閆 杰

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦選煤廠(chǎng)，太原 030200）

0 引言

在選煤過(guò)程中，由井下開(kāi)采出來(lái)的原煤通過(guò)皮帶機(jī)直接輸送到煤倉(cāng)中，大量的煤炭堆積在封閉環(huán)境里，由于煤倉(cāng)的通風(fēng)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(chǎng)煤倉(cāng)中瓦斯含量過(guò)高極大影響了洗煤作業(yè)安全有效地進(jìn)行，所以開(kāi)發(fā)出一套穩(wěn)定性好、測(cè)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡檢廠(chǎng)內(nèi)固定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定時(shí)的測(cè)量，這樣的方式不僅測(cè)量精度低，滯后性很大，而且對(duì)檢測(cè)人員的身體也會(huì)造成一定傷害。目前許多廠(chǎng)也投入使用了一些瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，但是系統(tǒng)運(yùn)行不夠穩(wěn)定，精確度不高，無(wú)法實(shí)時(shí)根據(jù)瓦斯?jié)舛瓤刂骑L(fēng)機(jī)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(jì)3 個(gè)部分入手，闡述了本系統(tǒng)的控制原理和過(guò)程以及各部分所實(shí)現(xiàn)的功能，并以此完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)煤倉(cāng)內(nèi)部和轉(zhuǎn)載點(diǎn)處瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及風(fēng)機(jī)智能啟停的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要需實(shí)現(xiàn)以下功能：在固定檢測(cè)點(diǎn)處的傳感器可采集甲烷濃度的頻率信號(hào)以及電流信號(hào)；可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯體積分?jǐn)?shù)值模擬量的收集和顯示［1］；系統(tǒng)應(yīng)具有瓦斯?jié)舛冗^(guò)高預(yù)警和斷電功能，當(dāng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛冗^(guò)高引起報(bào)警時(shí)立刻啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。

按照系統(tǒng)功能對(duì)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制層和監(jiān)控管理層3 部分，其中由風(fēng)機(jī)PLC組成的控制層是系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，風(fēng)機(jī)PLC具有相對(duì)自主的控制能力，可完成現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要由各監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葌鞲衅骱头辣L(fēng)機(jī)組成，瓦斯傳感器可將采集到瓦斯?jié)舛刃盘?hào)經(jīng)過(guò)放大、轉(zhuǎn)換后變?yōu)轭l率信號(hào)輸入至PLC中。

監(jiān)控管理層由人機(jī)交互觸摸界面和監(jiān)控上位機(jī)、主控PLC組成，上位機(jī)主界面主要顯示風(fēng)機(jī)監(jiān)控及運(yùn)行情況，并包含所有模擬量參數(shù)的顯示，同時(shí)還具有歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能；人機(jī)觸摸屏的顯示畫(huà)面及功能與集控室監(jiān)控畫(huà)面功能基本相似；集控室的主控PLC與風(fēng)機(jī)PLC通過(guò)主從站通訊實(shí)現(xiàn)信息互通，主控PLC與監(jiān)控上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通訊［2］，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廠(chǎng)內(nèi)所有設(shè)備的控制，同時(shí)還可監(jiān)測(cè)全廠(chǎng)機(jī)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(jì)方案。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件方案設(shè)計(jì)及選型

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

風(fēng)機(jī)PLC控制器是本系統(tǒng)的核心部分，本文選用西門(mén)子S7-200 可編程控制器，S7-200 PLC體積小巧［3］，價(jià)格低廉，擴(kuò)展性能強(qiáng)大，完全滿(mǎn)足本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、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(kuò)展7 個(gè)I/O模塊，集成多種通訊功能，可實(shí)現(xiàn)RS-485、PPI 和MPI 通訊，同時(shí)還具有自整定PID、在線(xiàn)編程、數(shù)據(jù)記錄等多種功能。BCNet模塊用于實(shí)現(xiàn)控制器和監(jiān)控上位機(jī)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊，具有開(kāi)放的協(xié)議接口，可對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。控制器還配有2個(gè)EM231模擬量輸入模塊，用于將傳感器收集到的甲烷含量值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換［5］。EM277 是S7-200 的一個(gè)智能擴(kuò)展單元，用于實(shí)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(chǎng)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(cè)量更加精確，工作更穩(wěn)定，無(wú)需用戶(hù)校準(zhǔn)即可長(zhǎng)期在線(xiàn)工作，它可以將采集到的瓦斯?jié)舛茸兞哭D(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的頻率信號(hào)或RS485數(shù)字信號(hào)，其工作電壓為9 ～24 V，工作電流小于或等于100 mA/18V DC，測(cè)量范圍為0.00 ～100%CH4，當(dāng)瓦斯量處于1%以下的低濃度時(shí)，測(cè)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(hào)，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(fēng)機(jī)選用YBT-5.5隔爆型軸流式通風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)風(fēng)量為90 ～180 m3/min，全壓效率高達(dá)81.5%，葉輪直徑為φ400 mm，電動(dòng)機(jī)采用礦用隔爆型二極三相異步電動(dòng)機(jī)，電壓為380/660 V，相比于其他型號(hào)的隔爆風(fēng)機(jī)，該型號(hào)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，堅(jiān)固耐用，使用安全，維修方便，完全滿(mǎn)足本系統(tǒng)需求。

