基于PLC瓦斯监控系统设计与应用研究.pdf

30/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺0 引言煤炭资源需求量的不断增加，矿井规模也越来越大，煤炭掘进安全问题备受各界人士的广泛关注1。据统计，我国高瓦斯矿井数量约占矿井总数的 60%左右，井下煤炭掘进极为困难，采掘环境错综复杂2-4。随着煤炭资源掘进量的增大，煤炭矿井掘进深度也在逐年深入，瓦斯灾害随之升级5。相关研究表明，我国煤炭矿井顶板事故和瓦斯事故是导致矿工伤亡的主要原因，其中瓦斯事故最让人惊心动魄，故而瓦斯治理问题至关重要6。因此，开展基于 PLC 瓦斯抽采监控系统设计与应用研究，对于降低瓦斯事故，缓解能源紧缺，保障矿工生命财产安全意义重大。1 系统总体结构瓦斯监控系统总体结构组成如图 1 所示，井下瓦斯浓度控制器使用的是 PLC，具有很强的抗干扰能力，能够很好的适应煤矿井下极为恶劣的环境，保证监控系统功能的可靠实现；井上监控中心设置计算机监控系统，通过以太网通信技术实时采集井下监控分站的瓦斯信息，供监控人员实时获取准确可靠数据。实时采集井下瓦斯参数数据的传感器均为防爆传感器，具有能耗小、运行安全、工作可靠的特点；同时，系统配置人性化的监控界面，操作简单、管理性能强大。因此监控系统技术较为先进，具有很好的实用性能。2 硬件设计2.1 PLC 选型监控现场的主控制器选择西门子 S7-300 型号的 PLC，其结构组成主要包括安装导轨、电源模块、CPU、模拟量输入模块、数字量输入模块等。S7-300 系列的 PLC 具有很好的抗干扰能力，在工业领域应用极为广泛，尤其是在环境极为恶劣的工业制造现场。其结构有利于进行分布式的布置，虽然价格较高，但使用过程较为可靠，运维成本较低、功能稳定。因此，瓦斯监控系统选择S7-300 型 PLC 是较为经济合理的。2.2 传感器选型井下瓦斯浓度监测选择型号为 KGY-002A 的智能遥控瓦斯传感器，具备远程遥控功能，实现远程操作功能；井下一氧化碳监测选择的型号为 GTH100/500 煤矿用传感器，是进口产品，具有性能和精度稳定可靠的特点；风速传感器选择型号为 GFC-15 的传感器，基于超声波测量原理设计而成，主要用于矿井通风总回风巷、测风站、风机等位置风速的监测；设备启停状态监测传基于PLC瓦斯监控系统设计与应用研究王文明（山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司，山西临汾 042105）摘要：针对某煤炭企业瓦斯浓度调整影响井下生产作业的问题，开展了基于 PLC 的瓦斯监控系统设计，结果表明，该设计够实现井下瓦斯相关参数的实时监测与控制，彻底解决了瓦斯浓度调整影响井下生产作业的问题。统计显示，监控系统的应用颠覆了事后处理井内瓦斯气体参数的现状，节省了瓦斯抽排时间，提高了煤炭井下作业的时间和效率，可为煤炭企业创造更多的经济效益。关键词：PLC；瓦斯；监控系统；设计；应用图1 瓦斯监控系统结构组成监控中心计算机以太网交换机交换机交换机PLCPLC触摸屏触摸屏执行器执行器变送器变送器监控中心现场操作平台监控现场2023.7 矿业装备/31感器型号为 GKT-L 传感器，负责采集井下风机、刮板输送机、水泵等设备的运行状态；风门开闭状态监测传感器选择型号为 GFK-L 传感器，用于监测矿井主要风门开关状态，属于磁性驱动的位置开关传感器，适用于瓦斯及煤尘爆炸危险矿井中使用。3 软件设计3.1 主程序设计基于 PLC 瓦斯监控系统软件运行的主程序如下：首先启动监控系统，进行系统上电并初始化系统；之后采集井下参数数据，进行数模转换得到数字量信号实时显示在人机交互界面；完成瓦斯浓度的分析预测，确定各个子程序及监测数据是否达到了报警阈值，如果超出阈值发出瓦斯浓度超标报警，证明井下瓦斯浓度满足正常工作要求。3.2 数据采集子程序数据采集程序是瓦斯监控系统实现监测功能的基础，系统采集的数据包括瓦斯气体的浓度、一氧化碳浓度和温度等。瓦斯浓度和一氧化碳浓度采集信号为电压信号，温度采集信号为频率模拟量信号。监测系统采集得到的浓度电压信号和温度频率信号均需传输至数模转换模块进行处理，得到对应的数字量信号，传输至 PLC 控制器进行分析处理，最终传输至人机交互界面进行实时显示。数据釆集子程序如图 2 所示。3.3 超限报警子程序瓦斯监控系统实时采集井下瓦斯气体的浓度、一氧化碳气体的浓度和温度等信息，通过对上述采集得到的模拟量数据进行数字量和模拟量转换，得到数字量信息，传输至 PLC 控制器进行分析处理。控制器对比分析采集得到的实时数据与超限阈值之间的大小，当采集得到的实时数据大于报警超限阈值时，系统将会发出声光报警，并将报警信息传输至地面监控中心的人机交互界面，供监控人员查看并确认超限问题解决之后取消报警；如果实时采集得到的瓦斯气体数据小于报警阈值，则证明井下瓦斯浓度满足生产作业要求，井下无瓦斯事故危险，可以正常运行。