煤矿瓦斯抽采泵站自动化系统的研究与应用

宋永滦　贺广强

摘 要：我国煤矿多为井工开采，瓦斯灾害严重，特别是贵州省。目前，瓦斯抽采泵站仍以人工操作为主，效率低下，监管难度大，安全生产压力巨大。本文以贵州豫能轿子山煤矿为例，对该矿瓦斯抽采泵站实施自动化改造，使得瓦斯抽采泵站可以自动化抽放泵站环境瓦斯。同时，实时监测抽放流量、抽放瓦斯浓度、温度和管道压力等数据，利用视频进行实时监控。另外，集控室可以远程控制现场设备，实现无人值守，大大提高了该矿瓦斯抽采效率及管理水平。

关键词：瓦斯抽采;PLC;自动化;煤矿;无人值守

中图分类号：TD712.63;TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）23-0085-03

Research and Application of Automation System for Coal

Mine Gas Drainage Pumping Station

SONG Yongluan1 HE Guangqiang2

（1. Guizhou Yueneng Investment Co.， Ltd.，Guiyang Guizhou 550009;

2. Huayang Communications Technology Co.， Ltd.，Xuzhou Jiangsu 221116）

Abstract： Most of China's coal mines are mined， and gas disasters are serious， especially in Guizhou Province. At present， the gas pumping station is still dominated by manual operation， with low efficiency， difficult supervision and huge pressure on safety production. Taking Guizhou Yueneng Jiaozishan Coal Mine as an example， this paper implemented automatic transformation of the mine gas pumping station， so that the gas pumping station could automatically pump the environmental gas of the pumping station. At the same time， data such as pumping flow， gas concentration， temperature and pipeline pressure were monitored in real time， and video was used for real-time monitoring. In addition， the centralized control room could remotely control the field equipment to achieve unattended operation， greatly improving the gas extraction efficiency and management level of the mine.

Keywords： gas extraction;PLC;automation;coal mine;unattended

1 系統改造前的状况

改造前，轿子山煤矿有4台瓦斯抽放泵，采用水循环式瓦斯抽排泵，冷却方式为水冷。另有2台循环水泵，用于冷、热水循环。瓦斯主管路阀门共计32个，均为手动，循环水池有2个，分为高位水池和低位水池。当前，瓦斯抽采泵未安装在线监测系统，未安设传感器，无法对电机温度等相关数据进行采集，系统的启停全靠人工操作，迫切需要进行自动化改造，提高抽采效率。

2 系统结构

抽放监控系统如图1所示，系统监测和监控功能有机结合为一个整体，数据共享方便、快捷、有效，各层次之间的数据传输稳定、可靠;监测功能由所有传感器分别实现，然后通过监控柜采集整理并上传数据至中心站，实现远程网络监测的全部功能;监控功能则依靠监测所得各项数据，实时判断是否满足控制条件，以上位机运算和下发控制指令、PLC可编程控制柜接收指令并发出动作指令为核心，实现全自动远程监控的全部功能[1，2]。

2.1 监测结构

在监测结构方面，系统采用中心站、显示控制装置、检测传感器三层结构。一是中心管理层，中心站负责管理整个瓦斯抽采系统中各设备检测的数据，承担抽放监控柜实时数据通信、统计存储、屏幕显示、查询打印和网络通信等任务。二是显示控制装置层（分站），承担采集现场各传感器数据、数据计量及操作控制、故障保护、面板操作、现场数据显示和声光报警等任务。三是传感器层，负责采集瓦斯抽采系统中的各种参数。

2.2 控制结构

在控制结构方面，系统采用上位机、PLC可编程控制柜、受控设备三层结构，其中，上位机负责实时监控整个抽放系统所有设备的运行状态，采集监测数据，判断控制条件，下发控制指令，共享控制权力（实现网络远程控制）;PLC可编程控制箱集中控制现场所有受控设备，通过储存的程序指令以条件式的判断精确地实现远程控制[3];受控设备包括抽放泵、电动阀等。

系统设备中的本安操作台配置一块25.4cm的触摸显示屏，用于本地的参数设定和状态查询。

系统设备中的PLC控制柜采用西门子1500系列PLC作为核心模块。

3 传感器的选型与设计

本系统对瓦斯抽采系统实施控制的设备主要有两种，控制对象包括瓦斯抽采泵的启停，电动阀的开、关、停等。人们要利用PLC对这些阀门进行多种方式控制，确保系统高效、可靠、安全地运行，降低工人劳动量，方便管理。