當(dāng)甲烷含量超標(biāo)時(shí)，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(bào)警器［7］，其工作電壓為DC18 V，工作電流小于或等于100 mA，光報(bào)警信號(hào)是交替時(shí)間為（0.5 ±0.1）s的急促報(bào)警，聲報(bào)警強(qiáng)度大于或等于85 dB，光報(bào)警強(qiáng)度20 m可見(jiàn)，當(dāng)甲烷濃度值超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，由控制器發(fā)出報(bào)警器輸入信號(hào)，從而產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。

圖2 激光甲烷傳感器原理圖

位于集控室的監(jiān)控上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示煤倉(cāng)內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葎?dòng)態(tài)值，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和參數(shù)設(shè)置。本文選用研華IPC-610H 工控主機(jī)：PCA-6007LV/P43.0G/1G/160G/DVD/10M-100M 網(wǎng)卡/聲卡/KB + M，同時(shí)系統(tǒng)留有足夠的擴(kuò)展余量，甲烷傳感器將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4 ～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后通過(guò)隔離電路傳送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行分析處理。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

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(fēng)機(jī)自動(dòng)控制程序、通訊程序。系統(tǒng)初始化時(shí)可以設(shè)置瓦斯?jié)舛鹊纳舷藜跋孪揲撝?，并自檢整個(gè)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(duì)系統(tǒng)收集到的甲烷含量參數(shù)進(jìn)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(fēng)機(jī)自動(dòng)控制程序可以通過(guò)實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛瓤刂骑L(fēng)機(jī)智能啟停。瓦斯監(jiān)控主程序框圖如圖3所示。

按照選煤廠(chǎng)內(nèi)實(shí)際要求，對(duì)瓦斯?jié)舛认拗浦颠M(jìn)行設(shè)定，本系統(tǒng)分別對(duì)煤倉(cāng)和煤倉(cāng)附近走廊的瓦斯限制值進(jìn)行了設(shè)置，走廊瓦斯?jié)舛壬舷逓?.3%，煤倉(cāng)為0.4%。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)甲烷含量值剛剛超出上述閾值時(shí)，PLC 控制1 臺(tái)風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行通風(fēng)，若開(kāi)啟一臺(tái)風(fēng)機(jī)后瓦斯?jié)舛纫廊怀掷m(xù)上升，則相繼開(kāi)啟后續(xù)風(fēng)機(jī)進(jìn)行瓦斯抽放；如果煤倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%時(shí)，主控室向各儲(chǔ)運(yùn)車(chē)間PLC S7-200 傳送停止指令使設(shè)備停運(yùn)，主洗車(chē)間設(shè)備則繼續(xù)運(yùn)行，等待報(bào)警解除后，儲(chǔ)運(yùn)車(chē)間設(shè)備再重新投入運(yùn)行。如果是精煤倉(cāng)，當(dāng)發(fā)生甲烷濃度嚴(yán)重超出閾值時(shí)廠(chǎng)內(nèi)全部設(shè)備都必須停運(yùn)，直到超限報(bào)警解除后，才能全部投入運(yùn)作。圖4 所示為風(fēng)機(jī)啟動(dòng)流程圖。

圖3 瓦斯監(jiān)控主程序框圖

圖4 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)流程圖

4 實(shí)際運(yùn)行測(cè)試效果

該系統(tǒng)在投入運(yùn)行測(cè)試后，對(duì)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的采集和顯示都較準(zhǔn)確，可精確快速控制風(fēng)機(jī)，大大減少了人工投入率，人機(jī)界面簡(jiǎn)潔，操作方便。

以煤倉(cāng)上5臺(tái)額定功率為5.5 kW風(fēng)機(jī)為例，未配備本系統(tǒng)前，風(fēng)機(jī)每天的運(yùn)行時(shí)間為24 h，幾乎全年都投入運(yùn)行，風(fēng)機(jī)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(hào)風(fēng)機(jī)全年工作最多160 d，4#、5#風(fēng)機(jī)備用，風(fēng)機(jī)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(cāng)內(nèi)共3臺(tái)常開(kāi)風(fēng)機(jī)年節(jié)電量約為81 180 kW·h，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行，節(jié)約了運(yùn)行成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于PLC的選煤廠(chǎng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試中有效降低了煤倉(cāng)內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值，倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊牟▌?dòng)性明顯降低，同時(shí)具有明顯的節(jié)能效果，在保證選煤廠(chǎng)安全生產(chǎn)的前提下節(jié)約了生產(chǎn)費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。