3.4 CAN通信子程序设计为了确保瓦斯监控系统工作过程中数据传输的准确性，系统引入了逐一比较方式的控制模式，以得到准确无误的数据信息。系统串口通信使用查询方式，采用技术较为先进的 CAN 总线进行通信。CAN 总线通信子程序如图 3 所示，通信系统开始工作时，允许 CAN 总线系统向上位机进行数据传输，同时也允许 CAN 总线系统接收上位机发送过来的控制信息，实现人机交互。系统自动判断 CAN 总线发送的数据和接收的数据是否一致，若两者一致，则执行系统的程序；若系统识别两者不一致，则经过 CAN 总线再次向上位机发送信息确认指令，至此CAN 总线通信系统功能完成。3.5 上位机3.5.1 上位机结构工业监控系统中不仅包括硬件和软件，上位机也是其重要组成部分，具备操作简单、直观查看和动态显示等功能。上位机可以与 PLC 等控制器直接进行数据传图2 数据采集模块子程序图3 通信程序流程a 电压信号采集流程b 频率信号采集流程向上位机发送确认指令向上位机发送数据接收上位机数据允许CAN发送允许CAN发送允许CAN接收发送与接收数据一致PLC的频率信号模块PLC的模拟量信号模块PLCPLC结束结束结束200-1000Hz频率信号0-10V电压信号温度传感器甲烷、CO传感器开始开始主程序开始32/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺输。监控人员能够通过上位机及时获取井下瓦斯相关数据，也可以根据实际情况进行远程操控，及时处理井下瓦斯浓度等带来的潜在危险。上位机还具有数据存储功能，能够保存井下瓦斯相关数据，需要时可以生成并显示历史数据。上位机系统结构如图 4 所示。3.5.2 上位机监控系统的建立步驟第一，进行图形界面的设计，组态网内具有较为丰富的图库和开发工具，还有各种操作按钮等，直接进行调用即可。第二，进行数据库的建立，是实现上下位机数据通信的纽带，包括实时数据和历史数据。可以实时采集井下瓦斯的含量、温度、压力等，实时显示在上位机，历史数据用于系统异常时候的查询。第三，进行动画连接，实现界面图像与变量直接的联系，达到变量动态监测的效果。第四，进行运行与调试，确定上位机能够满足人机交互和远程控制功能。3.5.3 界面功能设计人机交互界面作为瓦斯监控系统监控人员与井下瓦斯浓度等参数的交互界面，承担着实时显示井下瓦斯数据的工作，监控人员还可以通过人机交互界面远程控制井下瓦斯处理设备。为了提高监控系统操作的可靠性，系统设计登录界面，设计登录权限，只有具有权限的人才能操作监控系统。界面中瓦斯监控系统设计了浓度监控界面，实时显示瓦斯浓度、井下风速等，监控人员能够及时获取井下环境情况。若收到瓦斯浓度超限报警，能够及时处理解决。为了便于问题原因的排查，监控系统配置存储功能，能够实时存储井下环境数据，需要时可以调取查阅，获取需要的历史瓦斯浓度变化数据。4 应用效果评价为了验证瓦斯监控系统的设计效果，将其应用于某煤矿企业进行试运行，并跟踪记录监控系统运行情况。在监控系统投入适用的三个月时间内，系统运行稳定可靠，实现了井下瓦斯监控的功能。统计结果显示，相较于无瓦斯监控系统，监控系统的应用能够实时监测井下瓦斯参数，监控人员可以根据实时显示的瓦斯浓度参数变化趋势，通过人机交互界面远程调整井下通风系统，及时降低井下瓦斯浓度，保证井下环境的安全。监控系统的引入，改变了瓦斯浓度超标的事后处理模式，不需要停止井下工作的条件下实现井下瓦斯参数的实时调控，平均每月节省瓦斯抽排时间尽 2 天，保证了煤炭企业的煤炭产量和效率，预计能够为煤炭企业新增经济效益 20 万元/年，取得了很好的应用效果。5 结束语瓦斯作为煤炭企业时刻警惕的关键事故因素，备受煤炭行业关注。针对某煤炭企业瓦斯浓度调整影响井下生产作业的问题，开展了基于 PLC 的瓦斯监控系统设计。应用结果表明，监控系统的应用能够实现井下瓦斯相关参数的实时监测与控制。统计结果显示，监控系统的应用，改变了事后处理井内瓦斯气体参数的现状，能够节省 2 天井下瓦斯抽排时间，降低煤炭成本，保证煤炭企业的运行时间，彻底解决了瓦斯浓度调整影响井下生产作业的问题，能为煤炭企业新增经济效益 20 万元/年。参考文献1 李勇.基于 S7-1200PLC 和 WinCC 的瓦斯抽采监控系统 J.电气自动化,2020,42(4):66-68.2 王姣.基于 PLC 技术的瓦斯抽采系统研究 J.内蒙古石油化工,2019,45(5):82-84.3 谢旭.基于 PLC 的瓦斯抽采监控系统研究 J.科技视界,2020(17):3.4 郭路鹏.低流速瓦斯抽采监测系统的设计与应用 J.江西煤炭科技,2021(1):208-210.5 宋志强.基于 PLC 控制的矿井中瓦斯抽放安全监控系统改进研究 J.自动化应用,2020(7):33-35.6 李敏.煤矿在线瓦斯抽采管网监控系统设计及应用 J.能源与节能,2019(5):182-183+186.图4 上位机系统结构组态软件后台运行组态画面中央处理器井下PLC路由转换器