总体设计

2.1　系统构架

本系统采用分层分布式控制架构，主要由上位机监控层、PLC控制层和现场执行层三个层次构成，如图1所示。

图1基于PLC煤矿通风控制系统架构图

其中，上位机监控层采用工控机配置WINCC组态软件，负责系统运行参数显示、历史数据存储、趋势分析和报警等功能；PLC控制层采用西门子S7-300系列可编程控制器，执行系统的核心控制逻辑；现场执行层包括各类传感器、执行器和操作台，实现数据采集和控制指令的执行。系统现场总线采用PROFIBUS-DP协议，连接各控制单元和执行设备。主要控制回路包括：变频调速控制回路、液压制动控制回路和风门调节控制回路^[2]。变频调速系统由变频器、电机和减速箱组成，通过4~20mA模拟量信号实现无级调速；液压制动系统配备压力传感器和电流检测装置，确保系统安全制动；风门调节系统采用涡轮蜗杆传动机构，配备行程开关和压力传感器，实现精确定位控制。

根据现场运行数据统计，系统响应时间小于200毫秒，控制精度达到±0.5%，运行可靠性达到99.9%。通过采用先进的PID控制算法，风机调速过程平稳，过调量小于2%，调节时间不超过5秒。系统具有良好的抗干扰性能，工业现场电磁兼容性测试全部达标，可确保其在复杂的井下环境中稳定可靠运行^[3]。

2.2　硬件选型

本系统硬件选型遵循可靠性优先、性能适配、品牌统一的原则，主要选用西门子自动化产品系列。控制系统的核心采用西门子S7-300系列PLC，具体选用CPU319-3PN/DP处理器。该处理器具备1.5MB用户程序存储空间、32KB系统数据存储空间，支持PROFIBUS-DP和PROFINET两种通讯方式，最大支持2048个I/O点，能够满足系统扩展需求^[4]。根据系统控制要求，所选硬件配置详细参数如表1所示。

表1硬件配置型号

系统输入输出信号的采集和控制采用分布式布局方案，就近布置远程I/O站，减少系统布线工程量。系统采用ET200M分布式I/O站，通过PROFIBUS-DP总线与主站进行通信，通信速率设置为1.5Mbps，单站点响应时间小于10ms。考虑到井下潮湿多尘的环境特点，所有控制柜体防护等级不低于IP65，控制柜内安装除湿装置，确保设备长期稳定运行^[5]。

供电系统采用双路供电方案，配置APC3000VA在线式UPS，具备15分钟以上后备供电能力。所有控制柜均采用防爆设计，满足矿用设备安全要求。传感器选型方面，压力传感器选用西门子SITRANSP系列，精度等级0.1级；温度传感器选用PT100铂电阻，测量范围0-150℃；转速传感器采用霍尔效应式，最高测量转速可达3000r/min。

2.3　主通风机自动控制

主通风机自动控制系统基于PLC技术实现智能化运行控制，系统重点解决风筒、抽放管和煤堆三个关键部位的协同控制问题。如图2所示，主通风机运行过程中需要确保风筒区域气流通畅、抽放管抽气效率稳定以及煤堆扬尘得到有效抑制。PLC控制系统采用西门子S7-300系列，其通过设计完善的控制算法实现了系统的智能调节^[6]。

图2主通风机自动控制图

控制系统采用闭环PID控制策略，实时采集风压、风量、电机电流、轴承温度等运行参数。PLC控制程序根据采集的实时数据，结合预设的控制模型，自动调节变频器输出频率，实现风机转速的无级调节。系统设定风压控制精度为±20Pa，风量控制精度为±2m³/s。在正常工况下，系统响应时间不超过3秒，调节过程平稳无振荡。为确保系统安全运行，设置了完善的保护机制。当检测到轴承温度超过85℃、电机电流超过额定值的1.2倍、风压突变超过设定值的30%等异常情况时，PLC控制系统自动启动保护程序^[7]。同时，系统具备软启动和软停止功能，每次启动时间不少于90秒，可有效防止电机过载和机械冲击。

