基于PLC的選煤廠瓦斯監控系統設計

夏國華

（同煤集團大友選煤有限責任公司，山西大同 037001）

0 引言

煤炭在開采運輸過程中，由于外部壓力、溫濕度等作用，部分瓦斯氣體由內部釋放，游離于煤炭表面［1］。當煤炭儲存在選煤廠煤倉時，處于封閉狀態，瓦斯氣體大量聚集，直至超出危險濃度范圍，引發安全事故，對選煤廠的安全生產與工人的生命財產造成嚴重威脅［2－3］。因此，設計一種可靠的選煤廠瓦斯監控系統十分重要，不僅需要實時采集各觀測點瓦斯濃度信號，判斷是否超限，同時要監測和控制主風機與備用風機的運行狀態，及時并準確地實現通風閉鎖功能［4－5］。

1 監控系統總體研究與設計

1.1 選煤廠瓦斯濃度分析

選煤廠主要功能是對煤炭進行分選，去除原煤中的雜質，將煤炭分為不同規格、不同用途的產品。煤炭通常深埋于地下，經過長期碳化過程，滋生出大量瓦斯，并吸附于煤炭，其中一部分瓦斯在開采運輸過程中，受到碰撞、擠壓、摩擦等外力，緩慢釋放出來，另一部分瓦斯在煤炭洗選儲存過程中大量釋放并積聚，因此選煤廠發生過很多瓦斯爆炸事故［6－7］。

由于瓦斯的質量濃度低于空氣，煤倉內釋放的瓦斯大量積聚于煤倉頂部和上存量與儲存時間的增加，瓦斯釋放量逐漸增大，積聚于煤倉頂部和上偶角。對于精煤倉與轉載點而言，煤炭洗選過程已經將一部分瓦斯釋放，但是由于精煤相較原煤的顆粒度較小，瓦斯釋放速度高于原煤，所以精煤倉與轉載點同樣會有瓦斯積聚，需要進行監測防護［8］。

1.2 監控系統總體方案設計

選煤廠瓦斯監控系統與井下瓦斯監控系統有很大區別，井下瓦斯監控系統在檢測到瓦斯濃度超限時，實現斷電閉鎖功能，自動切斷除風機外的所有設備電源，根據超限位置，確定開啟礦井主通風機或局部通風機。礦井瓦斯監控模式并不適用于選煤廠，在煤炭轉入煤倉的過程中，煤體與空氣流動性較大，煤倉內的瓦斯濃度有很大的波動，在瞬間會超出瓦斯濃度閾值，但此時并不會發生安全事故，如果設置斷電閉鎖，會限制選煤廠的正常生產活動。

根據選煤廠設備與瓦斯監控需求，監控系統所需要實現的功能包括原煤倉與精煤倉中瓦斯濃度、溫度、風速等信號的檢測、傳輸、存儲與顯示；煤倉瓦斯濃度超限報警和斷電功能，并及時啟動風機；控制器與上位機之間采用以太網通訊，傳感器與控制器之間通過RS485通信；風機包括主風機與備用風機，主風機故障情況下，具備自動切換功能。

監控系統的總體方案如圖1所示，系統按功能與位置分為遠程監控層、中間控制層與終端設備層。遠程監控層包括上位機、遠程監控機等外圍設備，負責系統參數的遠程調控與監測、數據傳輸和控制指令的協調。中間控制層包括中心控制器與網絡交換機等設備，負責監測信號的處理、通風機的自動控制與數據信號的轉換傳輸功能。終端設備層包括主副通風機、變頻器、各煤倉的信號傳感器等設備，負責煤倉內部環境參數的采集與傳輸、瓦斯濃度超限情況下的通風閉鎖功能。

