夏國(guó)華

（同煤集團(tuán)大友選煤有限責(zé)任公司，山西大同 037001）

0 引言

煤炭在開(kāi)采運(yùn)輸過(guò)程中，由于外部壓力、溫濕度等作用，部分瓦斯氣體由內(nèi)部釋放，游離于煤炭表面［1］。當(dāng)煤炭?jī)?chǔ)存在選煤廠(chǎng)煤倉(cāng)時(shí)，處于封閉狀態(tài)，瓦斯氣體大量聚集，直至超出危險(xiǎn)濃度范圍，引發(fā)安全事故，對(duì)選煤廠(chǎng)的安全生產(chǎn)與工人的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅［2－3］。因此，設(shè)計(jì)一種可靠的選煤廠(chǎng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)十分重要，不僅需要實(shí)時(shí)采集各觀測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，判斷是否超限，同時(shí)要監(jiān)測(cè)和控制主風(fēng)機(jī)與備用風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)并準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)通風(fēng)閉鎖功能［4－5］。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體研究與設(shè)計(jì)

1.1 選煤廠(chǎng)瓦斯?jié)舛确治?/h3>

選煤廠(chǎng)主要功能是對(duì)煤炭進(jìn)行分選，去除原煤中的雜質(zhì)，將煤炭分為不同規(guī)格、不同用途的產(chǎn)品。煤炭通常深埋于地下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期碳化過(guò)程，滋生出大量瓦斯，并吸附于煤炭，其中一部分瓦斯在開(kāi)采運(yùn)輸過(guò)程中，受到碰撞、擠壓、摩擦等外力，緩慢釋放出來(lái)，另一部分瓦斯在煤炭洗選儲(chǔ)存過(guò)程中大量釋放并積聚，因此選煤廠(chǎng)發(fā)生過(guò)很多瓦斯爆炸事故［6－7］。

由于瓦斯的質(zhì)量濃度低于空氣，煤倉(cāng)內(nèi)釋放的瓦斯大量積聚于煤倉(cāng)頂部和上存量與儲(chǔ)存時(shí)間的增加，瓦斯釋放量逐漸增大，積聚于煤倉(cāng)頂部和上偶角。對(duì)于精煤倉(cāng)與轉(zhuǎn)載點(diǎn)而言，煤炭洗選過(guò)程已經(jīng)將一部分瓦斯釋放，但是由于精煤相較原煤的顆粒度較小，瓦斯釋放速度高于原煤，所以精煤倉(cāng)與轉(zhuǎn)載點(diǎn)同樣會(huì)有瓦斯積聚，需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)防護(hù)［8］。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

選煤廠(chǎng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)與井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)有很大區(qū)別，井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在檢測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，實(shí)現(xiàn)斷電閉鎖功能，自動(dòng)切斷除風(fēng)機(jī)外的所有設(shè)備電源，根據(jù)超限位置，確定開(kāi)啟礦井主通風(fēng)機(jī)或局部通風(fēng)機(jī)。礦井瓦斯監(jiān)控模式并不適用于選煤廠(chǎng)，在煤炭轉(zhuǎn)入煤倉(cāng)的過(guò)程中，煤體與空氣流動(dòng)性較大，煤倉(cāng)內(nèi)的瓦斯?jié)舛扔泻艽蟮牟▌?dòng)，在瞬間會(huì)超出瓦斯?jié)舛乳撝?，但此時(shí)并不會(huì)發(fā)生安全事故，如果設(shè)置斷電閉鎖，會(huì)限制選煤廠(chǎng)的正常生產(chǎn)活動(dòng)。

根據(jù)選煤廠(chǎng)設(shè)備與瓦斯監(jiān)控需求，監(jiān)控系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能包括原煤倉(cāng)與精煤倉(cāng)中瓦斯?jié)舛?、溫度、風(fēng)速等信號(hào)的檢測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)與顯示；煤倉(cāng)瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警和斷電功能，并及時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；控制器與上位機(jī)之間采用以太網(wǎng)通訊，傳感器與控制器之間通過(guò)RS485通信；風(fēng)機(jī)包括主風(fēng)機(jī)與備用風(fēng)機(jī)，主風(fēng)機(jī)故障情況下，具備自動(dòng)切換功能。

監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，系統(tǒng)按功能與位置分為遠(yuǎn)程監(jiān)控層、中間控制層與終端設(shè)備層。遠(yuǎn)程監(jiān)控層包括上位機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)等外圍設(shè)備，負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)控與監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的協(xié)調(diào)。中間控制層包括中心控制器與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)信號(hào)的處理、通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換傳輸功能。終端設(shè)備層包括主副通風(fēng)機(jī)、變頻器、各煤倉(cāng)的信號(hào)傳感器等設(shè)備，負(fù)責(zé)煤倉(cāng)內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸、瓦斯?jié)舛瘸耷闆r下的通風(fēng)閉鎖功能。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)

