煤礦瓦斯抽采泵站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

宋永灤　賀廣強(qiáng)

摘 要：我國(guó)煤礦多為井工開采，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，特別是貴州省。目前，瓦斯抽采泵站仍以人工操作為主，效率低下，監(jiān)管難度大，安全生產(chǎn)壓力巨大。本文以貴州豫能轎子山煤礦為例，對(duì)該礦瓦斯抽采泵站實(shí)施自動(dòng)化改造，使得瓦斯抽采泵站可以自動(dòng)化抽放泵站環(huán)境瓦斯。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽放流量、抽放瓦斯?jié)舛?、溫度和管道壓力等?shù)據(jù)，利用視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，集控室可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，大大提高了該礦瓦斯抽采效率及管理水平。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采;PLC;自動(dòng)化;煤礦;無(wú)人值守

中圖分類號(hào)：TD712.63;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）23-0085-03

Research and Application of Automation System for Coal

Mine Gas Drainage Pumping Station

SONG Yongluan1 HE Guangqiang2

（1. Guizhou Yueneng Investment Co.， Ltd.，Guiyang Guizhou 550009;

2. Huayang Communications Technology Co.， Ltd.，Xuzhou Jiangsu 221116）

Abstract： Most of China's coal mines are mined， and gas disasters are serious， especially in Guizhou Province. At present， the gas pumping station is still dominated by manual operation， with low efficiency， difficult supervision and huge pressure on safety production. Taking Guizhou Yueneng Jiaozishan Coal Mine as an example， this paper implemented automatic transformation of the mine gas pumping station， so that the gas pumping station could automatically pump the environmental gas of the pumping station. At the same time， data such as pumping flow， gas concentration， temperature and pipeline pressure were monitored in real time， and video was used for real-time monitoring. In addition， the centralized control room could remotely control the field equipment to achieve unattended operation， greatly improving the gas extraction efficiency and management level of the mine.

Keywords： gas extraction;PLC;automation;coal mine;unattended

1 系統(tǒng)改造前的狀況

改造前，轎子山煤礦有4臺(tái)瓦斯抽放泵，采用水循環(huán)式瓦斯抽排泵，冷卻方式為水冷。另有2臺(tái)循環(huán)水泵，用于冷、熱水循環(huán)。瓦斯主管路閥門共計(jì)32個(gè)，均為手動(dòng)，循環(huán)水池有2個(gè)，分為高位水池和低位水池。當(dāng)前，瓦斯抽采泵未安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，未安設(shè)傳感器，無(wú)法對(duì)電機(jī)溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，系統(tǒng)的啟停全靠人工操作，迫切需要進(jìn)行自動(dòng)化改造，提高抽采效率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

抽放監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控功能有機(jī)結(jié)合為一個(gè)整體，數(shù)據(jù)共享方便、快捷、有效，各層次之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠;監(jiān)測(cè)功能由所有傳感器分別實(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)監(jiān)控柜采集整理并上傳數(shù)據(jù)至中心站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的全部功能;監(jiān)控功能則依靠監(jiān)測(cè)所得各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判斷是否滿足控制條件，以上位機(jī)運(yùn)算和下發(fā)控制指令、PLC可編程控制柜接收指令并發(fā)出動(dòng)作指令為核心，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的全部功能[1，2]。

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

在監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)方面，系統(tǒng)采用中心站、顯示控制裝置、檢測(cè)傳感器三層結(jié)構(gòu)。一是中心管理層，中心站負(fù)責(zé)管理整個(gè)瓦斯抽采系統(tǒng)中各設(shè)備檢測(cè)的數(shù)據(jù)，承擔(dān)抽放監(jiān)控柜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信、統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)、屏幕顯示、查詢打印和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。二是顯示控制裝置層（分站），承擔(dān)采集現(xiàn)場(chǎng)各傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計(jì)量及操作控制、故障保護(hù)、面板操作、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示和聲光報(bào)警等任務(wù)。三是傳感器層，負(fù)責(zé)采集瓦斯抽采系統(tǒng)中的各種參數(shù)。

2.2 控制結(jié)構(gòu)

在控制結(jié)構(gòu)方面，系統(tǒng)采用上位機(jī)、PLC可編程控制柜、受控設(shè)備三層結(jié)構(gòu)，其中，上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)抽放系統(tǒng)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷控制條件，下發(fā)控制指令，共享控制權(quán)力（實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制）;PLC可編程控制箱集中控制現(xiàn)場(chǎng)所有受控設(shè)備，通過(guò)儲(chǔ)存的程序指令以條件式的判斷精確地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[3];受控設(shè)備包括抽放泵、電動(dòng)閥等。

系統(tǒng)設(shè)備中的本安操作臺(tái)配置一塊25.4cm的觸摸顯示屏，用于本地的參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)查詢。

系統(tǒng)設(shè)備中的PLC控制柜采用西門子1500系列PLC作為核心模塊。

3 傳感器的選型與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)實(shí)施控制的設(shè)備主要有兩種，控制對(duì)象包括瓦斯抽采泵的啟停，電動(dòng)閥的開、關(guān)、停等。人們要利用PLC對(duì)這些閥門進(jìn)行多種方式控制，確保系統(tǒng)高效、可靠、安全地運(yùn)行，降低工人勞動(dòng)量，方便管理。

