基于PLC的選煤廠瓦斯實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

于 陽

(山西焦煤 西山煤電 西銘選煤廠，山西 太原 030052)

0 引言

瓦斯爆炸在所有煤礦安全事故中的占比高達80%左右，是造成傷亡最大、危害最嚴重的煤礦事故災害。瓦斯爆炸不僅會發(fā)生在井下，用于原煤選洗的選煤廠也是瓦斯爆炸事故的高發(fā)地點。由井下采掘的原煤會通過帶式輸送機運送至選煤廠的原煤倉中，經(jīng)過進一步的篩分、破碎、貯存和裝配后完成精煤的產(chǎn)出。在此過程中，原煤由于運輸發(fā)生的碰撞、擠壓會導致瓦斯由煤體向外擴散，同時原煤倉、產(chǎn)品倉等貯存地點的通風性較差，造成瓦斯進一步聚集，從而帶來嚴重的安全隱患。因此采用專用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)對選煤廠瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)控十分必要[1-4]。

目前國內(nèi)大部分選煤廠的瓦斯監(jiān)控多沿用井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，與煤炭選洗過程的配合度較差，且信號傳輸不夠穩(wěn)定，極易發(fā)生瓦斯閉鎖誤動作造成設(shè)備停機，使得選煤廠工作效率及安全性無法得到有效保證。針對上述問題，本文采用PLC作為主控核心設(shè)計了一套適用于選煤廠的瓦斯實時監(jiān)控系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)+CAN總線通信技術(shù)對系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進行架構(gòu)，在實現(xiàn)選煤廠瓦斯遠程監(jiān)測預警的同時可保證對風機的自適應調(diào)控，有效提高了選煤廠瓦斯治理的智能化水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計總體方案

1.1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測點分布及功能分析

通常選煤廠的瓦斯大量聚集在空間密閉、溫度較高、堆煤量較多的地點，主要包括選煤廠原煤筒倉、緩沖倉、產(chǎn)品倉及皮帶運輸機轉(zhuǎn)載點處。原煤倉內(nèi)堆放了大量未經(jīng)處理的原煤，這些原煤在皮帶機運輸及入倉過程中發(fā)生跌落碰撞，導致煤體內(nèi)瓦斯釋放，同時倉內(nèi)空氣流動性差、溫度較高，使得瓦斯進一步擴散并累積在倉頂及上隅角處。產(chǎn)品倉內(nèi)的精煤已經(jīng)過選洗處理，但其煤體仍會釋放部分瓦斯，同樣聚集在倉頂及上隅角處，也需要對其濃度進行實時監(jiān)測。在皮帶機轉(zhuǎn)載點處，當大量原煤在皮帶機運輸走廊各轉(zhuǎn)載點處下落及破碎時，同樣會造成煤體內(nèi)瓦斯釋放并聚集在上隅角處。

通過以上分析得知，瓦斯的主要聚集點集中在選煤廠各煤倉倉頂、上隅角及皮帶運輸走廊轉(zhuǎn)載點處上隅角。由于選煤廠內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓释ǔ］^小，廠內(nèi)通風機如果全天不間斷運行會導致大量電能及設(shè)備損耗，因此瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)需具備風機自適應控制功能，當瓦斯?jié)舛瘸迺r及時報警并開啟風機[5-7]，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)具體功能如下：

(1) 瓦斯?jié)舛葘崟r監(jiān)測。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)通過在上述監(jiān)測點布置的瓦斯傳感器對廠內(nèi)各主要地點的瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)測和采集，并通過通信網(wǎng)絡(luò)實時上傳至上位機進行顯示并執(zhí)行相應操作[8]。

(2) 瓦斯?jié)舛瘸迗缶?。當上位機所顯示的選煤廠內(nèi)某地點瓦斯?jié)舛冗^高超出限值時，監(jiān)控系統(tǒng)將迅速反應進行報警。

(3) 通風機自適應控制。監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測值對通風機進行實時啟?？刂?，監(jiān)控系統(tǒng)進行超限報警后向井下PLC控制模塊發(fā)送風機啟動指令，由PLC控制風機啟動進行通風。當瓦斯?jié)舛冉档椭琳Ｖ禃r控制風機停機。

(4) 智能化人機交互及數(shù)據(jù)管理功能。監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件所搭載的人機交互界面可對選煤廠各監(jiān)測點的瓦斯?jié)舛葦?shù)值及曲線進行直觀顯示，同時具備數(shù)據(jù)存儲、打印以及報警事件記錄等數(shù)據(jù)管理功能。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)上述對監(jiān)控系統(tǒng)各監(jiān)測點及功能的分析，本文對選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)在傳統(tǒng)單控制器監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用多個PLC監(jiān)控分站對不同分布的監(jiān)測點進行獨立的信號采集及控制，各分站由PLC主站進行集中控制，同時將數(shù)據(jù)集中匯集至主站中進行進一步上傳，保證了系統(tǒng)工作的效率及可靠性。

