煤礦瓦斯抽采泵站自動化系統的研究與應用

宋永灤　賀廣強

摘 要：我國煤礦多為井工開采，瓦斯災害嚴重，特別是貴州省。目前，瓦斯抽采泵站仍以人工操作為主，效率低下，監管難度大，安全生產壓力巨大。本文以貴州豫能轎子山煤礦為例，對該礦瓦斯抽采泵站實施自動化改造，使得瓦斯抽采泵站可以自動化抽放泵站環境瓦斯。同時，實時監測抽放流量、抽放瓦斯濃度、溫度和管道壓力等數據，利用視頻進行實時監控。另外，集控室可以遠程控制現場設備，實現無人值守，大大提高了該礦瓦斯抽采效率及管理水平。

關鍵詞：瓦斯抽采;PLC;自動化;煤礦;無人值守

中圖分類號：TD712.63;TP273 文獻標識碼：A 文章編號：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 系統改造前的狀況

改造前，轎子山煤礦有4臺瓦斯抽放泵，采用水循環式瓦斯抽排泵，冷卻方式為水冷。另有2臺循環水泵，用于冷、熱水循環。瓦斯主管路閥門共計32個，均為手動，循環水池有2個，分為高位水池和低位水池。當前，瓦斯抽采泵未安裝在線監測系統，未安設傳感器，無法對電機溫度等相關數據進行采集，系統的啟停全靠人工操作，迫切需要進行自動化改造，提高抽采效率。

2 系統結構

抽放監控系統如圖1所示，系統監測和監控功能有機結合為一個整體，數據共享方便、快捷、有效，各層次之間的數據傳輸穩定、可靠;監測功能由所有傳感器分別實現，然后通過監控柜采集整理并上傳數據至中心站，實現遠程網絡監測的全部功能;監控功能則依靠監測所得各項數據，實時判斷是否滿足控制條件，以上位機運算和下發控制指令、PLC可編程控制柜接收指令并發出動作指令為核心，實現全自動遠程監控的全部功能[1，2]。

2.1 監測結構

在監測結構方面，系統采用中心站、顯示控制裝置、檢測傳感器三層結構。一是中心管理層，中心站負責管理整個瓦斯抽采系統中各設備檢測的數據，承擔抽放監控柜實時數據通信、統計存儲、屏幕顯示、查詢打印和網絡通信等任務。二是顯示控制裝置層（分站），承擔采集現場各傳感器數據、數據計量及操作控制、故障保護、面板操作、現場數據顯示和聲光報警等任務。三是傳感器層，負責采集瓦斯抽采系統中的各種參數。

2.2 控制結構

在控制結構方面，系統采用上位機、PLC可編程控制柜、受控設備三層結構，其中，上位機負責實時監控整個抽放系統所有設備的運行狀態，采集監測數據，判斷控制條件，下發控制指令，共享控制權力（實現網絡遠程控制）;PLC可編程控制箱集中控制現場所有受控設備，通過儲存的程序指令以條件式的判斷精確地實現遠程控制[3];受控設備包括抽放泵、電動閥等。

系統設備中的本安操作臺配置一塊25.4cm的觸摸顯示屏，用于本地的參數設定和狀態查詢。

系統設備中的PLC控制柜采用西門子1500系列PLC作為核心模塊。

3 傳感器的選型與設計

本系統對瓦斯抽采系統實施控制的設備主要有兩種，控制對象包括瓦斯抽采泵的啟停，電動閥的開、關、停等。人們要利用PLC對這些閥門進行多種方式控制，確保系統高效、可靠、安全地運行，降低工人勞動量，方便管理。

傳感器采集參數主要有四類。泵站環境參數包括瓦斯泵房環境瓦斯濃度、環境溫度等;管路參數包括管路瓦斯、負壓、流量和溫度等;工況參數包括抽放泵開停狀態、前后軸溫度，閥門開停狀態和到位狀態等;供水參數為循環水供水狀態。

