選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

張國清

（晉能控股煤業(yè)集團信息化中心，山西 大同 037000）

由于煤體本身具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，附著大量瓦斯。在開采、運輸、儲藏、加工過程中，煤體中的瓦斯原有平衡狀態(tài)發(fā)生變化，易造成瓦斯逸出，出現(xiàn)安全隱患。因此在煤炭生產(chǎn)（如選煤）過程中，及時處理瓦斯氣體，尤為重要。解決瓦斯積聚，一方面從源頭考慮，合理規(guī)劃解決煤礦生產(chǎn)過程中的通風(fēng)問題，另一方面運用專業(yè)設(shè)備定位瓦斯超限的具體位置，監(jiān)控其濃度，以精準(zhǔn)采取措施避免積聚。

以瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測預(yù)警為主要內(nèi)容的監(jiān)控系統(tǒng)，關(guān)注瓦斯?jié)舛劝l(fā)展過程，快速預(yù)警采取措施，是杜絕瓦斯事故發(fā)生的強有力手段[1]。

1 選煤廠組成及其瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)基本要求

選煤廠作為煤炭生產(chǎn)加工重要組成部分，主要完成井下原煤輸送、清洗處理、產(chǎn)品外運等工序。結(jié)合選煤廠生產(chǎn)實際，當(dāng)煤倉進行煤體出入倉時，瓦斯逸出量較大，因而原煤倉和產(chǎn)品煤倉相對瓦斯積聚風(fēng)險較高。在矸石倉、煤泥直接外運，瓦斯積聚風(fēng)險相對較低。因此重點需要在選煤廠封閉走廊（含原煤、產(chǎn)品輸送走廊）、封閉廠房，煤倉上下及煤倉內(nèi)安裝瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，并實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊膭討B(tài)監(jiān)控。

作為選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，在設(shè)計中應(yīng)該著重考慮以下幾個因素：

首先，應(yīng)該明確瓦斯傳感器性能、原理等滿足使用要求；其次監(jiān)控點的安裝位置和輻射區(qū)域在滿足安全要求的同時，應(yīng)從選煤廠生產(chǎn)鏈上進行考慮，瓦斯傳感器應(yīng)設(shè)置在儲煤倉口皮帶機頭等位置，禁止將瓦斯傳感器安裝在通風(fēng)口，以確保數(shù)據(jù)真實且有代表性。

其次，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備聲光報警功能，同時監(jiān)測儲煤倉風(fēng)機的運行狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境瓦斯超過限度時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，應(yīng)同時啟動風(fēng)機聯(lián)動功能，保證故障點通風(fēng)正常，降低瓦斯?jié)舛龋瑥亩档捅òl(fā)生的風(fēng)險。

再次，系統(tǒng)應(yīng)注意使用原理不同的傳感器相互搭配，采用冗余設(shè)計，從而確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和以后拓展的需求。

最后，系統(tǒng)設(shè)計本身應(yīng)注意本安、防火等方面的要求，系統(tǒng)本身不應(yīng)為煤炭洗選鏈條帶來不確定危險因素[2]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

基于上述功能要求，設(shè)計如圖1所示的系統(tǒng)框架圖，全系統(tǒng)分為監(jiān)控層和設(shè)備層兩部分，同時設(shè)備層的傳感器按照分站進行劃分，不同分站又由若干節(jié)點組成，由于傳統(tǒng)黑白催化元件瓦斯傳感器長時間運行時存在載體易“中毒”、維護困難等缺點，而激光甲烷傳感器抗干擾能力強、檢測精度高，因此使用激光甲烷傳感器作為本系統(tǒng)測量裝置。當(dāng)某一位置的甲烷傳感器測量出甲烷濃度超限時，相關(guān)節(jié)點CPU發(fā)出聲光報警，同時在CPU的控制下，控制附近的通風(fēng)電機進行工作，與此同時狀態(tài)數(shù)據(jù)通過CAN總線經(jīng)由分站和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器傳輸至服務(wù)器，以便于后臺進行數(shù)據(jù)分析和緊急控制[3]。

圖1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)框架

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 甲烷傳感電路設(shè)計

如圖2所示，甲烷傳感器作為監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，以催化燃燒法為例，其硬件電路包括傳感探頭、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路、CPU、控制電路和輸出電路等。由于傳感器探頭所得到的電壓較小，不能滿足CPU精度的要求，加之小電壓易受外界環(huán)境干擾，因而需要將探頭及電橋由甲烷濃度得到的小電壓進行放大，再輸入CPU進行AD轉(zhuǎn)換，可采用單電源集成放大器AD623。同時為使系統(tǒng)運行誤差降低到最小，采用TL431提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓（2.5 V），有助于A/D轉(zhuǎn)換模塊進行精密轉(zhuǎn)換，同時為實時處理信息，還應(yīng)有較快的轉(zhuǎn)換速度[4]。

圖2 瓦斯傳感器基本組成

與上述催化燃燒法甲烷傳感器不同的是，激光甲烷傳感器利用激光在不同濃度甲烷氣體中吸收規(guī)律，對甲烷濃度做出判斷，驅(qū)動電路驅(qū)動激光器發(fā)出激光，經(jīng)被測甲烷氣體后由光電轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)光強檢測，經(jīng)由放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路等實現(xiàn)甲烷濃度測量和信號輸出。

