基于PLC 的選煤廠瓦斯監控系統設計

閆 杰

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦選煤廠，太原 030200）

0 引言

在選煤過程中，由井下開采出來的原煤通過皮帶機直接輸送到煤倉中，大量的煤炭堆積在封閉環境里，由于煤倉的通風性很差，煤體釋放出的瓦斯大量積聚直至超出限值，從而引發瓦斯爆炸等安全事故。由此可以看出，選煤廠煤倉中瓦斯含量過高極大影響了洗煤作業安全有效地進行，所以開發出一套穩定性好、測量精度高的瓦斯監控系統是很有必要的。傳統的瓦斯監控方式是工人通過現場巡檢廠內固定的監測點來進行定時的測量，這樣的方式不僅測量精度低，滯后性很大，而且對檢測人員的身體也會造成一定傷害。目前許多廠也投入使用了一些瓦斯自動監控系統，但是系統運行不夠穩定，精確度不高，無法實時根據瓦斯濃度控制風機智能啟停，耗電量仍然較大。

本文從系統整體架構，硬件組成和軟件設計3 個部分入手，闡述了本系統的控制原理和過程以及各部分所實現的功能，并以此完成了系統軟件的設計，最終實現煤倉內部和轉載點處瓦斯濃度的實時監測以及風機智能啟停的功能。

1 系統設計總體方案

瓦斯監控系統主要需實現以下功能：在固定檢測點處的傳感器可采集甲烷濃度的頻率信號以及電流信號；可實現監測點瓦斯體積分數值模擬量的收集和顯示［1］；系統應具有瓦斯濃度過高預警和斷電功能，當某監測點瓦斯濃度過高引起報警時立刻啟動風機。

按照系統功能對瓦斯監控系統進行設計，系統主要分為現場設備層、控制層和監控管理層3 部分，其中由風機PLC組成的控制層是系統的關鍵內容，風機PLC具有相對自主的控制能力，可完成現場控制任務。

現場設備層主要由各監測點瓦斯濃度傳感器和防爆風機組成，瓦斯傳感器可將采集到瓦斯濃度信號經過放大、轉換后變為頻率信號輸入至PLC中。

監控管理層由人機交互觸摸界面和監控上位機、主控PLC組成，上位機主界面主要顯示風機監控及運行情況，并包含所有模擬量參數的顯示，同時還具有歷史數據查詢等功能；人機觸摸屏的顯示畫面及功能與集控室監控畫面功能基本相似；集控室的主控PLC與風機PLC通過主從站通訊實現信息互通，主控PLC與監控上位機通過以太網通訊［2］，可實現對廠內所有設備的控制，同時還可監測全廠機電設備的工作狀態，掌管全局。圖1所示為監控系統總體設計方案。

圖1 監控系統總體設計方案

2 硬件方案設計及選型

由于選煤廠煤倉及附近屋室及過道內瓦斯濃度較高，所以系統中如風機、傳感器、聲光預警器等設備的選取需要滿足隔爆規范。

風機PLC控制器是本系統的核心部分，本文選用西門子S7-200 可編程控制器，S7-200 PLC體積小巧［3］，價格低廉，擴展性能強大，完全滿足本系統的監測、控制需求。PLC 的CPU選擇S7-226，該CPU 采用24V DC 輸入輸出，具有24路數字量輸入和16路數字量輸出［4］，允許最大擴展7 個I/O模塊，集成多種通訊功能，可實現RS-485、PPI 和MPI 通訊，同時還具有自整定PID、在線編程、數據記錄等多種功能。BCNet模塊用于實現控制器和監控上位機的以太網數據通訊，具有開放的協議接口，可對上位機軟件進行二次開發。控制器還配有2個EM231模擬量輸入模塊，用于將傳感器收集到的甲烷含量值進行A/D轉換［5］。EM277 是S7-200 的一個智能擴展單元，用于實現S7-200 PLC 分控器和S7-300 PLC主控器間的主從站通訊。

甲烷傳感器是現場設備層的核心，本文選用GJG100J 型礦用激光甲烷傳感器［6］，激光甲烷傳感器相比于傳統的光纖和催化傳感器測量更加精確，工作更穩定，無需用戶校準即可長期在線工作，它可以將采集到的瓦斯濃度變量轉換為標準的頻率信號或RS485數字信號，其工作電壓為9 ～24 V，工作電流小于或等于100 mA/18V DC，測量范圍為0.00 ～100%CH4，當瓦斯量處于1%以下的低濃度時，測量誤差只有±0.06%，根據瓦斯濃度值不同，可以輸出200 ～2 000 Hz 不同的頻率信號，脈沖寬度大于0.3 ms。該傳感器工作原理如圖2所示。

