選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

池林忠

(山西焦煤 西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲礦選煤廠， 山西 古交 030200)

煤體內(nèi)的吸附態(tài)瓦斯在煤料轉(zhuǎn)運(yùn)至選煤廠煤倉(cāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次跌落破壞，使部分吸附態(tài)瓦斯放散至煤倉(cāng)。當(dāng)煤倉(cāng)內(nèi)的煤料積聚、留存時(shí)間增長(zhǎng)，瓦斯溢出量不斷增加時(shí)，極易造成瓦斯積聚甚至引起瓦斯爆炸[1].由于傳統(tǒng)選煤廠煤倉(cāng)瓦斯控制系統(tǒng)存在運(yùn)行效率低、控制方式落后等問(wèn)題，給選煤廠煤倉(cāng)高效、安全生產(chǎn)帶來(lái)諸多困難。模糊控制、變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，能夠使得風(fēng)機(jī)隨煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛茸兓鴮?shí)現(xiàn)智能變頻調(diào)速，達(dá)到煤倉(cāng)安全生產(chǎn)的目的[2-3].基于模糊控制、變頻調(diào)速技術(shù)提出的選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)煤倉(cāng)瓦斯分布、方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性和適用性，對(duì)促進(jìn)選煤廠高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 煤倉(cāng)瓦斯分析

結(jié)合選煤廠煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及瓦斯放散運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：煤倉(cāng)內(nèi)自然堆積的煤體長(zhǎng)時(shí)間留存后瓦斯溢出并不斷向上聚集，使得煤倉(cāng)頂部及上隅角瓦斯?jié)舛容^高；煤體下落過(guò)程中將煤倉(cāng)內(nèi)的氣體沖散至煤倉(cāng)壁區(qū)域，使得煤倉(cāng)壁區(qū)域瓦斯?jié)舛仍龈?；在給煤機(jī)出煤口以及膠帶機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)，煤體受到強(qiáng)烈攪動(dòng)和破碎，使得該區(qū)域瓦斯?jié)舛壬呙黠@[4].

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為保證煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛仍诎踩秶鷥?nèi)，實(shí)現(xiàn)選煤廠安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，并具備下述功能：1) 實(shí)時(shí)、精確采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)并完成計(jì)算、分析和邏輯處理。2) 根據(jù)煤倉(cāng)內(nèi)實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛龋瑢?shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的智能變頻調(diào)速控制。3) 實(shí)現(xiàn)瓦斯超限聲光報(bào)警，且瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.0%時(shí)，20 m范圍內(nèi)的電氣設(shè)備立即停機(jī)，走廊瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.5%時(shí)，立即切斷非本質(zhì)安全型電源。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，設(shè)計(jì)選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，見(jiàn)圖1.從下到上分別為設(shè)備層、控制層、監(jiān)控層以及管理層。1) 設(shè)備層。由分布在煤倉(cāng)內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⑤S流式風(fēng)機(jī)組成，實(shí)時(shí)采集煤倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛炔?duì)軸流式風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)智能變頻調(diào)速，使得煤倉(cāng)內(nèi)的瓦斯?jié)舛缺３衷诎踩秶畠?nèi)。2) 控制層。由核心控制單元、變頻器組成，核心控制單元對(duì)獲取的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析后實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的變頻控制，使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨煤倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓鴦?dòng)態(tài)、自適應(yīng)變頻調(diào)速。3) 監(jiān)控層。由現(xiàn)場(chǎng)交互式上位機(jī)組成，可通過(guò)上位機(jī)人機(jī)界面查看煤倉(cāng)內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以TCP/IP通訊模式完成數(shù)據(jù)交互[5-6].4) 管理層。由調(diào)度室上位機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)智能變頻調(diào)速算法和人機(jī)交互，以TCP/IP通訊模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)瓦斯控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、運(yùn)行數(shù)據(jù)(包括故障信息)的記錄、存儲(chǔ)、查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢。

圖1 選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能并對(duì)其數(shù)字量、模擬量I/O點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析后，選用西門子CPU315-2DP控制器以及CP243、SM321、SM331、SM322擴(kuò)展模塊組成核心單元，周期性采集煤倉(cāng)各點(diǎn)位瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)，經(jīng)核心單元計(jì)算、判斷、邏輯處理后對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制。

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟x用靈敏性強(qiáng)、精度高、防電磁干擾能力強(qiáng)、防爆防燃GJC4型瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，采用熱催化原理?shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊闹悄軠y(cè)量，具備超限聲光報(bào)警、超限輸出斷電指令等功能。該瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳒y(cè)量0.00～1.00% CH4的基本誤差為±0.10%；測(cè)量1.00%～3.00% CH4的基本誤差為真實(shí)值的10%，滿足選煤廠煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛葴y(cè)量精度要求[7].

選用BT35-11型防爆軸流式風(fēng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)合理、使用安全、通風(fēng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。該風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，額定功率為2.2 kW，額定風(fēng)量為18 250 m3/h，額定風(fēng)壓為300 Pa.

上位機(jī)選用研華的IPC-610 H型工控機(jī)，可在西門子WINCC6.0組態(tài)軟件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)并與CPU315-2DP實(shí)現(xiàn)高效、實(shí)時(shí)通訊。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 算法設(shè)計(jì)

將智能變頻調(diào)速控制引入風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，當(dāng)煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)，利用變頻技術(shù)對(duì)1#、2#風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)調(diào)整，使得煤倉(cāng)實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛仍诎踩秶畠?nèi)。設(shè)計(jì)的煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛瓤刂扑惴驁D見(jiàn)圖2，輸入信號(hào)為煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)值E以及瓦斯?jié)舛茸兓蔈C，輸出信號(hào)為1#、2#風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率U.