瓦斯?jié)舛葌鞲衅魇褂玫倪^程中應(yīng)盡量避免火花、電弧的產(chǎn)生，因此本方案選擇用紅外遙控的方式來調(diào)節(jié)傳感器而非按鍵操作。遙控的基本思想：紅外接收器在接收到遙控發(fā)出的編碼后，送給單片機并對其進行解碼，而后對編碼信號進行識別并發(fā)出控制信號，執(zhí)行相應(yīng)操作。利用遙控器主要實現(xiàn)對傳感器的零點修正、精度調(diào)整及報警值、斷電值的設(shè)置。

3.2 輸出電路及通信電路設(shè)計

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，當(dāng)傳感器所處位置的瓦斯?jié)舛瘸^設(shè)定值時，單片機應(yīng)輸出斷電信號，而在采取相應(yīng)措施、濃度降低到一定值時，則應(yīng)該恢復(fù)相關(guān)設(shè)備的供電。報警、斷電及供電時對應(yīng)的瓦斯?jié)舛?，視傳感器具體安裝位置而定。

要實現(xiàn)上述功能，方案采用單片機的IO端口控制開關(guān)量輸出，但由于單片機的I/O口不足以驅(qū)動報警斷電設(shè)備，故需增加驅(qū)動芯片ULN2004A，其每片封裝7個達林頓管，每個管的驅(qū)動電流可達500 mA（最高可達600 mA），輸出電壓50 V，為感性負載集成了抑流二極管，對于較大電流，可以輸出并接使用，便于驅(qū)動輸出電機。

為確保監(jiān)控數(shù)據(jù)安全、快速傳輸，克服外界信號干擾，系統(tǒng)使用CAN總線完成數(shù)據(jù)傳輸，其電路如圖3所示，當(dāng)節(jié)點CPU完成當(dāng)前數(shù)據(jù)采集后，通過CAN通信接口芯片MCP2515完成標(biāo)準(zhǔn)及擴展數(shù)據(jù)幀打包，完成數(shù)據(jù)校驗，并通過電平轉(zhuǎn)換芯片TJA1050完成TTL至CAN的電平轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)收發(fā)無誤，并經(jīng)由分站傳輸至數(shù)據(jù)分析模塊，完成人機交互。

圖3 CAN通信電路設(shè)計

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)工作流程

為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作，確定如圖4所示的主站系統(tǒng)工作流程。系統(tǒng)上電完成后，首先由子節(jié)點讀取存儲區(qū)有關(guān)報警信息等重要內(nèi)容，而后完成系統(tǒng)瓦斯?jié)舛扰袛?，?dāng)系統(tǒng)濃度大于設(shè)定閾值時，需要執(zhí)行斷電功能，通風(fēng)電機啟動，直至瓦斯?jié)舛认陆?，此時恢復(fù)通電；在執(zhí)行上述動作同時發(fā)出聲光報警，當(dāng)此時接收到分站的數(shù)據(jù)請求時，發(fā)送相關(guān)指令；或者CPU接收到遙控器或地面系統(tǒng)的指令時，啟動對應(yīng)的遙控器指令，并將看門狗清零，以確保下一階段新任務(wù)的順利完成。

圖4 系統(tǒng)顯示界面設(shè)計

同時對于儲煤倉風(fēng)機系統(tǒng)來說，為確保瓦斯能夠及時排出，在首次發(fā)生瓦斯超限事件（走廊濃度超過0.3%或者煤倉濃度超過0.4%）時，啟動一臺通風(fēng)設(shè)備進行排風(fēng)；若通風(fēng)設(shè)備投入后，瓦斯?jié)舛纫廊簧仙?，則投入所有設(shè)備，當(dāng)濃度持續(xù)上升至1%時，關(guān)閉洗選主設(shè)備，直至危險解除，方可恢復(fù)正常生產(chǎn)[5]。

4.2 提高系統(tǒng)精度的措施

在傳感器實際使用的過程中，如果在采集濃度后，直接在顯示器進行顯示，會產(chǎn)生比較大的誤差，且單片機等硬件設(shè)備在運行過程中除了元器件自身的差異外也會受到環(huán)境的隨機干擾，故而在濃度數(shù)據(jù)采集后應(yīng)進行必要的的處理。本方案中采用統(tǒng)計學(xué)中的方法，對n次結(jié)果取均值，以減少隨機誤差，達到數(shù)字濾波、防止傳感器誤報警和提高設(shè)備可靠性的效果。本方案中，n取5。

均值濾波優(yōu)點在于對具有隨機干擾的信號進行濾波，因其值上下浮動，會有比較好的濾波效果；不足在于當(dāng)測量的速度較慢或者對系統(tǒng)整體的快速性要求較高時，不適用，浪費單片機隨機存取存儲器（RAM）的空間，因而采用均值濾波法還是較為恰當(dāng)。

5 結(jié)語

在研究選煤廠現(xiàn)場實際和傳感器原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩層結(jié)構(gòu)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，其核心是保證單個傳感器測量精準(zhǔn)，利用激光甲烷傳感器，實現(xiàn)同一節(jié)點的甲烷濃度監(jiān)控，同時對風(fēng)機投入運行時間進行差異化調(diào)整，確保瓦斯?jié)舛仍诎踩秶畠?nèi)。

目前本系統(tǒng)已在馬脊梁礦選煤廠投入運行，該系統(tǒng)對煤倉瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確，上位機界面簡潔，可操作性強，對風(fēng)機的速度控制快速，降低了人工投入，在保證系統(tǒng)安全的前提下，最大限度地降低對生產(chǎn)的影響，有效提高了選煤廠的生產(chǎn)效率和安全性，具有一定的借鑒意義。