謝旭

摘 要

在井下煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)中引入PLC智能控制技術(shù)，利用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對抽采管路的內(nèi)CH4濃度、C2H4濃度、CO濃度、流量、負(fù)壓、溫度等參數(shù)的采集，建立其邏輯控制集合，控制井下防爆抽采泵、主管道負(fù)壓控制閥等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。另外，地面數(shù)字化平臺也可以遠(yuǎn)程在線控制現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能化無人值守，通過該監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了運(yùn)行設(shè)備的可靠性，實(shí)現(xiàn)了瓦斯智能化、高效率抽采，在確保安全生產(chǎn)的前提下實(shí)現(xiàn)煤炭資源的合理化高效利用。

關(guān)鍵詞

瓦斯抽采;PLC;系統(tǒng)設(shè)計(jì);數(shù)字化平臺

中圖分類號： TD712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 05

Abstract

PLC intelligent control technology is introduced into the underground coal mine gas extraction system， and PLC technology is used to collect the CH4 concentration， C2H4 concentration， CO concentration， flow rate， negative pressure， temperature and other parameters in the extraction pipeline. The logical control set is established to control the operation state of the equipment such as the explosion-proof extraction pump and the negative pressure control valve of the main pipeline.In addition， the ground digital platform can also remotely control the field equipment online to realize intelligent unattended operation. Through the application of the monitoring system， the reliability of the operating equipment is improved， the gas is intelligent and efficient extraction is realized， and the rational and efficient utilization of coal resources is realized on the premise of ensuring safe production.

Key words

Gas extraction; PLC; System design; Digital platform

0 引言

在我國諸多煤礦事故中，煤礦瓦斯事故對我國煤礦安全高效的生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙，也威脅到人民的生命財產(chǎn)安全。根據(jù)國家部分?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，煤礦安全事故的70%與瓦斯有關(guān)，瓦斯事故造成的人員傷亡占重大煤礦事故造成人員傷亡的90%。煤礦瓦斯事故也是煤礦事故中傷亡人數(shù)最多、影響范圍最廣、最嚴(yán)重的事故之一。同時，我國高瓦斯礦井占到50%～70%，隨著開采深度的增加，煤儲層瓦斯含量和瓦斯壓力不斷增大，抽采率低、抽采自動化智能化低的現(xiàn)狀大大限制了井下瓦斯工業(yè)的發(fā)展，造成每年大量的瓦斯資源大量排空浪費(fèi)。針對這一現(xiàn)狀，提出了基于PLC的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)研究，使得瓦斯抽采自動化、智能化大大提升，為井下瓦斯抽采提供了安全保障。

1 瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)工作原理

井下CH4濃度傳感器、C2H4濃度傳感器、CO濃度傳感器、流量傳感器、管道負(fù)壓傳感器、溫度傳感器等設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給井下分站中PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理，控制井下防爆抽采泵、主管道負(fù)壓控制閥等設(shè)備的調(diào)速、開停，同時發(fā)出告警信號，并將數(shù)據(jù)和監(jiān)控結(jié)果通過光纖傳輸和MODBUS通訊傳輸?shù)降孛鏀?shù)字化平臺顯示出來，大大提高了瓦斯抽采系統(tǒng)的智能化和可靠性。

1.2 PLC控制結(jié)構(gòu)

該瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)需連接多種傳感器采集多種不同數(shù)據(jù)，同時要控制抽采泵、負(fù)壓控制閥門的工作狀態(tài)，涉及的井下設(shè)備使用頻率高、執(zhí)行動作準(zhǔn)確性強(qiáng)，要求控制器在執(zhí)行動作上具有高可靠性和穩(wěn)定性，因此選擇PLC作為中央控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的分析處理，控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。井下傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過本安隔離板傳輸給PLC控制器，PLC控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)分析做出判斷后，控制設(shè)備啟停箱，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的具體操作。

1.3 井下分站軟件設(shè)計(jì)

井下分站中的PLC控制系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。將C2H4氣體設(shè)置為系統(tǒng)停止抽采的標(biāo)志性氣體，CO氣體濃度安全值設(shè)置為60ppm，抽采管道瓦斯溫度安全值設(shè)置為不超過70℃，建立表1邏輯控制集合。

