王燕軍

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，太原 030052）

0 引言

目前，我國大多數(shù)煤礦開采方式采用的是井工開采，通過開掘井筒和地下巷道系統(tǒng)來進行作業(yè)，而煤層中充斥著大量的瓦斯氣體，因瓦斯泄漏而造成煤礦安全事故的事件時有發(fā)生，對工作人員的生命健康和煤礦的安全運營帶來很大的威脅[1]。為此，針對煤礦瓦斯安全事故問題，我國于2002 年提出“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風定產(chǎn)”瓦斯治理方針。方針指出，瓦斯抽采是預防瓦斯安全事故發(fā)生的重要措施，煤礦開采之前，首先要將埋藏于煤層中的瓦斯氣體抽采出來，這樣才能杜絕瓦斯氣體泄漏帶來的安全隱患，減少瓦斯安全事故的發(fā)生[2]。

為響應國家方針，實現(xiàn)上述目標，本文設計了一套基于PLC控制器的瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)功能齊全，將傳感器檢測模塊安裝于管道各監(jiān)測點，可對瓦斯氣體管道中瓦斯氣體的濃度、流量、壓力以及設備的溫度等參數(shù)實現(xiàn)實時在線監(jiān)測、智能分析與處理，為瓦斯抽采工作的安全進行提供了保障。

1 整體方案

礦井瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計方案如圖1所示。整個監(jiān)控系統(tǒng)由地面遠程監(jiān)控中心、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)絡、監(jiān)控分站3 大部分組成。其中，遠程監(jiān)控中心包含上位機、服務器設備，負責對上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析判別和智能處理、在線曲線顯示、存儲、報表統(tǒng)計及打印等；工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)絡中由多個礦用光纖交換機組成，負責將井下管網(wǎng)監(jiān)測到的工況數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)控中心；監(jiān)控分站中包含監(jiān)測分點和控制分點，監(jiān)測分點安裝于地面泵站、各管道監(jiān)測點處，可對地面泵站、井下各類管道及環(huán)境參數(shù)進行實時連續(xù)監(jiān)測。

2 硬件部分

2.1 監(jiān)控分站硬件方案設計

圖1 瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

監(jiān)控分站硬件方案設計框圖如圖2所示。監(jiān)控分站包括監(jiān)測分點、控制分點及PLC 主控制器3 個部分，其中監(jiān)測分點包含模擬量輸入和數(shù)字量輸入模塊；控制分點為數(shù)字量輸出模塊。模擬量輸入模塊采集部分由瓦斯傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、CO 傳感器組成；數(shù)字量輸入模塊采集內(nèi)容包括電動閘閥、電動球閥的開關狀態(tài)以及水環(huán)真空泵的啟停信號等；數(shù)字量輸出模塊輸出內(nèi)容包括真空泵的啟停信號、電動球閥和閘閥的開關信號、聲光報警信號、電機過溫信號等。

圖2 監(jiān)控分站硬件方案設計框圖

2.2 主控制器選型

由于礦井環(huán)境極度惡劣復雜，為了保證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，監(jiān)控系統(tǒng)選用德國西門子公司的S7-200系列PLC作為主控制器[3]。中央處理器模塊具體型號為CPU226，方便以后系統(tǒng)升級擴展。通信模塊采用型號為CP243-1，通過該模塊可將S7-200 PLC控制器連接到工業(yè)以太網(wǎng)中。通過分析可以得出：監(jiān)控系統(tǒng)需要檢測的模擬量包括瓦斯氣體的濃度、壓力、流量，設備的溫度，CO 濃度等，這些數(shù)據(jù)都是模擬輸入量，為了使PLC可以對這些數(shù)據(jù)進行處理，選用2個EM231模塊作為模擬量輸入模塊。

