基于PLC的選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

夏國華

（同煤集團(tuán)大友選煤有限責(zé)任公司，山西大同 037001）

0 引言

煤炭在開采運輸過程中，由于外部壓力、溫濕度等作用，部分瓦斯氣體由內(nèi)部釋放，游離于煤炭表面［1］。當(dāng)煤炭儲存在選煤廠煤倉時，處于封閉狀態(tài)，瓦斯氣體大量聚集，直至超出危險濃度范圍，引發(fā)安全事故，對選煤廠的安全生產(chǎn)與工人的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅［2－3］。因此，設(shè)計一種可靠的選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)十分重要，不僅需要實時采集各觀測點瓦斯?jié)舛刃盘?，判斷是否超限，同時要監(jiān)測和控制主風(fēng)機與備用風(fēng)機的運行狀態(tài)，及時并準(zhǔn)確地實現(xiàn)通風(fēng)閉鎖功能［4－5］。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體研究與設(shè)計

1.1 選煤廠瓦斯?jié)舛确治?/h3>

選煤廠主要功能是對煤炭進(jìn)行分選，去除原煤中的雜質(zhì)，將煤炭分為不同規(guī)格、不同用途的產(chǎn)品。煤炭通常深埋于地下，經(jīng)過長期碳化過程，滋生出大量瓦斯，并吸附于煤炭，其中一部分瓦斯在開采運輸過程中，受到碰撞、擠壓、摩擦等外力，緩慢釋放出來，另一部分瓦斯在煤炭洗選儲存過程中大量釋放并積聚，因此選煤廠發(fā)生過很多瓦斯爆炸事故［6－7］。

由于瓦斯的質(zhì)量濃度低于空氣，煤倉內(nèi)釋放的瓦斯大量積聚于煤倉頂部和上存量與儲存時間的增加，瓦斯釋放量逐漸增大，積聚于煤倉頂部和上偶角。對于精煤倉與轉(zhuǎn)載點而言，煤炭洗選過程已經(jīng)將一部分瓦斯釋放，但是由于精煤相較原煤的顆粒度較小，瓦斯釋放速度高于原煤，所以精煤倉與轉(zhuǎn)載點同樣會有瓦斯積聚，需要進(jìn)行監(jiān)測防護(hù)［8］。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)與井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)有很大區(qū)別，井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在檢測到瓦斯?jié)舛瘸迺r，實現(xiàn)斷電閉鎖功能，自動切斷除風(fēng)機外的所有設(shè)備電源，根據(jù)超限位置，確定開啟礦井主通風(fēng)機或局部通風(fēng)機。礦井瓦斯監(jiān)控模式并不適用于選煤廠，在煤炭轉(zhuǎn)入煤倉的過程中，煤體與空氣流動性較大，煤倉內(nèi)的瓦斯?jié)舛扔泻艽蟮牟▌?，在瞬間會超出瓦斯?jié)舛乳撝担藭r并不會發(fā)生安全事故，如果設(shè)置斷電閉鎖，會限制選煤廠的正常生產(chǎn)活動。

根據(jù)選煤廠設(shè)備與瓦斯監(jiān)控需求，監(jiān)控系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能包括原煤倉與精煤倉中瓦斯?jié)舛取囟?、風(fēng)速等信號的檢測、傳輸、存儲與顯示；煤倉瓦斯?jié)舛瘸迗缶蛿嚯姽δ?，并及時啟動風(fēng)機；控制器與上位機之間采用以太網(wǎng)通訊，傳感器與控制器之間通過RS485通信；風(fēng)機包括主風(fēng)機與備用風(fēng)機，主風(fēng)機故障情況下，具備自動切換功能。

監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，系統(tǒng)按功能與位置分為遠(yuǎn)程監(jiān)控層、中間控制層與終端設(shè)備層。遠(yuǎn)程監(jiān)控層包括上位機、遠(yuǎn)程監(jiān)控機等外圍設(shè)備，負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)控與監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的協(xié)調(diào)。中間控制層包括中心控制器與網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備，負(fù)責(zé)監(jiān)測信號的處理、通風(fēng)機的自動控制與數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)換傳輸功能。終端設(shè)備層包括主副通風(fēng)機、變頻器、各煤倉的信號傳感器等設(shè)備，負(fù)責(zé)煤倉內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸、瓦斯?jié)舛瘸耷闆r下的通風(fēng)閉鎖功能。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型設(shè)計

