基于PLC的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)研究

　　在我國諸多煤礦事故中，煤礦瓦斯事故對(duì)我國煤礦安全高效的生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙，也威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。根據(jù)國家部分?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，煤礦安全事故的70%與瓦斯有關(guān)，瓦斯事故造成的人員傷亡占重大煤礦事故造成人員傷亡的90%。煤礦瓦斯事故也是煤礦事故中傷亡人數(shù)最多、影響范圍最廣、最嚴(yán)重的事故之一。同時(shí)，我國高瓦斯礦井占到50%～70%，隨著開采深度的增加，煤儲(chǔ)層瓦斯含量和瓦斯壓力不斷增大，抽采率低、抽采自動(dòng)化智能化低的現(xiàn)狀大大限制了井下瓦斯工業(yè)的發(fā)展，造成每年大量的瓦斯資源大量排空浪費(fèi)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出了基于PLC的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)研究，使得瓦斯抽采自動(dòng)化、智能化大大提升，為井下瓦斯抽采提供了安全保障。
　　1 瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)
　　1.1 系統(tǒng)工作原理
　　井下CH4濃度傳感器、C2H4濃度傳感器、CO濃度傳感器、流量傳感器、管道負(fù)壓傳感器、溫度傳感器等設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給井下分站中PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理，控制井下防爆抽采泵、主管道負(fù)壓控制閥等設(shè)備的調(diào)速、開停，同時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，并將數(shù)據(jù)和監(jiān)控結(jié)果通過光纖傳輸和MODBUS通訊傳輸?shù)降孛鏀?shù)字化平臺(tái)顯示出來，大大提高了瓦斯抽采系統(tǒng)的智能化和可靠性。
　　1.2 PLC控制結(jié)構(gòu)
　　該瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)需連接多種傳感器采集多種不同數(shù)據(jù)，同時(shí)要控制抽采泵、負(fù)壓控制閥門的工作狀態(tài)，涉及的井下設(shè)備使用頻率高、執(zhí)行動(dòng)作準(zhǔn)確性強(qiáng)，要求控制器在執(zhí)行動(dòng)作上具有高可靠性和穩(wěn)定性，因此選擇PLC作為中央控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的分析處理，控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。井下傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過本安隔離板傳輸給PLC控制器，PLC控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)分析做出判斷后，控制設(shè)備啟停箱，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的具體操作。
　　1.3 井下分站軟件設(shè)計(jì)
　　井下分站中的PLC控制系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。將C2H4氣體設(shè)置為系統(tǒng)停止抽采的標(biāo)志性氣體，CO氣體濃度安全值設(shè)置為60ppm，抽采管道瓦斯溫度安全值設(shè)置為不超過70℃，建立表1邏輯控制集合。
　　PLC井下分站的軟件設(shè)計(jì)采用梯形圖語言編寫井下分站監(jiān)控軟件程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、換算、控制，并于地面數(shù)字化平臺(tái)保持實(shí)時(shí)通訊，上傳井下數(shù)據(jù)、接受數(shù)字化平臺(tái)控制命令。井下監(jiān)控分站軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2。
　　2 瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　該瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括CH4濃度傳感器、C2H4濃度傳感器、CO濃度傳感器、流量傳感器、管道負(fù)壓傳感器、溫度傳感器、負(fù)壓控制閥、防爆抽采泵、井下分站機(jī)箱，其中井下分站機(jī)箱主要包含電源與PLC。該監(jiān)控系統(tǒng)的工作面需要包含數(shù)個(gè)分站和一個(gè)總站，每個(gè)分站監(jiān)測并控制每個(gè)抽采單元，同時(shí)將抽采參數(shù)以有線光纖傳輸方式傳輸?shù)娇傉?，每個(gè)單元的抽采參數(shù)由總站顯示并將整個(gè)工作面的瓦斯抽采參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至地面。傳感器部分負(fù)責(zé)采集抽采管路內(nèi)各類參數(shù)數(shù)據(jù)，并且將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面總站?？傉就ㄟ^地面數(shù)字化平臺(tái)顯示井下各個(gè)抽采分區(qū)的瓦斯抽采參數(shù)。PLC與上位機(jī)是經(jīng)過光纖傳輸和MODBUS通信協(xié)議來實(shí)通訊。地面數(shù)字化平臺(tái)監(jiān)控中心通過Visual Studio 2017開發(fā)環(huán)境下用C#進(jìn)行搭。 　　3 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)
　　井下傳感器采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過井下傳輸至地面數(shù)字化平臺(tái)監(jiān)控中心得以顯現(xiàn)。通過數(shù)字化平臺(tái)可以發(fā)現(xiàn)，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)個(gè)井下分站PLC機(jī)箱組成。同時(shí)通過該頁面，也能夠看到井下抽采泵、負(fù)壓控制閥的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。這些信息既能夠保證監(jiān)控井下設(shè)備運(yùn)行狀況，又能夠確保抽采泵的開停以及實(shí)現(xiàn)負(fù)壓控制閥高低壓的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。
　　4 系統(tǒng)功能
　　4.1 控制功能
　　瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)具備兩大控制方式，分為遠(yuǎn)程在線控制、就地手動(dòng)控制。遠(yuǎn)程在線控制即地面數(shù)字化平臺(tái)控制中心收到井下傳感器采集的信息后，可以方便地在地面控制中心實(shí)現(xiàn)各個(gè)瓦斯抽采單元的啟、停，也支持瓦斯抽放泵的調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)抽采管路的瓦斯排放與通風(fēng)功能。就地手動(dòng)控制功能，即就地操作井下分站機(jī)箱控制其抽采單元的工況，實(shí)現(xiàn)抽放瓦斯以及通風(fēng)的目的，以保證井下的安全。
　　4.2 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)預(yù)警、告警功能
　　系統(tǒng)通過井下安裝的礦用聲光報(bào)警器，在出現(xiàn)CH4、CO濃度超限等緊急情況時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示工作人員及時(shí)處理安全隱患。
　　4.3 顯示功能、報(bào)表及打印功能、歷史曲線查詢功能
　　地面數(shù)字化平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示整個(gè)瓦斯抽放系統(tǒng)總體運(yùn)行情況、主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)時(shí)參數(shù)，同時(shí)也可完整記錄一些有關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的重要操作，包括操作人、操作時(shí)間、操作流程、操作碼等。該系統(tǒng)具備報(bào)表生成、存儲(chǔ)、查詢和打印功能，可根據(jù)需要顯示打印設(shè)備工況運(yùn)行報(bào)表、故障報(bào)警實(shí)時(shí)報(bào)表、設(shè)備操作報(bào)告等，保證各種規(guī)范管理的需要。對(duì)于重要的系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示和繪制相應(yīng)圖表或曲線，并自動(dòng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以供需要時(shí)及時(shí)查詢。