圖1 選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

為了進一步提高監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互性，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)+CAN總線的組合通信方式對通信系統(tǒng)進行架構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。遠程監(jiān)控中心的上位機與井下PLC主站通過以太網(wǎng)進行通信，上位機控制指令與下位機監(jiān)測參數(shù)通過以太環(huán)網(wǎng)進行傳輸。PLC監(jiān)控主站與各分站通過內(nèi)部集成的CAN總線接口模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件方案設(shè)計

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括對系統(tǒng)PLC、傳感器模塊及報警器的選型設(shè)計。PLC主、從監(jiān)控模塊是整個監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，由于本系統(tǒng)所涉及到的控制量及信號采集量較少，因此在保證主控模塊運算速度及精度的同時，還需從經(jīng)濟角度出發(fā)選用合適的PLC。綜合二者考量，本文選用西門子S7-300 PLC作為系統(tǒng)主、從監(jiān)控模塊，S7-300的結(jié)構(gòu)簡單緊湊、通用性較強、成本較低，同時其指令處理速度可滿足本系統(tǒng)需求。控制器的CPU選用314C-2DP緊湊型主控芯片，其內(nèi)部自帶集成式數(shù)字量、模擬量輸入輸出接口及多個RS485、CAN總線接口及組合MPI/Profibus DP接口，可滿足上位機至主控站、主從監(jiān)控站之間及監(jiān)控分站至變頻器的數(shù)據(jù)傳輸需求。為了滿足系統(tǒng)的信號采集量需求，需對PLC主控器的數(shù)字量、模擬量及開關(guān)量等各類信號傳輸接口進行擴展。本文選用SM321、SM322、SM331、SM332數(shù)字、模擬量輸入/輸出接口模塊來保證系統(tǒng)的接口數(shù)量，滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。

高精度的瓦斯傳感器是本系統(tǒng)瓦斯監(jiān)測準確性的重要保障。不同于以往的催化類傳感器，本系統(tǒng)采用SJH型礦用微型紅外瓦斯傳感器對選煤廠煤倉及轉(zhuǎn)載點處各監(jiān)測點的瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)測。SJH的CH4含量測量范圍為0～5%Vol和0～100%Vol兩個可選量程，其響應時間≤20 s，檢測精度分別為0～1%Vol時≤±0.06%Vol、1Vol～100%Vol時≤真實值的±6%，其工作溫度為-40 ℃～70 ℃，防爆等級為Exia II C T4 Ga，該傳感器在測量性能及可靠性方面均滿足了本系統(tǒng)的監(jiān)控需求。

為了實現(xiàn)對選煤廠通風機的智能控制，本系統(tǒng)采用了KGF2型風量傳感器對通風機的風量參數(shù)進行實時采集，從而結(jié)合瓦斯?jié)舛葘︼L機電機的轉(zhuǎn)速進行合理調(diào)控。KGF2的風速測量范圍為0.3 m/s～15 m/s，其允許最大誤差為±0.3 m/s，輸出信號為標準4 mA～20 mA/1 mA～5 mA電流信號及200 Hz～1 000 Hz/5 Hz～15 Hz頻率信號，可滿足本系統(tǒng)的監(jiān)控需求。

當選煤廠監(jiān)測點瓦斯?jié)舛瘸迺r系統(tǒng)將啟動報警程序，本系統(tǒng)采用KXB18礦用本安型聲光報警器實現(xiàn)報警功能。KXB18的工作電壓為12 V DC～24 V DC，采用單調(diào)音響方式，音響頻率為1 Hz，信號響度≥85 dB(A)，光信號在黑暗中20 m處清晰可見。

3 軟件方案設(shè)計

由遠程監(jiān)控中心的上位機所搭載的監(jiān)控軟件是完成采煤廠各監(jiān)測點瓦斯?jié)舛葘崟r顯示、風機自適應啟停遠程控制及瓦斯超限報警等功能的關(guān)鍵，系統(tǒng)軟件主要功能包括初始化參數(shù)設(shè)置、瓦斯?jié)舛仍诰€監(jiān)測及顯示、風機控制和數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢功能等，監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能如圖3所示。

圖3 選煤廠瓦斯實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能圖

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主程序的工作流程是：首先完成系統(tǒng)初始化及自檢，確定系統(tǒng)不存在異常后即對各監(jiān)測點瓦斯?jié)舛冗M行實時采集及顯示，當瓦斯?jié)舛瘸鱿到y(tǒng)預設(shè)范圍時，則進行報警并開啟風機；在此過程中若瓦斯?jié)舛葻o明顯下降趨勢，則由上位機對PLC主控模塊發(fā)出控制指令控制風機增大輸出風量，直至瓦斯?jié)舛然貧w至正常范圍內(nèi)。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文介紹了基于PLC的選煤廠瓦斯實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)單控制器選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用主從控制結(jié)構(gòu)在不同監(jiān)測點處設(shè)置PLC監(jiān)測分站，并由PLC主控站進行統(tǒng)一管理調(diào)配，有效提高了控制精度及運行性能。在通信方面，采用工業(yè)以太網(wǎng)+CAN總線組合通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)交互的可靠性及傳輸速率。