本設計的具體實現路徑如下。一是所有管路閥門均更換為電動閥門，實現基礎設施的改造。二是在每個抽放泵水汽分離裝置水位表位置配備1個水壓力傳感器，共計4個;在循環水泵出水口配備2個水壓力傳感器，用于實時監測循環水壓力;在循環水泵進水口配備2個負壓傳感器，用于監測循環水泵的運行狀態。

三是在瓦斯抽放泵循環進水口配備缺水傳感器，防止缺水，共計4個。四是在兩個循環水池放置水位傳感器，用于實時監測水池水位，當水位過低時，發出警告信號，共計2個。五是室內瓦斯監控，配置2臺量程為0%～100% LEL的GJC4甲烷傳感器，用于監測抽放泵室內瓦斯的含量，防止發生泄露，共計2個。六是室內一氧化碳監測，配置2臺量程為0～1 250mg/m3的GTH1000一氧化碳傳感器，用于監測抽放泵室內一氧化碳的含量，防止發生泄露，共計2個。

七是水溫度，在高低溫熱水槽里面各放置1個量程為0～100℃溫度傳感器，用于測量水溫，共計2個。八是電機溫度在線監測，對抽放泵電機前后軸、三相定子溫度進行實時監測并上傳，并對允許溫度進行設置，超過后進行報警提示，便于檢查檢修，配備4個量程為0～500℃的溫度傳感器。九是報警提示功能，后臺監控配備音響一套，用于故障報警提示。十是安裝6臺球形攝像機，實現瓦斯抽采泵站的視頻實時采集及監控。

4 系統功能

4.1 控制功能

系統具有遠程集控、遠程單控、就地手動等多種控制方式。它具有在調度中心控制的遠控功能，可以方便地在調度中心實現各個瓦斯抽放的啟、停，可實現抽采管路的自動放水功能，也支持瓦斯抽放泵的調速。

4.2 聯動預警、告警功能

系統能夠進行故障識別與判斷，并通過安裝在瓦斯抽放泵室內的礦用聲光報警器，在出現緊急情況時發出聲光報警信號，提示操作人員注意，找出并解決故障。

4.3 顯示功能、報表及打印功能

系統操控軟件包含工藝流程圖總畫面，實時顯示整個瓦斯抽放系統總體運行情況和主要設備的運行狀態與實時參數。

系統具備報表生成、存儲、查詢和打印功能，可根據需要輸出包括設備工況運行報表、故障報警實時報表、設備操作報告和過程變量報告等，保證各種規范管理的需要。

4.4 歷史曲線查詢功能

對于重要的系統參數，系統可以實時顯示和繪制溫度曲線、負壓曲線、振動曲線、效率曲線等圖表，并自動對歷史數據進行保存，以供需要時及時查詢。

4.5 視頻監控功能、通信功能

系統可以提供實時的視頻監控信號，并具備后續的聯動報警功能。同時，它具有與全礦工業以太網聯網的功能，能夠把瓦斯抽采系統的各項監測參數、狀態、故障參數、故障記錄和報警情況等數據傳輸到礦數據服務器。

4.6 參數設置，備份和恢復

用戶可以根據自己的系統運行情況，設置系統各個設備的運行參數，為系統報警提供依據。除了可以自動進行軟件的備份和恢復外，用戶可以手動指定文件備份并壓縮，之后手動恢復到需要的軟件平臺節點上。

5 結語

轎子山瓦斯抽采泵站的自動化改造，改變了原來系統運行依靠人工觀察、記錄數據、手動操作的狀況，通過PLC進行數據實時采集和傳輸。上位機根據數據信息和變化趨勢及時進行預警與報警，提高了泵站運行效率，降低了工人勞動強度，同時自動記錄開停、故障、歷史曲線等信息，提高了管理效率，對瓦斯治理具有極大的促進作用，進一步提高了轎子山煤礦安全生產水平，達到了預期的目標。

參考文獻：

[1]許衛國.礦井瓦斯事故危險的預先評價[J].能源技術與管理，2010（3）：55-56.

[2]李濤.瓦斯抽采泵站自動化系統設計[J].煤礦機械，2019（4）：11-13.

[3]何默為，劉永賢.上位機與PLC遠程通信實現動態數據采集研究[J].機械與電子，2007（4）：49-52.