基于模糊控制選煤廠瓦斯監控系統的設計及應用

王池延

（晉神能源有限公司沙坪洗煤廠， 山西 忻州 036500）

引言

選煤廠作為煤炭分選的場所，在實際生產中存在瓦斯安全隱患問題。根據相關標準規定，當工作面現場的瓦斯濃度超過1.0%以上時，應將鄰近區域20 m處的電氣設備全部停機；當走廊中的瓦斯濃度超過0.5%以上時，應將走廊中的非本質安全性電源斷電。當前，選煤廠瓦斯監控系統其本質與綜采工作面的設計思路一致，在實際應用中存在瓦斯傳感器報警錯誤導致現場誤動作、風機能耗嚴重、現場噪聲嚴重以及檢修不方便等問題[1]。本文將基于模糊控制理念完成選煤廠瓦斯監控系統的設計，并對其應用效果進行驗證。

1 選煤廠瓦斯監控系統的總體設計

選煤廠的主要功能是完成原煤的運輸、洗選以及最終精煤產品的運輸。當前，選煤廠的功能相對齊全，且控制精度較高，對應的生產率較高、產品質量也優越。對于選煤廠而言，瓦斯濃度較高的場所位于煤倉，且主要聚集在煤層的頂部和上隅角。總的來講，選煤廠煤倉的瓦斯濃度變化速度相對緩慢，不同于綜采工作面瓦斯濃度出現突變的現象。因此，針對選煤廠的瓦斯監控系統需根據選煤廠瓦斯特點完成相關、關鍵器件的選型，從而達到最佳的控制效果。

根據《選煤廠安全規程》的相關規范要求，針對選煤廠儲存、裝運、洗選等位置處出現瓦斯超限的問題，必須及時采取有效的防治措施[2]。對于選煤廠瓦斯監控系統而言，在相對惡劣的工作環境能否準確的對現場瓦斯濃度的檢測是實現其功能的關鍵。此外，選煤廠瓦斯監控系統還應實現如下功能要求：

1）重點對選煤廠現場的煤倉內部以及轉載點處的瓦斯濃度進行檢測，并具備對監測數據存儲、顯示的功能；

2）當檢測到煤倉或者轉載點的瓦斯濃度超出限值后，在發出報警功能的同時應啟動通風機；

3）具備實現上位機與各個分站點進行通信的功能。

結合上述功能需求，設計的瓦斯監控系統如圖1所示。

圖1 瓦斯監控系統總體結構框圖

如圖1 所示，瓦斯監控系統分為管理層、監控層、控制層以及設備層。設備層主要指在現場安裝的瓦斯濃度傳感器和通風機；控制層為根據設備層所采集到的瓦斯濃度，在現場控制柜中的PLC 對數據進行處理后，結合通風機的實時工作狀態對其進行調整；監控層為現場瓦斯濃度、通風機等參數的實時顯示于存儲；管理層主要是實現上位機對系統的控制功能[3]。

2 瓦斯監控系統硬件和軟件設計

2.1 硬件設計

2.1.1 關鍵設備的選型

結合圖1 中所設計的瓦斯監控系統的總體結構，本節重點完成關鍵設備的選型設計。參照《煤礦安全監控系統及檢測儀表使用管理規范》的相關章程，并結合選煤廠的實際生產情況，所選型的關鍵設備如下頁表1 所示。

表1 選煤廠關鍵設備選型結果

2.1.2 瓦斯濃度傳感器與通風機相對位置的確定

結合現場對選煤廠煤倉瓦斯濃度的分布情況進行測量，以煤倉頂部的瓦斯濃度最高。因此，將瓦斯濃度傳感器其布置于煤倉設備層頂部2 m 的位置；將通風機機布置于煤倉頂部，分別距離煤倉倉壁1 m 的位置。煤倉瓦斯濃度傳感器與通風機安裝的相對位置如圖2 所示。

圖2 瓦斯濃度傳感器與通風機在煤倉安裝的相對位置

2.1.3 防爆設計

選煤廠瓦斯濃度監控系統的需充分考慮防爆設計，具體防爆措施如下：

1）為瓦斯濃度監控系統設計相應的電氣隔爆外殼，保證外殼具有足夠的強度和密封性，保證內部發生爆炸時不會將能量傳出去；

2）對于系統所配置的類似于真空接觸器的電氣元件應為其加裝相應的防護設施，以避免火花引發爆炸；

3）當系統檢測到瓦斯濃度已經超標嚴重后，設計對應的防爆策略切斷選煤廠的所有供電電路，以保證生產的安全性[4]。

2.2 軟件設計

根據瓦斯濃度傳感器的功能需求和硬件的總體結構，對應的瓦斯監控系統的軟件結構以瓦斯監控主程序為主，其中包括對系統的初始化、自檢、模擬量轉化、通信程序、數據交換以及系統的自動運行程序等。

瓦斯監控系統的主要軟件功能除了根據實際采集到的瓦斯濃度對通風機的運行狀態調整外；還有一項重要功能為保證通風機的能耗為最低。本節重點對實現通風機的節能運行進行研究。

針對通風機的節能運行，主要通過保證通風機的通風量實時與現場瓦斯濃度傳感器所檢測到的數據相關；解決當前通風機勻速運行工況時，在瓦斯濃度較小時所導致的電能浪費。因此，本文監控系統除了以PLC 控制器為核心對通風機的運行狀態進行控制外，為其增加模糊控制算法實現對通風機的精準控制[5]。

對于模糊控制而言，主要是根據被控制對象完成模糊控制器的設計，并制定合理、高效的模糊控制規則。

基于模糊控制某選煤廠瓦斯監控系統的應用效果主要表現為兩方面：其一對選煤廠現場瓦斯濃度的控制效果；其二對選煤廠通風機節能運行控制的效果。

2.2.1 選煤廠瓦斯濃度控制效果

現場采用本文所設計的基于模糊控制的瓦斯安全控制系統后，對現場東側風機入口、西側風機入口等位置的實時瓦斯濃度進行監測。

新系統的應用可將現場瓦斯濃度最低控制在0.2%以下，對應最好的瓦斯濃度也不會超過0.4%，而且在達到最高點后瓦斯濃度馬上下降，說明基于模糊控制的瓦斯監控系統具有極好的響應特性。

2.2.2 通風機節能運行效果

對選煤廠投入基于模糊控制的瓦斯安全監控系統前后通風機的耗能進行對比。實踐表明，在1 d 的工作時間內，基于新設計的瓦斯安全監控系統可節約電能21.3%。

3 結語

選煤廠作為煤炭的分選場所在實際生產中會出現瓦斯超限的問題，影響著選煤廠的安全運行。不同的是，選煤廠的瓦斯濃度變化相對緩慢，不會像綜采工作面出現瓦斯突出的情況。結合選煤廠的瓦斯分布特點，本文主要完成了基于模糊控制的瓦斯監控系統的設計，并總結如下：

1）基于模糊控制的瓦斯安全監控系統可將現場瓦斯濃度控制在標準范圍之內，并在瓦斯濃度稍高的情況及時增大通風機的風量以達到降低瓦斯濃度的目的；

2）基于模糊控制的瓦斯安全監控系統，可實現通風機的節能運行，節能效果高達21.3%。