基于PLC的選煤廠瓦斯實時監控系統設計

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，經過進一步的篩分、破碎、貯存和裝配后完成精煤的產出。在此過程中，原煤由于運輸發生的碰撞、擠壓會導致瓦斯由煤體向外擴散，同時原煤倉、產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控系統對選煤廠瓦斯濃度進行實時監控十分必要[1-4]。

目前國內大部分選煤廠的瓦斯監控多沿用井下瓦斯監控系統，與煤炭選洗過程的配合度較差，且信號傳輸不夠穩定，極易發生瓦斯閉鎖誤動作造成設備停機，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作為主控核心設計了一套適用于選煤廠的瓦斯實時監控系統，采用以太網+CAN總線通信技術對系統通信網絡進行架構，在實現選煤廠瓦斯遠程監測預警的同時可保證對風機的自適應調控，有效提高了選煤廠瓦斯治理的智能化水平。

1 系統設計總體方案

1.1 瓦斯監控系統監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、產品倉及皮帶運輸機轉載點處。原煤倉內堆放了大量未經處理的原煤，這些原煤在皮帶機運輸及入倉過程中發生跌落碰撞，導致煤體內瓦斯釋放，同時倉內空氣流動性差、溫度較高，使得瓦斯進一步擴散并累積在倉頂及上隅角處。產品倉內的精煤已經過選洗處理，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測。在皮帶機轉載點處，當大量原煤在皮帶機運輸走廊各轉載點處下落及破碎時，同樣會造成煤體內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載點處上隅角。由于選煤廠內瓦斯濃度變化率通常較小，廠內通風機如果全天不間斷運行會導致大量電能及設備損耗，因此瓦斯監控系統需具備風機自適應控制功能，當瓦斯濃度超限時及時報警并開啟風機[5-7]，瓦斯監測系統具體功能如下：

(1) 瓦斯濃度實時監測。瓦斯監控系統通過在上述監測點布置的瓦斯傳感器對廠內各主要地點的瓦斯濃度進行實時監測和采集，并通過通信網絡實時上傳至上位機進行顯示并執行相應操作[8]。

(2) 瓦斯濃度超限報警。當上位機所顯示的選煤廠內某地點瓦斯濃度過高超出限值時，監控系統將迅速反應進行報警。

(3) 通風機自適應控制。監控系統可根據瓦斯濃度監測值對通風機進行實時啟?？刂?，監控系統進行超限報警后向井下PLC控制模塊發送風機啟動指令，由PLC控制風機啟動進行通風。當瓦斯濃度降低至正常值時控制風機停機。

(4) 智能化人機交互及數據管理功能。監控系統上位機軟件所搭載的人機交互界面可對選煤廠各監測點的瓦斯濃度數值及曲線進行直觀顯示，同時具備數據存儲、打印以及報警事件記錄等數據管理功能。

1.2 系統總體架構

根據上述對監控系統各監測點及功能的分析，本文對選煤廠瓦斯監控系統的總體結構進行設計，系統總體結構如圖1所示。系統在傳統單控制器監控系統的基礎上采用多個PLC監控分站對不同分布的監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，同時將數據集中匯集至主站中進行進一步上傳，保證了系統工作的效率及可靠性。

圖1 選煤廠瓦斯監控系統總體結構框圖

為了進一步提高監控系統的數據交互性，本系統采用工業以太網+CAN總線的組合通信方式對通信系統進行架構，通信網絡結構如圖2所示。遠程監控中心的上位機與井下PLC主站通過以太網進行通信，上位機控制指令與下位機監測參數通過以太環網進行傳輸。PLC監控主站與各分站通過內部集成的CAN總線接口模塊進行數據傳輸。

圖2 瓦斯監控系統通信網絡結構圖

2 硬件方案設計

瓦斯監控系統的硬件設計主要包括對系統PLC、傳感器模塊及報警器的選型設計。PLC主、從監控模塊是整個監控系統的控制核心，由于本系統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，還需從經濟角度出發選用合適的PLC。綜合二者考量，本文選用西門子S7-300 PLC作為系統主、從監控模塊，S7-300的結構簡單緊湊、通用性較強、成本較低，同時其指令處理速度可滿足本系統需求?？刂破鞯腃PU選用314C-2DP緊湊型主控芯片，其內部自帶集成式數字量、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、主從監控站之間及監控分站至變頻器的數據傳輸需求。為了滿足系統的信號采集量需求，需對PLC主控器的數字量、模擬量及開關量等各類信號傳輸接口進行擴展。本文選用SM321、SM322、SM331、SM332數字、模擬量輸入/輸出接口模塊來保證系統的接口數量，滿足數據傳輸需求。

高精度的瓦斯傳感器是本系統瓦斯監測準確性的重要保障。不同于以往的催化類傳感器，本系統采用SJH型礦用微型紅外瓦斯傳感器對選煤廠煤倉及轉載點處各監測點的瓦斯濃度進行實時監測。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的監控需求。

為了實現對選煤廠通風機的智能控制，本系統采用了KGF2型風量傳感器對通風機的風量參數進行實時采集，從而結合瓦斯濃度對風機電機的轉速進行合理調控。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，可滿足本系統的監控需求。

當選煤廠監測點瓦斯濃度超限時系統將啟動報警程序，本系統采用KXB18礦用本安型聲光報警器實現報警功能。KXB18的工作電壓為12 V DC～24 V DC，采用單調音響方式，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 軟件方案設計

由遠程監控中心的上位機所搭載的監控軟件是完成采煤廠各監測點瓦斯濃度實時顯示、風機自適應啟停遠程控制及瓦斯超限報警等功能的關鍵，系統軟件主要功能包括初始化參數設置、瓦斯濃度在線監測及顯示、風機控制和數據統計查詢功能等，監控系統軟件功能如圖3所示。

圖3 選煤廠瓦斯實時監控系統軟件功能圖

瓦斯監控系統主程序的工作流程是：首先完成系統初始化及自檢，確定系統不存在異常后即對各監測點瓦斯濃度進行實時采集及顯示，當瓦斯濃度超出系統預設范圍時，則進行報警并開啟風機；在此過程中若瓦斯濃度無明顯下降趨勢，則由上位機對PLC主控模塊發出控制指令控制風機增大輸出風量，直至瓦斯濃度回歸至正常范圍內。系統主程序流程如圖4所示。

圖4 瓦斯監控系統主程序流程圖

4 結束語

本文介紹了基于PLC的選煤廠瓦斯實時監控系統的設計，該系統在傳統單控制器選煤廠瓦斯監控系統的基礎上，采用主從控制結構在不同監測點處設置PLC監測分站，并由PLC主控站進行統一管理調配，有效提高了控制精度及運行性能。在通信方面，采用工業以太網+CAN總線組合通信網絡實現整個系統的數據傳輸，保證了數據交互的可靠性及傳輸速率。