圖2 煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛瓤刂扑惴驁D

將E、EC、U進(jìn)行模糊量化，E的模糊子集為{NB,ZO,PB}，EC的模糊子集為{NB,NS,ZO,PS,PB}，U的模糊子集為{ZO,PS,PB}，均采用三角形隸屬度函數(shù)；建立規(guī)則庫(kù)并采用規(guī)則簇描述格式[8-10]；采用Zadeh進(jìn)行模糊推理；采用最大隸屬度法進(jìn)行解模糊化。建立的煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛饶：刂埔?guī)則表見(jiàn)表1.

表1 煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛饶：刂埔?guī)則表

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)PLC程序基于西門子STEP7軟件平臺(tái)，采用ST語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。按照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，PLC程序處理流程見(jiàn)圖3，由系統(tǒng)自檢及初始化模塊、通訊連接建立及維護(hù)模塊、瓦斯傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、風(fēng)機(jī)智能變頻調(diào)速模塊以及故障監(jiān)測(cè)及處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊6部分組成。

1) 系統(tǒng)自檢及初始化模塊用于完成控制系統(tǒng)上電漏電檢測(cè)以及程序中用到的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、內(nèi)存空間以及變量的初始化工作。

2) 通訊連接建立及維護(hù)模塊用于完成核心單元與1#變頻器、2#變頻器CAN總線通訊連接的建立和維護(hù)；完成核心控制單元與監(jiān)控層現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面、與管理層調(diào)度室上位機(jī)的TCP/IP通訊連接的建立和維護(hù)。

圖3 PLC程序處理流程圖

3) 瓦斯傳感器數(shù)據(jù)處理模塊用于周期性采集6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、閾值判斷、超限處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)功能。瓦斯?jié)舛瘸尢幚砹鞒虨椋篴) 選煤廠現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲾?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)達(dá)到1.5%時(shí)，所有設(shè)備立即斷電并觸發(fā)聲光報(bào)警。b) 瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)達(dá)到1.0%時(shí)，準(zhǔn)備車間設(shè)備停車，主洗車間設(shè)備可繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)啟兩臺(tái)風(fēng)機(jī)抽放瓦斯。c) 煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.5%時(shí)，將非本質(zhì)安全型電源斷電，同時(shí)開(kāi)啟一臺(tái)風(fēng)機(jī)抽放瓦斯，若瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)上升，則立即開(kāi)啟第二臺(tái)風(fēng)機(jī)抽放瓦斯。d) 走廊瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.4%時(shí)，開(kāi)啟一臺(tái)風(fēng)機(jī)抽放瓦斯。

4) 風(fēng)機(jī)智能變頻控制模塊用于完成對(duì)1#風(fēng)機(jī)、2#風(fēng)機(jī)的“一拖一”變頻調(diào)速控制。當(dāng)走廊瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.4%或者煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.5%時(shí)，應(yīng)用風(fēng)速、瓦斯?jié)舛入p閉環(huán)模糊控制算法實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著瓦斯?jié)舛茸兓赃m應(yīng)調(diào)速。

5) 故障檢測(cè)及處理模塊用于完成系統(tǒng)故障提示并發(fā)出聲光報(bào)警，直至故障消除。

6) 數(shù)據(jù)處理模塊用于將煤倉(cāng)瓦斯智能控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)經(jīng)TCP/IP通訊上傳至監(jiān)控層的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面以及管理層的調(diào)度室上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

4.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)上位機(jī)程序包括監(jiān)控層的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面以及管理層的調(diào)度室上位機(jī)，均基于WINCC 6.0組態(tài)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。核心單元將控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)經(jīng)TCP/IP通訊傳輸至組態(tài)軟件平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)包解析并與軟件平臺(tái)定義的本地變量關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控界面主要包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)界面、傳感器數(shù)據(jù)界面、風(fēng)機(jī)控制界面、參數(shù)設(shè)置界面、故障報(bào)警及處理界面、數(shù)據(jù)查詢界面等，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、真實(shí)地顯示選煤廠煤倉(cāng)瓦斯控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤倉(cāng)內(nèi)部6個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)了1#、2#風(fēng)機(jī)的模糊變頻控制，能夠?qū)⒚簜}(cāng)瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶畠?nèi)，杜絕了人工檢測(cè)瓦斯?jié)舛纫约笆謩?dòng)控制風(fēng)機(jī)啟停，杜絕了風(fēng)機(jī)24 h運(yùn)行模式；實(shí)現(xiàn)了煤倉(cāng)瓦斯控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的選煤廠煤倉(cāng)智能瓦斯控制系統(tǒng)已經(jīng)在西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲礦選煤廠實(shí)際應(yīng)用。在煤倉(cāng)的東側(cè)(1#監(jiān)測(cè)點(diǎn))、西側(cè)(2#監(jiān)測(cè)點(diǎn))、煤倉(cāng)內(nèi)部(3#監(jiān)測(cè)點(diǎn))以及樓板下方(4#監(jiān)測(cè)點(diǎn))安裝瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎O(jiān)測(cè)煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)變化曲線見(jiàn)圖4.1#—4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛然颈３衷?.2%以下，保證了選煤廠安全運(yùn)行。

圖4 選煤廠煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)變化曲線圖

6 結(jié)束語(yǔ)

將模糊控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)應(yīng)用于選煤廠煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛瓤刂葡到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤倉(cāng)風(fēng)機(jī)隨瓦斯?jié)舛茸兓鴦?dòng)態(tài)、自適應(yīng)調(diào)速，保證煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛仍诎踩撝抵畠?nèi)的情況下提升了煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛瓤刂频闹悄芑?。?shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可有效降低煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛?，確保選煤廠安全、高效及穩(wěn)定生產(chǎn)。