PLC井下分站的軟件設(shè)計(jì)采用梯形圖語言編寫井下分站監(jiān)控軟件程序，實(shí)現(xiàn)對瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、換算、控制，并于地面數(shù)字化平臺保持實(shí)時通訊，上傳井下數(shù)據(jù)、接受數(shù)字化平臺控制命令。井下監(jiān)控分站軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2。

2 瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括CH4濃度傳感器、C2H4濃度傳感器、CO濃度傳感器、流量傳感器、管道負(fù)壓傳感器、溫度傳感器、負(fù)壓控制閥、防爆抽采泵、井下分站機(jī)箱，其中井下分站機(jī)箱主要包含電源與PLC。該監(jiān)控系統(tǒng)的工作面需要包含數(shù)個分站和一個總站，每個分站監(jiān)測并控制每個抽采單元，同時將抽采參數(shù)以有線光纖傳輸方式傳輸?shù)娇傉?，每個單元的抽采參數(shù)由總站顯示并將整個工作面的瓦斯抽采參數(shù)實(shí)時傳輸至地面。傳感器部分負(fù)責(zé)采集抽采管路內(nèi)各類參數(shù)數(shù)據(jù)，并且將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至地面總站。總站通過地面數(shù)字化平臺顯示井下各個抽采分區(qū)的瓦斯抽采參數(shù)。PLC與上位機(jī)是經(jīng)過光纖傳輸和MODBUS通信協(xié)議來實(shí)通訊。地面數(shù)字化平臺監(jiān)控中心通過Visual Studio 2017開發(fā)環(huán)境下用C#進(jìn)行搭。

3 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

井下傳感器采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過井下傳輸至地面數(shù)字化平臺監(jiān)控中心得以顯現(xiàn)。通過數(shù)字化平臺可以發(fā)現(xiàn)，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)個井下分站PLC機(jī)箱組成。同時通過該頁面，也能夠看到井下抽采泵、負(fù)壓控制閥的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)。這些信息既能夠保證監(jiān)控井下設(shè)備運(yùn)行狀況，又能夠確保抽采泵的開停以及實(shí)現(xiàn)負(fù)壓控制閥高低壓的自動轉(zhuǎn)換，提高了瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

4 系統(tǒng)功能

4.1 控制功能

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)具備兩大控制方式，分為遠(yuǎn)程在線控制、就地手動控制。遠(yuǎn)程在線控制即地面數(shù)字化平臺控制中心收到井下傳感器采集的信息后，可以方便地在地面控制中心實(shí)現(xiàn)各個瓦斯抽采單元的啟、停，也支持瓦斯抽放泵的調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)抽采管路的瓦斯排放與通風(fēng)功能。就地手動控制功能，即就地操作井下分站機(jī)箱控制其抽采單元的工況，實(shí)現(xiàn)抽放瓦斯以及通風(fēng)的目的，以保證井下的安全。

4.2 應(yīng)急聯(lián)動預(yù)警、告警功能

系統(tǒng)通過井下安裝的礦用聲光報警器，在出現(xiàn)CH4、CO濃度超限等緊急情況時發(fā)出聲光報警信號，提示工作人員及時處理安全隱患。

4.3 顯示功能、報表及打印功能、歷史曲線查詢功能

地面數(shù)字化平臺實(shí)時顯示整個瓦斯抽放系統(tǒng)總體運(yùn)行情況、主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)時參數(shù)，同時也可完整記錄一些有關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的重要操作，包括操作人、操作時間、操作流程、操作碼等。該系統(tǒng)具備報表生成、存儲、查詢和打印功能，可根據(jù)需要顯示打印設(shè)備工況運(yùn)行報表、故障報警實(shí)時報表、設(shè)備操作報告等，保證各種規(guī)范管理的需要。對于重要的系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)可以實(shí)時顯示和繪制相應(yīng)圖表或曲線，并自動對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以供需要時及時查詢。

5 結(jié)束語

本文基于PLC的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦瓦斯抽采高智能化、自動化，能夠及時有效的預(yù)警與告警，有力的保障了煤礦的安全生產(chǎn)。同時真正地做到了數(shù)字化平臺集中監(jiān)控、優(yōu)化控制、提高監(jiān)控水平與管理效率，對瓦斯治理具有極大的促進(jìn)作用。

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