传感器采集参数主要有四类。泵站环境参数包括瓦斯泵房环境瓦斯浓度、环境温度等;管路参数包括管路瓦斯、负压、流量和温度等;工况参数包括抽放泵开停状态、前后轴温度，阀门开停状态和到位状态等;供水参数为循环水供水状态。

本设计的具体实现路径如下。一是所有管路阀门均更换为电动阀门，实现基础设施的改造。二是在每个抽放泵水汽分离装置水位表位置配备1个水压力传感器，共计4个;在循环水泵出水口配备2个水压力传感器，用于实时监测循环水压力;在循环水泵进水口配备2个负压传感器，用于监测循环水泵的运行状态。

三是在瓦斯抽放泵循环进水口配备缺水传感器，防止缺水，共计4个。四是在两个循环水池放置水位传感器，用于实时监测水池水位，当水位过低时，发出警告信号，共计2个。五是室内瓦斯监控，配置2台量程为0%～100% LEL的GJC4甲烷传感器，用于监测抽放泵室内瓦斯的含量，防止发生泄露，共计2个。六是室内一氧化碳监测，配置2台量程为0～1 250mg/m3的GTH1000一氧化碳传感器，用于监测抽放泵室内一氧化碳的含量，防止发生泄露，共计2个。

七是水温度，在高低温热水槽里面各放置1个量程为0～100℃温度传感器，用于测量水温，共计2个。八是电机温度在线监测，对抽放泵电机前后轴、三相定子温度进行实时监测并上传，并对允许温度进行设置，超过后进行报警提示，便于检查检修，配备4个量程为0～500℃的温度传感器。九是报警提示功能，后台监控配备音响一套，用于故障报警提示。十是安装6台球形摄像机，实现瓦斯抽采泵站的视频实时采集及监控。

4 系统功能

4.1 控制功能

系统具有远程集控、远程单控、就地手动等多种控制方式。它具有在调度中心控制的远控功能，可以方便地在调度中心实现各个瓦斯抽放的启、停，可实现抽采管路的自动放水功能，也支持瓦斯抽放泵的调速。

4.2 联动预警、告警功能

系统能够进行故障识别与判断，并通过安装在瓦斯抽放泵室内的矿用声光报警器，在出现紧急情况时发出声光报警信号，提示操作人员注意，找出并解决故障。

4.3 顯示功能、报表及打印功能

系统操控软件包含工艺流程图总画面，实时显示整个瓦斯抽放系统总体运行情况和主要设备的运行状态与实时参数。

系统具备报表生成、存储、查询和打印功能，可根据需要输出包括设备工况运行报表、故障报警实时报表、设备操作报告和过程变量报告等，保证各种规范管理的需要。

4.4 历史曲线查询功能

对于重要的系统参数，系统可以实时显示和绘制温度曲线、负压曲线、振动曲线、效率曲线等图表，并自动对历史数据进行保存，以供需要时及时查询。

4.5 视频监控功能、通信功能

系统可以提供实时的视频监控信号，并具备后续的联动报警功能。同时，它具有与全矿工业以太网联网的功能，能够把瓦斯抽采系统的各项监测参数、状态、故障参数、故障记录和报警情况等数据传输到矿数据服务器。

4.6 参数设置，备份和恢复

用户可以根据自己的系统运行情况，设置系统各个设备的运行参数，为系统报警提供依据。除了可以自动进行软件的备份和恢复外，用户可以手动指定文件备份并压缩，之后手动恢复到需要的软件平台节点上。

5 结语

轿子山瓦斯抽采泵站的自动化改造，改变了原来系统运行依靠人工观察、记录数据、手动操作的状况，通过PLC进行数据实时采集和传输。上位机根据数据信息和变化趋势及时进行预警与报警，提高了泵站运行效率，降低了工人劳动强度，同时自动记录开停、故障、历史曲线等信息，提高了管理效率，对瓦斯治理具有极大的促进作用，进一步提高了轿子山煤矿安全生产水平，达到了预期的目标。

参考文献：

[1]许卫国.矿井瓦斯事故危险的预先评价[J].能源技术与管理，2010（3）：55-56.

[2]李涛.瓦斯抽采泵站自动化系统设计[J].煤矿机械，2019（4）：11-13.

[3]何默为，刘永贤.上位机与PLC远程通信实现动态数据采集研究[J].机械与电子，2007（4）：49-52.