在除尘控制方面，PLC根据煤堆区域粉尘浓度传感器的反馈，自动调节喷雾系统的启停和喷雾量，粉尘处理效率达到98%以上。系统还建立了风机效率模型，通过实时计算系统运行效率，自动寻优运行参数，使风机始终在最佳工况点附近运行。该系统综合节能效果显著，相比传统控制方式，年节电率达到15.8%。

2.4　分区通风智能控制

分区通风智能控制系统基于PLC技术，采用分层分布式控制架构，实现了对矿井各个区域通风系统的精确调控。系统根据工作面生产状态、瓦斯浓度、粉尘含量等参数，自动调节风量分配，确保了通风系统运行效率最优。主控PLC采用西门子S7-300系列，下设多个分控站，通过PROFIBUS-DP总线实现数据通信。系统按照采区、掘进面、回采工作面等不同区域设置独立的控制回路。每个区域配置智能风门、风速传感器、瓦斯传感器等现场设备，采集的数据通过就地分控站实时上传至主控PLC。控制系统根据预设的通风需求模型，结合实时监测数据，自动计算各区域所需风量，通过调节智能风门开度实现风量的动态分配。系统控制精度达到风速±0.1m/s、风量±0.5m³/min、调节时间不超过15秒。针对采煤工作面，系统建立了基于作业工况的智能控制策略。当检测到采煤机开机信号时，PLC自动增大该工作面的供风量20%～30%；休息或停产时段，系统自动降低供风量至基础值的70%，实现按需供风。同时，系统可实时监测瓦斯浓度变化趋势，当瓦斯浓度超过0.8%时，自动增大局部通风机风量，确保工作面安全。在掘进工作面通风控制方面，系统采用智能跟踪控制算法，可根据掘进机位置信号自动调整风筒位置和送风量，保持掘进面前方20米范围内的有效通风。系统还配置了粉尘浓度在线监测装置，当粉尘浓度超过4mg/m³时，其可自动启动喷雾降尘装置，降尘效率达到95%以上。

3　应用效果

基于PLC技术的煤矿通风控制系统自2023年12月投入运行以来，通过对系统运行数据的跟踪分析和效果评估，其在安全性、经济性和可靠性等方面取得了显著成效。系统运行情况统计如表2所示。

表2系统运行效果

在安全生产方面，系统实现了通风参数的实时监测和智能调节，显著提高了通风系统的控制精度和响应速度。主通风机运行稳定性提升，风压波动率从原来的±8%降低到±2%以内；工作面风量控制精度提高到±0.5m³/s，有效避免了通风量不足或过量的问题。通过智能联动控制，系统对突发事件的响应时间缩短至3秒以内，极大提升了系统的应急处置能力。在节能降耗方面，通过PLC实现的智能调速和分区控制，使通风系统始终保持在最优运行状态。主通风机年度总耗电量从原来的1038万度降低到874万度，节约电费支出164万元；设备故障率大幅降低，维修费用年度节省26.2万元。采用无人值守运行模式，每年可节省人工成本约48万元。在设备管理方面，系统实现了设备运行状态的全程监控和故障预警。系统通过分析设备振动、温度等参数的变化趋势，可及时发现潜在故障，设备平均无故障运行时间从原来的960小时提升到4200小时。系统自动记录运行数据，建立了完整的设备运行档案，为设备维护和管理决策提供了科学依据。

4　结语

本研究成功实现了基于PLC技术的煤矿通风控制系统的设计与应用，显著提升了矿井通风系统的自动化水平和运行效率。系统在保障安全生产、节能降耗、减少人工成本等方面取得了显著成效，为煤矿通风系统的智能化改造提供了可借鉴的技术方案。未来可进一步探索人工智能、大数据分析等新技术在通风控制系统中的应用，开发更智能的控制算法，建立更完善的预测预警模型，推动煤矿通风系统向智能化、无人化方向发展。同时，也应加强系统的网络安全防护，确保系统在复杂工况下的稳定可靠运行。

作者简介：

庞维建（1986-），男，河北沧州人，硕士，现就职于山西卡文电气有限公司，研究方向为自动化和控制工程。

参考文献：

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[2] 艾国, 尚秀全. 基于PLC控制器的煤矿通风机监控系统研究[J]. 能源与环保, 2023, 45 (5) : 187 - 192.

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摘自《自动化博览》2025年5月刊