閆 杰

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦選煤廠，太原 030200）

0 引言

在選煤過程中，由井下開采出來的原煤通過皮帶機直接輸送到煤倉中，大量的煤炭堆積在封閉環(huán)境里，由于煤倉的通風性很差，煤體釋放出的瓦斯大量積聚直至超出限值，從而引發(fā)瓦斯爆炸等安全事故。由此可以看出，選煤廠煤倉中瓦斯含量過高極大影響了洗煤作業(yè)安全有效地進行，所以開發(fā)出一套穩(wěn)定性好、測量精度高的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)是很有必要的。傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)控方式是工人通過現(xiàn)場巡檢廠內(nèi)固定的監(jiān)測點來進行定時的測量，這樣的方式不僅測量精度低，滯后性很大，而且對檢測人員的身體也會造成一定傷害。目前許多廠也投入使用了一些瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)，但是系統(tǒng)運行不夠穩(wěn)定，精確度不高，無法實時根據(jù)瓦斯?jié)舛瓤刂骑L機智能啟停，耗電量仍然較大。

本文從系統(tǒng)整體架構(gòu)，硬件組成和軟件設(shè)計3 個部分入手，闡述了本系統(tǒng)的控制原理和過程以及各部分所實現(xiàn)的功能，并以此完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計，最終實現(xiàn)煤倉內(nèi)部和轉(zhuǎn)載點處瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測以及風機智能啟停的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計總體方案

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要需實現(xiàn)以下功能：在固定檢測點處的傳感器可采集甲烷濃度的頻率信號以及電流信號；可實現(xiàn)監(jiān)測點瓦斯體積分數(shù)值模擬量的收集和顯示［1］；系統(tǒng)應(yīng)具有瓦斯?jié)舛冗^高預(yù)警和斷電功能，當某監(jiān)測點瓦斯?jié)舛冗^高引起報警時立刻啟動風機。

按照系統(tǒng)功能對瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計，系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場設(shè)備層、控制層和監(jiān)控管理層3 部分，其中由風機PLC組成的控制層是系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，風機PLC具有相對自主的控制能力，可完成現(xiàn)場控制任務(wù)。

現(xiàn)場設(shè)備層主要由各監(jiān)測點瓦斯?jié)舛葌鞲衅骱头辣L機組成，瓦斯傳感器可將采集到瓦斯?jié)舛刃盘柦?jīng)過放大、轉(zhuǎn)換后變?yōu)轭l率信號輸入至PLC中。

監(jiān)控管理層由人機交互觸摸界面和監(jiān)控上位機、主控PLC組成，上位機主界面主要顯示風機監(jiān)控及運行情況，并包含所有模擬量參數(shù)的顯示，同時還具有歷史數(shù)據(jù)查詢等功能；人機觸摸屏的顯示畫面及功能與集控室監(jiān)控畫面功能基本相似；集控室的主控PLC與風機PLC通過主從站通訊實現(xiàn)信息互通，主控PLC與監(jiān)控上位機通過以太網(wǎng)通訊［2］，可實現(xiàn)對廠內(nèi)所有設(shè)備的控制，同時還可監(jiān)測全廠機電設(shè)備的工作狀態(tài)，掌管全局。圖1所示為監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2 硬件方案設(shè)計及選型

由于選煤廠煤倉及附近屋室及過道內(nèi)瓦斯?jié)舛容^高，所以系統(tǒng)中如風機、傳感器、聲光預(yù)警器等設(shè)備的選取需要滿足隔爆規(guī)范。

風機PLC控制器是本系統(tǒng)的核心部分，本文選用西門子S7-200 可編程控制器，S7-200 PLC體積小巧［3］，價格低廉，擴展性能強大，完全滿足本系統(tǒng)的監(jiān)測、控制需求。PLC 的CPU選擇S7-226，該CPU 采用24V DC 輸入輸出，具有24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出［4］，允許最大擴展7 個I/O模塊，集成多種通訊功能，可實現(xiàn)RS-485、PPI 和MPI 通訊，同時還具有自整定PID、在線編程、數(shù)據(jù)記錄等多種功能。BCNet模塊用于實現(xiàn)控制器和監(jiān)控上位機的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊，具有開放的協(xié)議接口，可對上位機軟件進行二次開發(fā)?？刂破鬟€配有2個EM231模擬量輸入模塊，用于將傳感器收集到的甲烷含量值進行A/D轉(zhuǎn)換［5］。EM277 是S7-200 的一個智能擴展單元，用于實現(xiàn)S7-200 PLC 分控器和S7-300 PLC主控器間的主從站通訊。

甲烷傳感器是現(xiàn)場設(shè)備層的核心，本文選用GJG100J 型礦用激光甲烷傳感器［6］，激光甲烷傳感器相比于傳統(tǒng)的光纖和催化傳感器測量更加精確，工作更穩(wěn)定，無需用戶校準即可長期在線工作，它可以將采集到的瓦斯?jié)舛茸兞哭D(zhuǎn)換為標準的頻率信號或RS485數(shù)字信號，其工作電壓為9 ～24 V，工作電流小于或等于100 mA/18V DC，測量范圍為0.00 ～100%CH4，當瓦斯量處于1%以下的低濃度時，測量誤差只有±0.06%，根據(jù)瓦斯?jié)舛戎挡煌?，可以輸?00 ～2 000 Hz 不同的頻率信號，脈沖寬度大于0.3 ms。該傳感器工作原理如圖2所示。