2.3 傳感器檢測模塊設計與選型

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測需求，本文對傳感器檢測模塊進行了具體設計，同時對傳感器型號進行了明確選型[4]。（1）溫度傳感器：系統(tǒng)選用型號為KGW5的數(shù)字式溫度傳感器，可直接輸出模擬量信號，采用正電源供電方式。（2）壓力傳感器：系統(tǒng)選用型號為GPD3的壓力傳感器，用于測量瓦斯抽采管道的瓦斯氣體壓力。（3）流量傳感器：系統(tǒng)選用DSQ 系列氣體超聲波流量計，對管道內(nèi)瓦斯氣體流量進行檢測。（4）甲烷傳感器：選用型號為GJC4 的甲烷傳感器，可精確測量管道內(nèi)、礦井煤層中、礦井環(huán)境中的甲烷濃度。（5）CO傳感器：選用型號為KGA21的一氧化碳傳感器，對礦井巷道進行火災早期檢測。

3 監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 下位機程序設計

下位機是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)的采集、處理、上傳，控制指令的下達，都要通過下位機主控制器來實現(xiàn)。系統(tǒng)主控制器采用了S7-200 系列PLC，西門子公司基于此款硬件開發(fā)了專門的程序設計軟件STEP 7 MicroWIN，該款軟件具有編程方式簡單直觀、編程環(huán)境友好等優(yōu)勢，大大提高了工程設計人員的設計效率[5]。采用梯形圖編程方式進行下位機程序設計。

程序設計過程中，為了便于設計，提高程序的執(zhí)行效率，采用模塊化的設計思想，將系統(tǒng)功能模塊化為多個功能子程序，并由主程序統(tǒng)一調(diào)用執(zhí)行。

設計的軟件程序包括系統(tǒng)主程序、模擬量采集子程序、數(shù)字量采集子程序、數(shù)字量控制子程序、聲光報警子程序、CAN 總線通信子程序、液晶顯示子程序等[6]。圖3所示為監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程框圖。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程框圖

3.2 上位機監(jiān)控軟件設計

為了實現(xiàn)遠程監(jiān)控，系統(tǒng)基于Kingview 6.53組態(tài)王軟件進行上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)，利用模塊化的設計思想將整個軟件的功能設置為8個不同模塊，每個模塊實現(xiàn)相應的功能，軟件簡單直觀，非常適合地面工作人員的使用[7]。圖4 所示為上位機監(jiān)控軟件的功能模塊構成框圖。

圖4 監(jiān)控軟件功能模塊構成框圖

可以看出，該上位機監(jiān)控軟件包括系統(tǒng)登錄模塊、主監(jiān)測模塊、參數(shù)設置模塊、遠程報警模塊、數(shù)據(jù)曲線趨勢顯示模塊、報表統(tǒng)計模塊、數(shù)據(jù)庫存儲模塊、網(wǎng)絡發(fā)布模塊8個模塊。上位機監(jiān)控軟件開發(fā)完成后，需要同下位機進行通信，為此開發(fā)了相應的以太網(wǎng)通信驅(qū)動程序，這樣便可與主控制器直接對接[8]。

主監(jiān)測模塊是系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件的重要組成模塊，直觀地反映了瓦斯抽采管網(wǎng)的主要抽采狀況。數(shù)據(jù)曲線趨勢顯示界面包括實時數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示兩個功能，可將各監(jiān)測分點的瓦斯?jié)舛刃盘枴毫π盘?、溫度信號、流量信號、CO 濃度信號以動態(tài)曲線的形式顯示出來，便于監(jiān)測分析。數(shù)據(jù)庫存儲界面利用Access 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)相應功能，包含抽采系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、查詢、打印及清空等功能。

4 結束語

為預防瓦斯安全事故的發(fā)生，保障煤炭開采的安全運營，本文借助PLC 控制器技術、傳感器檢測技術、上位機組態(tài)監(jiān)控技術、CAN 總線通信技術以及光纖通信技術設計了一套基于PLC 控制器的礦井瓦斯抽采實時監(jiān)控系統(tǒng)。井下監(jiān)控分站可將檢測到的管道、環(huán)境信息上傳到上位機監(jiān)控中心，監(jiān)控軟件界面可直觀地顯示瓦斯抽采系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的運行狀況，從而為工作人員分析和評價瓦斯抽采效果提供了可靠的依據(jù)。實際應用效果表明，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測覆蓋范圍廣、可靠性高，保障煤礦安全運營，具有一定的推廣應用價值。