2.1 控制器與上位機選型

中間控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測信號的處理、通風(fēng)機的自動控制等功能，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求與輸入輸出端口的需求，本系統(tǒng)選擇的中間控制器為西門子S7－300系列PLC控制器。S7－300結(jié)構(gòu)緊湊，各功能模塊集成多種接口，具有抗干擾能力強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，適合選煤廠的工作環(huán)境?？刂破鰿PU型號為CPU315－2DP，單條指令運行速度0.1μs；電源模塊為PS307，輸入電壓交流220 V，輸出電壓直流24 V；通信模塊CP343－1，用于工業(yè)以太網(wǎng)的通信連接，支持計算機、觸摸屏等在線編程；上位機選用IPC－610H工控機，通過人機交互界面向中間控制器發(fā)出指令，同時實現(xiàn)調(diào)度室內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中調(diào)控。

2.2 傳感器設(shè)計布置

根據(jù)選煤廠工作環(huán)境，以傳感器工作溫度、采集精度、抗干擾能力、使用壽命等因素，對監(jiān)控系統(tǒng)所需要的傳感器進(jìn)行選型設(shè)計。

甲烷傳感器選用電阻式半導(dǎo)體傳感器MQ－2，供電電壓5 V，通過旋轉(zhuǎn)數(shù)字電位器控制傳感器對甲烷氣體濃度的靈敏度。其原理如圖2所示。當(dāng)甲烷濃度未超過傳感器預(yù)設(shè)值時，數(shù)字接口輸出低電平，模擬接口為低電平；當(dāng)甲烷濃度超過傳感器預(yù)設(shè)值時，數(shù)字接口輸出高電平，模擬接口的輸出電壓隨著甲烷濃度的升高而增大。根據(jù)煤倉內(nèi)瓦斯氣體的空間分布特征，傳感器應(yīng)布置在溜槽下料口附近、煤倉設(shè)備層?xùn)|西兩側(cè)，距離墻壁1 m左右。

圖2 甲烷傳感器原理

煤倉風(fēng)速傳感器選用GFC－15超聲波風(fēng)速傳感器，具有遠(yuǎn)程紅外調(diào)試功能，工作電壓DC8～24 V，可連續(xù)監(jiān)測0.3～15 m／s的風(fēng)速，測量誤差小于或等于0.3 m／s，輸出信號頻率為200～1 000 Hz。設(shè)備開關(guān)傳感器選用GKT－L啟停狀態(tài)傳感器，用于監(jiān)測皮帶運輸機、破碎機、水泵等設(shè)備的啟停狀態(tài)。GKT－L工作電壓DC9～21 V，測量范圍0～5 kPa。

2.3 風(fēng)機與報警器選型

煤倉通風(fēng)機選用BT35－11防爆軸流式風(fēng)機，具有噪聲低、效率高的優(yōu)點。電機為隔爆電機，工作溫度需低于65℃。改風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速1 450 r／min，額定風(fēng)量18 250 m3／h，最大風(fēng)壓300 Pa，額定功率2.2 kW。風(fēng)機安裝于煤倉頂部，同時在設(shè)備層兩側(cè)設(shè)置通風(fēng)口。

煤倉報警器選用KXH18礦用聲光報警器，具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的優(yōu)點，可懸掛于煤倉墻壁，使用過程中不需要調(diào)校，使用便捷。KXH18報警器輸入電壓DC12～18 V，數(shù)據(jù)傳輸最大距離2 km，報警響聲85 dB，報警光源可輻射20 m。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件的主程序流程如圖3所示。在系統(tǒng)初始化與自檢結(jié)束后，操作人員向系統(tǒng)輸入瓦斯氣體的報警閾值，在檢測到串口有效標(biāo)志位后，開始數(shù)據(jù)采集，通過與預(yù)設(shè)值比較，當(dāng)采集濃度值超過預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)報警，運行風(fēng)機控制模塊。風(fēng)機自動控制采用冗余設(shè)計，當(dāng)檢測到風(fēng)機故障后，自動切換備用風(fēng)機，風(fēng)機的變頻控制采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)，通過監(jiān)測煤倉風(fēng)速、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，實現(xiàn)風(fēng)機的自動控制，當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定值時，風(fēng)機進(jìn)入低速運轉(zhuǎn)，降低運行功耗。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件主程序流程

4 結(jié)束語

本文針對選煤廠設(shè)計了一種基于PLC的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)測原煤倉與精煤倉的瓦斯氣體濃度等參數(shù)，并實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的自動控制功能。系統(tǒng)融合瓦斯監(jiān)測與風(fēng)機自動控制功能，提高了選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能力與自動化水平，相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，風(fēng)機響應(yīng)速度提高了2 s，減少了不必要的通風(fēng)時間，為公司節(jié)約了能源。