白星星

（山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司佳峰煤礦， 山西 孝義 032300）

1 當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)存在問題分析

雖然當(dāng)前井下在抽采過程中設(shè)計(jì)了瓦斯氣體監(jiān)控系統(tǒng)，但由于井下環(huán)境的惡劣型，加上井下部分作業(yè)區(qū)域的通風(fēng)效果相對較差，導(dǎo)致現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)各類問題，已無法滿足當(dāng)前井下瓦斯抽采的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求，其主要存在問題包括如下幾點(diǎn)：

1）當(dāng)前設(shè)置的瓦斯抽放泵設(shè)備在運(yùn)行過程中未設(shè)計(jì)有效的自動(dòng)控制裝置，在遇到瓦斯?jié)舛瘸y值時(shí)，無法自動(dòng)啟動(dòng)抽放泵進(jìn)行作業(yè)，也無法檢測真空泵中的供水量是否滿足運(yùn)行需求，極容易造成設(shè)備的損壞[1-2]；

2）現(xiàn)有的抽放監(jiān)控系統(tǒng)屬于整個(gè)礦井中的分系統(tǒng)，未進(jìn)行系統(tǒng)的獨(dú)立控制，對整個(gè)礦井中的瓦斯抽放參數(shù)的檢測和監(jiān)控范圍相對較窄[3]；

3）當(dāng)前的瓦斯?jié)舛葯z測儀器、溫度檢測儀的采集精度相對較低，且可靠性相對較差，所采集的數(shù)據(jù)大部分僅能通過傳統(tǒng)的儀表盤指針形式進(jìn)行顯示，無法將采集數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)中，整體的自動(dòng)化控制水平較低[4]；

4）大部分系統(tǒng)中僅設(shè)計(jì)了控制箱或控制柜，只能對單一區(qū)域的瓦斯?jié)舛韧ㄟ^人為方式進(jìn)行手動(dòng)操作控制，無法實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程集中控制，人員也無法通過控制箱對設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行快速調(diào)整[5]。

為此，設(shè)計(jì)一套監(jiān)控范圍廣、智能化程度高的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)。

2 瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)，開展了井下瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的升級設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)主要有工控機(jī)、PLC 控制器、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、顯示控制器、控制裝置及采集裝置等[6]。其中，PLC 控制器及顯示控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)收集采集裝置中傳輸?shù)南嚓P(guān)信息，并對信息進(jìn)行分析、運(yùn)算、數(shù)據(jù)保存及判斷等控制操作，整個(gè)運(yùn)算分析過程通過匹配的西門子的S7-300 型控制器，在該控制器中通過多個(gè)I/O 設(shè)備點(diǎn)對瓦斯抽放泵、水泵、電動(dòng)閥門、冷卻塔等設(shè)備的起停等功能進(jìn)行操作和控制。采集裝置包括了瓦斯?jié)舛葯z測儀、溫度檢測儀、壓力檢測儀、水位傳感器、設(shè)備啟停傳感器等，各類采集裝置將采集的信號傳輸至監(jiān)測分站，監(jiān)測分站再將信號進(jìn)行匯總后傳輸至控制器中進(jìn)行分析處理。另外，系統(tǒng)的通訊協(xié)議則采用了RS485 方式進(jìn)行通訊，與傳統(tǒng)的RS232 相比具有更好的穩(wěn)定性，且可通過單一總線實(shí)現(xiàn)與多個(gè)設(shè)備的有效連接。所設(shè)計(jì)的瓦斯抽采集監(jiān)控系統(tǒng)能對井下瓦斯?jié)舛?、溫度等參?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，一旦井下發(fā)生瓦斯?jié)舛瘸攥F(xiàn)象，該監(jiān)控系統(tǒng)將及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警提示及閉鎖操作，切斷危險(xiǎn)源，并將瓦斯超過區(qū)域通過顯示界面進(jìn)行準(zhǔn)確顯示。實(shí)現(xiàn)了整個(gè)瓦斯抽采集的智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控。升級后的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1 所示。

