煤礦井下瓦斯抽采管網監控系統的設計與實現

王燕軍

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，太原 030052）

0 引言

目前，我國大多數煤礦開采方式采用的是井工開采，通過開掘井筒和地下巷道系統來進行作業，而煤層中充斥著大量的瓦斯氣體，因瓦斯泄漏而造成煤礦安全事故的事件時有發生，對工作人員的生命健康和煤礦的安全運營帶來很大的威脅[1]。為此，針對煤礦瓦斯安全事故問題，我國于2002 年提出“先抽后采、監測監控、以風定產”瓦斯治理方針。方針指出，瓦斯抽采是預防瓦斯安全事故發生的重要措施，煤礦開采之前，首先要將埋藏于煤層中的瓦斯氣體抽采出來，這樣才能杜絕瓦斯氣體泄漏帶來的安全隱患，減少瓦斯安全事故的發生[2]。

為響應國家方針，實現上述目標，本文設計了一套基于PLC控制器的瓦斯抽采管網監控系統，該監控系統功能齊全，將傳感器檢測模塊安裝于管道各監測點，可對瓦斯氣體管道中瓦斯氣體的濃度、流量、壓力以及設備的溫度等參數實現實時在線監測、智能分析與處理，為瓦斯抽采工作的安全進行提供了保障。

1 整體方案

礦井瓦斯抽采管網監控系統的整體設計方案如圖1所示。整個監控系統由地面遠程監控中心、工業以太環網通信網絡、監控分站3 大部分組成。其中，遠程監控中心包含上位機、服務器設備，負責對上傳的監測數據進行分析判別和智能處理、在線曲線顯示、存儲、報表統計及打印等；工業以太環網通信網絡中由多個礦用光纖交換機組成，負責將井下管網監測到的工況數據上傳到遠程監控中心；監控分站中包含監測分點和控制分點，監測分點安裝于地面泵站、各管道監測點處，可對地面泵站、井下各類管道及環境參數進行實時連續監測。

2 硬件部分

2.1 監控分站硬件方案設計

圖1 瓦斯抽采管網監控系統整體方案

監控分站硬件方案設計框圖如圖2所示。監控分站包括監測分點、控制分點及PLC 主控制器3 個部分，其中監測分點包含模擬量輸入和數字量輸入模塊；控制分點為數字量輸出模塊。模擬量輸入模塊采集部分由瓦斯傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、CO 傳感器組成；數字量輸入模塊采集內容包括電動閘閥、電動球閥的開關狀態以及水環真空泵的啟停信號等；數字量輸出模塊輸出內容包括真空泵的啟停信號、電動球閥和閘閥的開關信號、聲光報警信號、電機過溫信號等。

圖2 監控分站硬件方案設計框圖

2.2 主控制器選型

由于礦井環境極度惡劣復雜，為了保證監控系統的可靠性和穩定性，監控系統選用德國西門子公司的S7-200系列PLC作為主控制器[3]。中央處理器模塊具體型號為CPU226，方便以后系統升級擴展。通信模塊采用型號為CP243-1，通過該模塊可將S7-200 PLC控制器連接到工業以太網中。通過分析可以得出：監控系統需要檢測的模擬量包括瓦斯氣體的濃度、壓力、流量，設備的溫度，CO 濃度等，這些數據都是模擬輸入量，為了使PLC可以對這些數據進行處理，選用2個EM231模塊作為模擬量輸入模塊。

2.3 傳感器檢測模塊設計與選型

根據監控系統的監測需求，本文對傳感器檢測模塊進行了具體設計，同時對傳感器型號進行了明確選型[4]。（1）溫度傳感器：系統選用型號為KGW5的數字式溫度傳感器，可直接輸出模擬量信號，采用正電源供電方式。（2）壓力傳感器：系統選用型號為GPD3的壓力傳感器，用于測量瓦斯抽采管道的瓦斯氣體壓力。（3）流量傳感器：系統選用DSQ 系列氣體超聲波流量計，對管道內瓦斯氣體流量進行檢測。（4）甲烷傳感器：選用型號為GJC4 的甲烷傳感器，可精確測量管道內、礦井煤層中、礦井環境中的甲烷濃度。（5）CO傳感器：選用型號為KGA21的一氧化碳傳感器，對礦井巷道進行火災早期檢測。

3 監控系統

3.1 下位機程序設計

下位機是監控系統的核心部分。數據的采集、處理、上傳，控制指令的下達，都要通過下位機主控制器來實現。系統主控制器采用了S7-200 系列PLC，西門子公司基于此款硬件開發了專門的程序設計軟件STEP 7 MicroWIN，該款軟件具有編程方式簡單直觀、編程環境友好等優勢，大大提高了工程設計人員的設計效率[5]。采用梯形圖編程方式進行下位機程序設計。

程序設計過程中，為了便于設計，提高程序的執行效率，采用模塊化的設計思想，將系統功能模塊化為多個功能子程序，并由主程序統一調用執行。

設計的軟件程序包括系統主程序、模擬量采集子程序、數字量采集子程序、數字量控制子程序、聲光報警子程序、CAN 總線通信子程序、液晶顯示子程序等[6]。圖3所示為監控系統主程序流程框圖。

圖3 監控系統主程序流程框圖

3.2 上位機監控軟件設計

為了實現遠程監控，系統基于Kingview 6.53組態王軟件進行上位機監控軟件的開發，利用模塊化的設計思想將整個軟件的功能設置為8個不同模塊，每個模塊實現相應的功能，軟件簡單直觀，非常適合地面工作人員的使用[7]。圖4 所示為上位機監控軟件的功能模塊構成框圖。

圖4 監控軟件功能模塊構成框圖

可以看出，該上位機監控軟件包括系統登錄模塊、主監測模塊、參數設置模塊、遠程報警模塊、數據曲線趨勢顯示模塊、報表統計模塊、數據庫存儲模塊、網絡發布模塊8個模塊。上位機監控軟件開發完成后，需要同下位機進行通信，為此開發了相應的以太網通信驅動程序，這樣便可與主控制器直接對接[8]。

主監測模塊是系統上位機監控軟件的重要組成模塊，直觀地反映了瓦斯抽采管網的主要抽采狀況。數據曲線趨勢顯示界面包括實時數據顯示和歷史數據顯示兩個功能，可將各監測分點的瓦斯濃度信號、壓力信號、溫度信號、流量信號、CO 濃度信號以動態曲線的形式顯示出來，便于監測分析。數據庫存儲界面利用Access 數據庫實現相應功能，包含抽采系統監測數據的存儲、查詢、打印及清空等功能。

4 結束語

為預防瓦斯安全事故的發生，保障煤炭開采的安全運營，本文借助PLC 控制器技術、傳感器檢測技術、上位機組態監控技術、CAN 總線通信技術以及光纖通信技術設計了一套基于PLC 控制器的礦井瓦斯抽采實時監控系統。井下監控分站可將檢測到的管道、環境信息上傳到上位機監控中心，監控軟件界面可直觀地顯示瓦斯抽采系統各個環節的運行狀況，從而為工作人員分析和評價瓦斯抽采效果提供了可靠的依據。實際應用效果表明，監控系統監測覆蓋范圍廣、可靠性高，保障煤礦安全運營，具有一定的推廣應用價值。