圖1 監控系統總體方案

2 監控系統硬件選型設計

2.1 控制器與上位機選型

中間控制器負責監測信號的處理、通風機的自動控制等功能，根據系統的控制要求與輸入輸出端口的需求，本系統選擇的中間控制器為西門子S7－300系列PLC控制器。S7－300結構緊湊，各功能模塊集成多種接口，具有抗干擾能力強、響應速度快等優點，適合選煤廠的工作環境。控制器CPU型號為CPU315－2DP，單條指令運行速度0.1μs；電源模塊為PS307，輸入電壓交流220 V，輸出電壓直流24 V；通信模塊CP343－1，用于工業以太網的通信連接，支持計算機、觸摸屏等在線編程；上位機選用IPC－610H工控機，通過人機交互界面向中間控制器發出指令，同時實現調度室內監測數據的集中調控。

2.2 傳感器設計布置

根據選煤廠工作環境，以傳感器工作溫度、采集精度、抗干擾能力、使用壽命等因素，對監控系統所需要的傳感器進行選型設計。

甲烷傳感器選用電阻式半導體傳感器MQ－2，供電電壓5 V，通過旋轉數字電位器控制傳感器對甲烷氣體濃度的靈敏度。其原理如圖2所示。當甲烷濃度未超過傳感器預設值時，數字接口輸出低電平，模擬接口為低電平；當甲烷濃度超過傳感器預設值時，數字接口輸出高電平，模擬接口的輸出電壓隨著甲烷濃度的升高而增大。根據煤倉內瓦斯氣體的空間分布特征，傳感器應布置在溜槽下料口附近、煤倉設備層東西兩側，距離墻壁1 m左右。

圖2 甲烷傳感器原理

煤倉風速傳感器選用GFC－15超聲波風速傳感器，具有遠程紅外調試功能，工作電壓DC8～24 V，可連續監測0.3～15 m／s的風速，測量誤差小于或等于0.3 m／s，輸出信號頻率為200～1 000 Hz。設備開關傳感器選用GKT－L啟停狀態傳感器，用于監測皮帶運輸機、破碎機、水泵等設備的啟停狀態。GKT－L工作電壓DC9～21 V，測量范圍0～5 kPa。

2.3 風機與報警器選型

煤倉通風機選用BT35－11防爆軸流式風機，具有噪聲低、效率高的優點。電機為隔爆電機，工作溫度需低于65℃。改風機額定轉速1 450 r／min，額定風量18 250 m3／h，最大風壓300 Pa，額定功率2.2 kW。風機安裝于煤倉頂部，同時在設備層兩側設置通風口。

煤倉報警器選用KXH18礦用聲光報警器，具有功耗低、結構簡單、工作可靠的優點，可懸掛于煤倉墻壁，使用過程中不需要調校，使用便捷。KXH18報警器輸入電壓DC12～18 V，數據傳輸最大距離2 km，報警響聲85 dB，報警光源可輻射20 m。

3 監控系統軟件程序設計

系統軟件的主程序流程如圖3所示。在系統初始化與自檢結束后，操作人員向系統輸入瓦斯氣體的報警閾值，在檢測到串口有效標志位后，開始數據采集，通過與預設值比較，當采集濃度值超過預設值時，系統報警，運行風機控制模塊。風機自動控制采用冗余設計，當檢測到風機故障后，自動切換備用風機，風機的變頻控制采用負反饋調節，通過監測煤倉風速、瓦斯濃度等參數，實現風機的自動控制，當瓦斯濃度低于設定值時，風機進入低速運轉，降低運行功耗。

圖3 監控系統軟件主程序流程

4 結束語

本文針對選煤廠設計了一種基于PLC的瓦斯監控系統，用于監測原煤倉與精煤倉的瓦斯氣體濃度等參數，并實現通風系統的自動控制功能。系統融合瓦斯監測與風機自動控制功能，提高了選煤廠生產系統的協調控制能力與自動化水平，相較于傳統系統，風機響應速度提高了2 s，減少了不必要的通風時間，為公司節約了能源。