基于PLC的瓦斯抽采监控系统研究

谢旭

摘 要

在井下煤矿瓦斯抽采系统中引入PLC智能控制技术，利用PLC技术实现对抽采管路的内CH4浓度、C2H4浓度、CO浓度、流量、负压、温度等参数的采集，建立其逻辑控制集合，控制井下防爆抽采泵、主管道负压控制阀等设备的运行状态。另外，地面数字化平台也可以远程在线控制现场设备，实现智能化无人值守，通过该监控系统的应用，提高了运行设备的可靠性，实现了瓦斯智能化、高效率抽采，在确保安全生产的前提下实现煤炭资源的合理化高效利用。

关键词

瓦斯抽采;PLC;系统设计;数字化平台

中图分类号： TD712                   文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 05

Abstract

PLC intelligent control technology is introduced into the underground coal mine gas extraction system， and PLC technology is used to collect the CH4 concentration， C2H4 concentration， CO concentration， flow rate， negative pressure， temperature and other parameters in the extraction pipeline. The logical control set is established to control the operation state of the equipment such as the explosion-proof extraction pump and the negative pressure control valve of the main pipeline.In addition， the ground digital platform can also remotely control the field equipment online to realize intelligent unattended operation. Through the application of the monitoring system， the reliability of the operating equipment is improved， the gas is intelligent and efficient extraction is realized， and the rational and efficient utilization of coal resources is realized on the premise of ensuring safe production.

Key words

Gas extraction; PLC; System design; Digital platform

0 引言

在我國诸多煤矿事故中，煤矿瓦斯事故对我国煤矿安全高效的生产产生严重阻碍，也威胁到人民的生命财产安全。根据国家部分数据的统计，煤矿安全事故的70%与瓦斯有关，瓦斯事故造成的人员伤亡占重大煤矿事故造成人员伤亡的90%。煤矿瓦斯事故也是煤矿事故中伤亡人数最多、影响范围最广、最严重的事故之一。同时，我国高瓦斯矿井占到50%～70%，随着开采深度的增加，煤储层瓦斯含量和瓦斯压力不断增大，抽采率低、抽采自动化智能化低的现状大大限制了井下瓦斯工业的发展，造成每年大量的瓦斯资源大量排空浪费。针对这一现状，提出了基于PLC的瓦斯抽采监控系统研究，使得瓦斯抽采自动化、智能化大大提升，为井下瓦斯抽采提供了安全保障。

1 瓦斯抽采监控系统

1.1 系统工作原理

井下CH4浓度传感器、C2H4浓度传感器、CO浓度传感器、流量传感器、管道负压传感器、温度传感器等设备将采集到的数据传输给井下分站中PLC控制系统，经过PLC控制系统的数据分析处理，控制井下防爆抽采泵、主管道负压控制阀等设备的调速、开停，同时发出告警信号，并将数据和监控结果通过光纤传输和MODBUS通讯传输到地面数字化平台显示出来，大大提高了瓦斯抽采系统的智能化和可靠性。

1.2 PLC控制结构

该瓦斯抽采监控系统需连接多种传感器采集多种不同数据，同时要控制抽采泵、负压控制阀门的工作状态，涉及的井下设备使用频率高、执行动作准确性强，要求控制器在执行动作上具有高可靠性和稳定性，因此选择PLC作为中央控制系统，能够实现大量数据的分析处理，控制结构如图1所示。井下传感器将采集到的数据通过本安隔离板传输给PLC控制器，PLC控制器经过数据分析做出判断后，控制设备启停箱，从而实现相关设备的具体操作。

1.3 井下分站软件设计

井下分站中的PLC控制系统对采集到的数据进行分析处理。将C2H4气体设置为系统停止抽采的标志性气体，CO气体浓度安全值设置为60ppm，抽采管道瓦斯温度安全值设置为不超过70℃，建立表1逻辑控制集合。

PLC井下分站的软件设计采用梯形图语言编写井下分站监控软件程序，实现对瓦斯抽采监控系统的各项参数与设备的运行数据的采集、换算、控制，并于地面数字化平台保持实时通讯，上传井下数据、接受数字化平台控制命令。井下监控分站软件设计流程图如图2。

2 瓦斯抽采监控系统的设计

该瓦斯监控系统的硬件设备包括CH4浓度传感器、C2H4浓度传感器、CO浓度传感器、流量传感器、管道负压传感器、温度传感器、负压控制阀、防爆抽采泵、井下分站机箱，其中井下分站机箱主要包含电源与PLC。该监控系统的工作面需要包含数个分站和一个总站，每个分站监测并控制每个抽采单元，同时将抽采参数以有线光纤传输方式传输到总站，每个单元的抽采参数由总站显示并将整个工作面的瓦斯抽采参数实时传输至地面。传感器部分负责采集抽采管路内各类参数数据，并且将采集到的数据实时传输至地面总站。总站通过地面数字化平台显示井下各个抽采分区的瓦斯抽采参数。PLC与上位机是经过光纤传输和MODBUS通信协议来实通讯。地面数字化平台监控中心通过Visual Studio 2017开发环境下用C#进行搭。

3 瓦斯监控系统界面设计

井下传感器采集得到的數据经过井下传输至地面数字化平台监控中心得以显现。通过数字化平台可以发现，瓦斯监控系统由数个井下分站PLC机箱组成。同时通过该页面，也能够看到井下抽采泵、负压控制阀的实时运行状态。这些信息既能够保证监控井下设备运行状况，又能够确保抽采泵的开停以及实现负压控制阀高低压的自动转换，提高了瓦斯监控系统的可靠性。

4 系统功能

4.1 控制功能

瓦斯监控系统具备两大控制方式，分为远程在线控制、就地手动控制。远程在线控制即地面数字化平台控制中心收到井下传感器采集的信息后，可以方便地在地面控制中心实现各个瓦斯抽采单元的启、停，也支持瓦斯抽放泵的调速，可实现抽采管路的瓦斯排放与通风功能。就地手动控制功能，即就地操作井下分站机箱控制其抽采单元的工况，实现抽放瓦斯以及通风的目的，以保证井下的安全。

4.2 应急联动预警、告警功能

系统通过井下安装的矿用声光报警器，在出现CH4、CO浓度超限等紧急情况时发出声光报警信号，提示工作人员及时处理安全隐患。

4.3 显示功能、报表及打印功能、历史曲线查询功能

地面数字化平台实时显示整个瓦斯抽放系统总体运行情况、主要设备的运行状态与实时参数，同时也可完整记录一些有关系统设备的重要操作，包括操作人、操作时间、操作流程、操作码等。该系统具备报表生成、存储、查询和打印功能，可根据需要显示打印设备工况运行报表、故障报警实时报表、设备操作报告等，保证各种规范管理的需要。对于重要的系统参数，系统可以实时显示和绘制相应图表或曲线，并自动对历史数据进行保存，以供需要时及时查询。

5 结束语

本文基于PLC的瓦斯抽采监控系统，实现了煤矿瓦斯抽采高智能化、自动化，能够及时有效的预警与告警，有力的保障了煤矿的安全生产。同时真正地做到了数字化平台集中监控、优化控制、提高监控水平与管理效率，对瓦斯治理具有极大的促进作用。

参考文献

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