2.1 控制器與上位機(jī)選型

中間控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)信號(hào)的處理、通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制等功能，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求與輸入輸出端口的需求，本系統(tǒng)選擇的中間控制器為西門(mén)子S7－300系列PLC控制器。S7－300結(jié)構(gòu)緊湊，各功能模塊集成多種接口，具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適合選煤廠(chǎng)的工作環(huán)境?？刂破鰿PU型號(hào)為CPU315－2DP，單條指令運(yùn)行速度0.1μs；電源模塊為PS307，輸入電壓交流220 V，輸出電壓直流24 V；通信模塊CP343－1，用于工業(yè)以太網(wǎng)的通信連接，支持計(jì)算機(jī)、觸摸屏等在線(xiàn)編程；上位機(jī)選用IPC－610H工控機(jī)，通過(guò)人機(jī)交互界面向中間控制器發(fā)出指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)度室內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中調(diào)控。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)布置

根據(jù)選煤廠(chǎng)工作環(huán)境，以傳感器工作溫度、采集精度、抗干擾能力、使用壽命等因素，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)所需要的傳感器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

甲烷傳感器選用電阻式半導(dǎo)體傳感器MQ－2，供電電壓5 V，通過(guò)旋轉(zhuǎn)數(shù)字電位器控制傳感器對(duì)甲烷氣體濃度的靈敏度。其原理如圖2所示。當(dāng)甲烷濃度未超過(guò)傳感器預(yù)設(shè)值時(shí)，數(shù)字接口輸出低電平，模擬接口為低電平；當(dāng)甲烷濃度超過(guò)傳感器預(yù)設(shè)值時(shí)，數(shù)字接口輸出高電平，模擬接口的輸出電壓隨著甲烷濃度的升高而增大。根據(jù)煤倉(cāng)內(nèi)瓦斯氣體的空間分布特征，傳感器應(yīng)布置在溜槽下料口附近、煤倉(cāng)設(shè)備層?xùn)|西兩側(cè)，距離墻壁1 m左右。

圖2 甲烷傳感器原理

煤倉(cāng)風(fēng)速傳感器選用GFC－15超聲波風(fēng)速傳感器，具有遠(yuǎn)程紅外調(diào)試功能，工作電壓DC8～24 V，可連續(xù)監(jiān)測(cè)0.3～15 m／s的風(fēng)速，測(cè)量誤差小于或等于0.3 m／s，輸出信號(hào)頻率為200～1 000 Hz。設(shè)備開(kāi)關(guān)傳感器選用GKT－L啟停狀態(tài)傳感器，用于監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、水泵等設(shè)備的啟停狀態(tài)。GKT－L工作電壓DC9～21 V，測(cè)量范圍0～5 kPa。

2.3 風(fēng)機(jī)與報(bào)警器選型

煤倉(cāng)通風(fēng)機(jī)選用BT35－11防爆軸流式風(fēng)機(jī)，具有噪聲低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)為隔爆電機(jī)，工作溫度需低于65℃。改風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 450 r／min，額定風(fēng)量18 250 m3／h，最大風(fēng)壓300 Pa，額定功率2.2 kW。風(fēng)機(jī)安裝于煤倉(cāng)頂部，同時(shí)在設(shè)備層兩側(cè)設(shè)置通風(fēng)口。

煤倉(cāng)報(bào)警器選用KXH18礦用聲光報(bào)警器，具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，可懸掛于煤倉(cāng)墻壁，使用過(guò)程中不需要調(diào)校，使用便捷。KXH18報(bào)警器輸入電壓DC12～18 V，數(shù)據(jù)傳輸最大距離2 km，報(bào)警響聲85 dB，報(bào)警光源可輻射20 m。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的主程序流程如圖3所示。在系統(tǒng)初始化與自檢結(jié)束后，操作人員向系統(tǒng)輸入瓦斯氣體的報(bào)警閾值，在檢測(cè)到串口有效標(biāo)志位后，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，通過(guò)與預(yù)設(shè)值比較，當(dāng)采集濃度值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，運(yùn)行風(fēng)機(jī)控制模塊。風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制采用冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)故障后，自動(dòng)切換備用風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的變頻控制采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)，通過(guò)監(jiān)測(cè)煤倉(cāng)風(fēng)速、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制，當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定值時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)入低速運(yùn)轉(zhuǎn)，降低運(yùn)行功耗。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件主程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)選煤廠(chǎng)設(shè)計(jì)了一種基于PLC的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)原煤倉(cāng)與精煤倉(cāng)的瓦斯氣體濃度等參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能。系統(tǒng)融合瓦斯監(jiān)測(cè)與風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制功能，提高了選煤廠(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能力與自動(dòng)化水平，相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)響應(yīng)速度提高了2 s，減少了不必要的通風(fēng)時(shí)間，為公司節(jié)約了能源。