傳感器采集參數(shù)主要有四類。泵站環(huán)境參數(shù)包括瓦斯泵房環(huán)境瓦斯?jié)舛取h(huán)境溫度等;管路參數(shù)包括管路瓦斯、負(fù)壓、流量和溫度等;工況參數(shù)包括抽放泵開停狀態(tài)、前后軸溫度，閥門開停狀態(tài)和到位狀態(tài)等;供水參數(shù)為循環(huán)水供水狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)路徑如下。一是所有管路閥門均更換為電動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的改造。二是在每個(gè)抽放泵水汽分離裝置水位表位置配備1個(gè)水壓力傳感器，共計(jì)4個(gè);在循環(huán)水泵出水口配備2個(gè)水壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水壓力;在循環(huán)水泵進(jìn)水口配備2個(gè)負(fù)壓傳感器，用于監(jiān)測(cè)循環(huán)水泵的運(yùn)行狀態(tài)。

三是在瓦斯抽放泵循環(huán)進(jìn)水口配備缺水傳感器，防止缺水，共計(jì)4個(gè)。四是在兩個(gè)循環(huán)水池放置水位傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水池水位，當(dāng)水位過(guò)低時(shí)，發(fā)出警告信號(hào)，共計(jì)2個(gè)。五是室內(nèi)瓦斯監(jiān)控，配置2臺(tái)量程為0%～100% LEL的GJC4甲烷傳感器，用于監(jiān)測(cè)抽放泵室內(nèi)瓦斯的含量，防止發(fā)生泄露，共計(jì)2個(gè)。六是室內(nèi)一氧化碳監(jiān)測(cè)，配置2臺(tái)量程為0～1 250mg/m3的GTH1000一氧化碳傳感器，用于監(jiān)測(cè)抽放泵室內(nèi)一氧化碳的含量，防止發(fā)生泄露，共計(jì)2個(gè)。

七是水溫度，在高低溫?zé)崴劾锩娓鞣胖?個(gè)量程為0～100℃溫度傳感器，用于測(cè)量水溫，共計(jì)2個(gè)。八是電機(jī)溫度在線監(jiān)測(cè)，對(duì)抽放泵電機(jī)前后軸、三相定子溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳，并對(duì)允許溫度進(jìn)行設(shè)置，超過(guò)后進(jìn)行報(bào)警提示，便于檢查檢修，配備4個(gè)量程為0～500℃的溫度傳感器。九是報(bào)警提示功能，后臺(tái)監(jiān)控配備音響一套，用于故障報(bào)警提示。十是安裝6臺(tái)球形攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采泵站的視頻實(shí)時(shí)采集及監(jiān)控。

4 系統(tǒng)功能

4.1 控制功能

系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程集控、遠(yuǎn)程單控、就地手動(dòng)等多種控制方式。它具有在調(diào)度中心控制的遠(yuǎn)控功能，可以方便地在調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)各個(gè)瓦斯抽放的啟、停，可實(shí)現(xiàn)抽采管路的自動(dòng)放水功能，也支持瓦斯抽放泵的調(diào)速。

4.2 聯(lián)動(dòng)預(yù)警、告警功能

系統(tǒng)能夠進(jìn)行故障識(shí)別與判斷，并通過(guò)安裝在瓦斯抽放泵室內(nèi)的礦用聲光報(bào)警器，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示操作人員注意，找出并解決故障。

4.3 顯示功能、報(bào)表及打印功能

系統(tǒng)操控軟件包含工藝流程圖總畫面，實(shí)時(shí)顯示整個(gè)瓦斯抽放系統(tǒng)總體運(yùn)行情況和主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)時(shí)參數(shù)。

系統(tǒng)具備報(bào)表生成、存儲(chǔ)、查詢和打印功能，可根據(jù)需要輸出包括設(shè)備工況運(yùn)行報(bào)表、故障報(bào)警實(shí)時(shí)報(bào)表、設(shè)備操作報(bào)告和過(guò)程變量報(bào)告等，保證各種規(guī)范管理的需要。

4.4 歷史曲線查詢功能

對(duì)于重要的系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示和繪制溫度曲線、負(fù)壓曲線、振動(dòng)曲線、效率曲線等圖表，并自動(dòng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以供需要時(shí)及時(shí)查詢。

4.5 視頻監(jiān)控功能、通信功能

系統(tǒng)可以提供實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控信號(hào)，并具備后續(xù)的聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能。同時(shí)，它具有與全礦工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的功能，能夠把瓦斯抽采系統(tǒng)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)、狀態(tài)、故障參數(shù)、故障記錄和報(bào)警情況等數(shù)據(jù)傳輸?shù)降V數(shù)據(jù)服務(wù)器。

4.6 參數(shù)設(shè)置，備份和恢復(fù)

用戶可以根據(jù)自己的系統(tǒng)運(yùn)行情況，設(shè)置系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，為系統(tǒng)報(bào)警提供依據(jù)。除了可以自動(dòng)進(jìn)行軟件的備份和恢復(fù)外，用戶可以手動(dòng)指定文件備份并壓縮，之后手動(dòng)恢復(fù)到需要的軟件平臺(tái)節(jié)點(diǎn)上。

5 結(jié)語(yǔ)

轎子山瓦斯抽采泵站的自動(dòng)化改造，改變了原來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行依靠人工觀察、記錄數(shù)據(jù)、手動(dòng)操作的狀況，通過(guò)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸。上位機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)信息和變化趨勢(shì)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警與報(bào)警，提高了泵站運(yùn)行效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)自動(dòng)記錄開停、故障、歷史曲線等信息，提高了管理效率，對(duì)瓦斯治理具有極大的促進(jìn)作用，進(jìn)一步提高了轎子山煤礦安全生產(chǎn)水平，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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