白星星

（山西離柳焦煤集團有限公司佳峰煤礦， 山西 孝義 032300）

1 當前監(jiān)控系統(tǒng)存在問題分析

雖然當前井下在抽采過程中設(shè)計了瓦斯氣體監(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)域的通風效果相對較差，導致現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)各類問題，已無法滿足當前井下瓦斯抽采的實時監(jiān)控需求，其主要存在問題包括如下幾點：

1）當前設(shè)置的瓦斯抽放泵設(shè)備在運行過程中未設(shè)計有效的自動控制裝置，在遇到瓦斯?jié)舛瘸y值時，無法自動啟動抽放泵進行作業(yè)，也無法檢測真空泵中的供水量是否滿足運行需求，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)屬于整個礦井中的分系統(tǒng)，未進行系統(tǒng)的獨立控制，對整個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行顯示，無法將采集數(shù)據(jù)及時傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)中，整體的自動化控制水平較低[4]；

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

為此，設(shè)計一套監(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

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)計研究。所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)主要有工控機、PLC 控制器、環(huán)網(wǎng)交換機、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系統(tǒng)的核心部分，主要負責收集采集裝置中傳輸?shù)南嚓P(guān)信息，并對信息進行分析、運算、數(shù)據(jù)保存及判斷等控制操作，整個運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I/O 設(shè)備點對瓦斯抽放泵、水泵、電動閥門、冷卻塔等設(shè)備的起停等功能進行操作和控制。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)測分站再將信號進行匯總后傳輸至控制器中進行分析處理。另外，系統(tǒng)的通訊協(xié)議則采用了RS485 方式進行通訊，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現(xiàn)與多個設(shè)備的有效連接。所設(shè)計的瓦斯抽采集監(jiān)控系統(tǒng)能對井下瓦斯?jié)舛取囟鹊葏?shù)進行實時采集，一旦井下發(fā)生瓦斯?jié)舛瘸攥F(xiàn)象，該監(jiān)控系統(tǒng)將及時發(fā)出聲光報警提示及閉鎖操作，切斷危險源，并將瓦斯超過區(qū)域通過顯示界面進行準確顯示。實現(xiàn)了整個瓦斯抽采集的智能化遠程監(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

3.1 數(shù)據(jù)庫組態(tài)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫組態(tài)主要是將整個監(jiān)測過程的相關(guān)測點進行匯總收集，以便PLC 能快速對系統(tǒng)進行分析運算。在設(shè)計時，將數(shù)據(jù)組態(tài)分為了多個區(qū)域，各區(qū)域中的測點能通過復(fù)制粘貼方式進行轉(zhuǎn)移。為減少數(shù)據(jù)庫組態(tài)的工作量，設(shè)計了一個EXCEL 表格來提前對測點進行統(tǒng)計，所統(tǒng)計之后的測點將不能進行更改。所設(shè)計的數(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)進行命名，比如點擊“WSCX-BJ-NEW”后，即可獲取測點的詳細信息。同時，在報警開關(guān)前面設(shè)計報警狀態(tài)參數(shù)值，比如輸入0，則表示測點處于正常狀態(tài)，比如輸入1 則表示有報警輸出。另外，在數(shù)據(jù)庫組態(tài)中也設(shè)計了2 組歷史參數(shù)功能，一組表示數(shù)據(jù)精度變化時的保存數(shù)據(jù)，另一組為定時保存數(shù)據(jù)，每60 s 進行一次數(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 電動閥門控制分系統(tǒng)設(shè)計

電動閥門控制分系統(tǒng)主要負責對井下各類閥門進行集中及遠程控制，并對閥門的開關(guān)或啟停等狀態(tài)進行實時判斷和檢測，是有效保障整套監(jiān)控系統(tǒng)安全運行的重要基礎(chǔ)。此控制分系統(tǒng)主要是基于PLC 進行邏輯判斷，首先是接收閥門的啟停信號，通過計算后進行閥門的遠程集中判斷，能對閥門的正在運行狀態(tài)進行實時檢測，當檢測到閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時，則啟動內(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，在電動閥門選型上選擇了市場上成熟的基于PLC 控制的電動閥門，可通過其內(nèi)部的時間定時器來實現(xiàn)信號選擇及復(fù)位，電動閥門控制分系統(tǒng)的控制邏輯圖如圖3 所示。

3.3 設(shè)備閉鎖功能設(shè)計

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)備進行閉鎖功能設(shè)計。同時，必要時也需對設(shè)備的閉鎖功能進行取消解決，以滿足不同工況的使用需求。當檢測到水位傳感器出現(xiàn)異?，F(xiàn)場時，此時需取消設(shè)備的閉鎖功能，以有效排除故障。因此，在每個閉鎖設(shè)備前端設(shè)計了一個復(fù)選框，當點擊復(fù)選框時，則表示啟動設(shè)備的閉鎖功能，若未點擊復(fù)選框時，則表示取消閉鎖功能。由此，可根據(jù)瓦斯抽采過程的實際狀態(tài)來選擇是否開啟閉鎖功能。在復(fù)選框功能設(shè)計時，表示該功能啟動的腳本程序為：IF 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

為進一步驗證所設(shè)計的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能，保證其后期運行的可靠性及穩(wěn)定性，對其進行了實際應(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，各項功能運行正常，能準確、實時地對井下瓦斯?jié)舛取囟?、水位及壓力等參?shù)進行實時采集和運算判斷。系統(tǒng)的主界面也更加清晰地顯示了整個系統(tǒng)的正常運行流程及作業(yè)狀態(tài)，當檢測到井下瓦斯?jié)舛瘸^閥值時，則界面將發(fā)出相應(yīng)的報警提示及瓦斯?jié)舛戎担?zhí)行對各類電動閥的執(zhí)行切斷操作，全面啟動抽氣泵來實施對井下瓦斯的抽放作業(yè)，整個過程只需人員在監(jiān)控平臺上進行操作即可，實現(xiàn)了整個瓦斯氣體抽排過程的遠程操作控制。據(jù)分析，此系統(tǒng)應(yīng)用后，在設(shè)備維護、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)濟費用支出，也大大提高了井下的作業(yè)安全性。具有重要的實際應(yīng)用價值。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)測試過程中的主界面圖