本系統風機選用YBT-5.5隔爆型軸流式通風機，該風機風量為90 ～180 m3/min，全壓效率高達81.5%，葉輪直徑為φ400 mm，電動機采用礦用隔爆型二極三相異步電動機，電壓為380/660 V，相比于其他型號的隔爆風機，該型號風機結構簡單緊湊，堅固耐用，使用安全，維修方便，完全滿足本系統需求。

當甲烷含量超標時，系統應具有預警提示功能，本文選用KXH18 礦用本質安全型聲光報警器［7］，其工作電壓為DC18 V，工作電流小于或等于100 mA，光報警信號是交替時間為（0.5 ±0.1）s的急促報警，聲報警強度大于或等于85 dB，光報警強度20 m可見，當甲烷濃度值超過報警閾值時，由控制器發出報警器輸入信號，從而產生聲光報警信號。

圖2 激光甲烷傳感器原理圖

位于集控室的監控上位機可實時顯示煤倉內各監測點的瓦斯濃度動態值，并根據實際情況進行遠程控制和參數設置。本文選用研華IPC-610H 工控主機：PCA-6007LV/P43.0G/1G/160G/DVD/10M-100M 網卡/聲卡/KB + M，同時系統留有足夠的擴展余量，甲烷傳感器將監測數據轉換成4 ～20 mA標準信號后通過隔離電路傳送至計算機，由計算機對信息進行分析處理。

3 軟件方案設計

瓦斯監控系統的主程序包含以下環節：系統初始化、瓦斯濃度模擬值轉換、采集數據濾波、采集數據交換、風機自動控制程序、通訊程序。系統初始化時可以設置瓦斯濃度的上限及下限閾值，并自檢整個系統查看是否存在故障；甲烷含量模擬值轉換是將系統采集到的濃度模擬量轉變為工程量；數據濾波可對系統收集到的甲烷含量參數進行挑選和剔除，從而得到有效數據；采集數據交換用于從站與集控主站間瓦斯濃度數據的交換［8］；風機自動控制程序可以通過實時的瓦斯濃度控制風機智能啟停。瓦斯監控主程序框圖如圖3所示。

按照選煤廠內實際要求，對瓦斯濃度限制值進行設定，本系統分別對煤倉和煤倉附近走廊的瓦斯限制值進行了設置，走廊瓦斯濃度上限為0.3%，煤倉為0.4%。當現場甲烷含量值剛剛超出上述閾值時，PLC 控制1 臺風機自動運行進行通風，若開啟一臺風機后瓦斯濃度依然持續上升，則相繼開啟后續風機進行瓦斯抽放；如果煤倉內瓦斯濃度超過1%時，主控室向各儲運車間PLC S7-200 傳送停止指令使設備停運，主洗車間設備則繼續運行，等待報警解除后，儲運車間設備再重新投入運行。如果是精煤倉，當發生甲烷濃度嚴重超出閾值時廠內全部設備都必須停運，直到超限報警解除后，才能全部投入運作。圖4 所示為風機啟動流程圖。

圖3 瓦斯監控主程序框圖

圖4 風機啟動流程圖

4 實際運行測試效果

該系統在投入運行測試后，對瓦斯濃度數據的采集和顯示都較準確，可精確快速控制風機，大大減少了人工投入率，人機界面簡潔，操作方便。

以煤倉上5臺額定功率為5.5 kW風機為例，未配備本系統前，風機每天的運行時間為24 h，幾乎全年都投入運行，風機耗電量W1＝3×5.5 kW×24 h×365 ＝144 540 kW·h。配備本系統后，1#、2#、3#號風機全年工作最多160 d，4#、5#風機備用，風機耗電量W2＝3×5.5 kW×24 h×160 ＝63 360 kW·h。則年電能節約量ΔW ＝W1-W2＝81 180 kW·h。故煤倉內共3臺常開風機年節電量約為81 180 kW·h，實現了節能運行，節約了運行成本，提高了經濟效益。

5 結束語

本文設計的基于PLC的選煤廠瓦斯監控系統在實際測試中有效降低了煤倉內的瓦斯體積分數最大值，倉內瓦斯濃度的波動性明顯降低，同時具有明顯的節能效果，在保證選煤廠安全生產的前提下節約了生產費用，具有良好的經濟效益和應用前景。