3 系統(tǒng)中關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫組態(tài)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫組態(tài)主要是將整個(gè)監(jiān)測過程的相關(guān)測點(diǎn)進(jìn)行匯總收集，以便PLC 能快速對系統(tǒng)進(jìn)行分析運(yùn)算。在設(shè)計(jì)時(shí)，將數(shù)據(jù)組態(tài)分為了多個(gè)區(qū)域，各區(qū)域中的測點(diǎn)能通過復(fù)制粘貼方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移。為減少數(shù)據(jù)庫組態(tài)的工作量，設(shè)計(jì)了一個(gè)EXCEL 表格來提前對測點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所統(tǒng)計(jì)之后的測點(diǎn)將不能進(jìn)行更改。所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫組態(tài)界面如圖2 所示。由圖可知，采用了英文字母來對基本參數(shù)進(jìn)行命名，比如點(diǎn)擊“WSCX-BJ-NEW”后，即可獲取測點(diǎn)的詳細(xì)信息。同時(shí)，在報(bào)警開關(guān)前面設(shè)計(jì)報(bào)警狀態(tài)參數(shù)值，比如輸入0，則表示測點(diǎn)處于正常狀態(tài)，比如輸入1 則表示有報(bào)警輸出。另外，在數(shù)據(jù)庫組態(tài)中也設(shè)計(jì)了2 組歷史參數(shù)功能，一組表示數(shù)據(jù)精度變化時(shí)的保存數(shù)據(jù)，另一組為定時(shí)保存數(shù)據(jù)，每60 s 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)保存。

圖1 瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

圖2 數(shù)據(jù)庫組態(tài)界面

3.2 電動(dòng)閥門控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)閥門控制分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對井下各類閥門進(jìn)行集中及遠(yuǎn)程控制，并對閥門的開關(guān)或啟停等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷和檢測，是有效保障整套監(jiān)控系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。此控制分系統(tǒng)主要是基于PLC 進(jìn)行邏輯判斷，首先是接收閥門的啟停信號，通過計(jì)算后進(jìn)行閥門的遠(yuǎn)程集中判斷，能對閥門的正在運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)檢測到閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，則啟動(dòng)內(nèi)部的信號保持功能，并發(fā)出關(guān)閉成功的操作信號。因此，在電動(dòng)閥門選型上選擇了市場上成熟的基于PLC 控制的電動(dòng)閥門，可通過其內(nèi)部的時(shí)間定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)信號選擇及復(fù)位，電動(dòng)閥門控制分系統(tǒng)的控制邏輯圖如圖3 所示。

3.3 設(shè)備閉鎖功能設(shè)計(jì)

設(shè)備閉鎖主要是為了防止設(shè)備在執(zhí)行相關(guān)操作后出現(xiàn)誤操作問題，故需對設(shè)備進(jìn)行閉鎖功能設(shè)計(jì)。同時(shí)，必要時(shí)也需對設(shè)備的閉鎖功能進(jìn)行取消解決，以滿足不同工況的使用需求。當(dāng)檢測到水位傳感器出現(xiàn)異?，F(xiàn)場時(shí)，此時(shí)需取消設(shè)備的閉鎖功能，以有效排除故障。因此，在每個(gè)閉鎖設(shè)備前端設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)選框，當(dāng)點(diǎn)擊復(fù)選框時(shí)，則表示啟動(dòng)設(shè)備的閉鎖功能，若未點(diǎn)擊復(fù)選框時(shí)，則表示取消閉鎖功能。由此，可根據(jù)瓦斯抽采過程的實(shí)際狀態(tài)來選擇是否開啟閉鎖功能。在復(fù)選框功能設(shè)計(jì)時(shí)，表示該功能啟動(dòng)的腳本程序?yàn)椋篒F WS_TR_1.PV==1 THEN，泵站的閉鎖功能腳本設(shè)置為：#CheckBox33.SetCheck (1)#；ELSE 泵站的閉鎖功能腳本為：#CheckBox33.SetCheck(0)#，ENDIF。設(shè)備閉鎖功能操作界面圖如圖4 所示。

圖3 電動(dòng)閥門控制分系統(tǒng)的控制邏輯圖

圖4 設(shè)備閉鎖功能操作界面圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能，保證其后期運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，對其進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測試，主要是對該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、顯示、按鈕、瓦斯?jié)舛葼顟B(tài)、控制操作等方面進(jìn)行了測試，系統(tǒng)測試過程中的主界面圖如圖5 所示。由圖可知，在系統(tǒng)測試過程中，各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對井下瓦斯?jié)舛?、溫度、水位及壓力等參?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和運(yùn)算判斷。系統(tǒng)的主界面也更加清晰地顯示了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行流程及作業(yè)狀態(tài)，當(dāng)檢測到井下瓦斯?jié)舛瘸^閥值時(shí)，則界面將發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示及瓦斯?jié)舛戎?，并?zhí)行對各類電動(dòng)閥的執(zhí)行切斷操作，全面啟動(dòng)抽氣泵來實(shí)施對井下瓦斯的抽放作業(yè)，整個(gè)過程只需人員在監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行操作即可，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)瓦斯氣體抽排過程的遠(yuǎn)程操作控制。據(jù)分析，此系統(tǒng)應(yīng)用后，在設(shè)備維護(hù)、人員工資等方面，每年可為企業(yè)節(jié)約將近100 萬元以上的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用支出，也大大提高了井下的作業(yè)安全性。具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)測試過程中的主界面圖