本系統(tǒng)風機選用YBT-5.5隔爆型軸流式通風機，該風機風量為90 ～180 m3/min，全壓效率高達81.5%，葉輪直徑為φ400 mm，電動機采用礦用隔爆型二極三相異步電動機，電壓為380/660 V，相比于其他型號的隔爆風機，該型號風機結(jié)構(gòu)簡單緊湊，堅固耐用，使用安全，維修方便，完全滿足本系統(tǒng)需求。

當甲烷含量超標時，系統(tǒng)應(yīng)具有預(yù)警提示功能，本文選用KXH18 礦用本質(zhì)安全型聲光報警器［7］，其工作電壓為DC18 V，工作電流小于或等于100 mA，光報警信號是交替時間為（0.5 ±0.1）s的急促報警，聲報警強度大于或等于85 dB，光報警強度20 m可見，當甲烷濃度值超過報警閾值時，由控制器發(fā)出報警器輸入信號，從而產(chǎn)生聲光報警信號。

圖2 激光甲烷傳感器原理圖

位于集控室的監(jiān)控上位機可實時顯示煤倉內(nèi)各監(jiān)測點的瓦斯?jié)舛葎討B(tài)值，并根據(jù)實際情況進行遠程控制和參數(shù)設(shè)置。本文選用研華IPC-610H 工控主機：PCA-6007LV/P43.0G/1G/160G/DVD/10M-100M 網(wǎng)卡/聲卡/KB + M，同時系統(tǒng)留有足夠的擴展余量，甲烷傳感器將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4 ～20 mA標準信號后通過隔離電路傳送至計算機，由計算機對信息進行分析處理。

3 軟件方案設(shè)計

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的主程序包含以下環(huán)節(jié)：系統(tǒng)初始化、瓦斯?jié)舛饶M值轉(zhuǎn)換、采集數(shù)據(jù)濾波、采集數(shù)據(jù)交換、風機自動控制程序、通訊程序。系統(tǒng)初始化時可以設(shè)置瓦斯?jié)舛鹊纳舷藜跋孪揲撝?，并自檢整個系統(tǒng)查看是否存在故障；甲烷含量模擬值轉(zhuǎn)換是將系統(tǒng)采集到的濃度模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ塘?；?shù)據(jù)濾波可對系統(tǒng)收集到的甲烷含量參數(shù)進行挑選和剔除，從而得到有效數(shù)據(jù)；采集數(shù)據(jù)交換用于從站與集控主站間瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的交換［8］；風機自動控制程序可以通過實時的瓦斯?jié)舛瓤刂骑L機智能啟停。瓦斯監(jiān)控主程序框圖如圖3所示。

按照選煤廠內(nèi)實際要求，對瓦斯?jié)舛认拗浦颠M行設(shè)定，本系統(tǒng)分別對煤倉和煤倉附近走廊的瓦斯限制值進行了設(shè)置，走廊瓦斯?jié)舛壬舷逓?.3%，煤倉為0.4%。當現(xiàn)場甲烷含量值剛剛超出上述閾值時，PLC 控制1 臺風機自動運行進行通風，若開啟一臺風機后瓦斯?jié)舛纫廊怀掷m(xù)上升，則相繼開啟后續(xù)風機進行瓦斯抽放；如果煤倉內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸^1%時，主控室向各儲運車間PLC S7-200 傳送停止指令使設(shè)備停運，主洗車間設(shè)備則繼續(xù)運行，等待報警解除后，儲運車間設(shè)備再重新投入運行。如果是精煤倉，當發(fā)生甲烷濃度嚴重超出閾值時廠內(nèi)全部設(shè)備都必須停運，直到超限報警解除后，才能全部投入運作。圖4 所示為風機啟動流程圖。

圖3 瓦斯監(jiān)控主程序框圖

圖4 風機啟動流程圖

4 實際運行測試效果

該系統(tǒng)在投入運行測試后，對瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的采集和顯示都較準確，可精確快速控制風機，大大減少了人工投入率，人機界面簡潔，操作方便。

以煤倉上5臺額定功率為5.5 kW風機為例，未配備本系統(tǒng)前，風機每天的運行時間為24 h，幾乎全年都投入運行，風機耗電量W1＝3×5.5 kW×24 h×365 ＝144 540 kW·h。配備本系統(tǒng)后，1#、2#、3#號風機全年工作最多160 d，4#、5#風機備用，風機耗電量W2＝3×5.5 kW×24 h×160 ＝63 360 kW·h。則年電能節(jié)約量ΔW ＝W1-W2＝81 180 kW·h。故煤倉內(nèi)共3臺常開風機年節(jié)電量約為81 180 kW·h，實現(xiàn)了節(jié)能運行，節(jié)約了運行成本，提高了經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于PLC的選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在實際測試中有效降低了煤倉內(nèi)的瓦斯體積分數(shù)最大值，倉內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊牟▌有悦黠@降低，同時具有明顯的節(jié)能效果，在保證選煤廠安全生產(chǎn)的前提下節(jié)約了生產(chǎn)費用，具有良好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。