基于PLC控制的矿井中瓦斯抽放安全监控系统改进研究.pdf

2 0 2 0年第0 7期 基于P L C控制的矿井中 瓦斯抽放安全监控系统改进研究 宋志强 山西汾西矿业南关煤业有限责任公司, 山西 晋中 0 3 1 3 0 4 摘 要 针对现有的矿井中瓦斯抽放安全监控系统已无法满足当下井下安全作业的使用需求问题, 采用了P L C控 制技术, 对其进行了系统的改进设计, 并将其进行了应用测试。测试结果表明, 改进后的监控系统功能更 加全面, 可使井下作业的安全系数提高3倍, 并能更加有效地实现井下瓦斯浓度的控制及监控。该研究对 提高监控系统的综合性能、 保障井下作业安全具有重要意义, 也为后期开展相关系统的改进研究提供了 指导。 关键词 煤矿; 瓦斯抽放;P L C控制; 安全监控系统; 传感器 中图分类号 T D 7 1 2 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 7. 0 1 1 0 引言 随着国家对煤矿资源的大量开采, 对井下作业环境 的安全性也提出了严格要求。其中, 井下瓦斯浓度的聚 集, 成为影响井下环境安全的重要因素, 井下一旦发生瓦 斯爆炸, 将会给煤矿企业及作业人员带来严重损害[ 1], 及 时将瓦斯进行向外抽放, 有效实现瓦斯浓度的控制和监 控, 成为保障井下作业安全的重要任务。而现有的瓦斯 抽放安全监控系统存在控制精度低、 操作技术落后、 信号 响应不及时等问题, 已无法满足当下井下环境的作业需 求。将更加先进的控制技术应用到瓦斯抽放安全监控系 统中, 成为当下研究的重点方向。因此, 结合现有监控系 统存在的问题, 采用P L C控制技术, 开展了瓦斯抽放安 全监控系统的改进设计研究, 并对该系统进行了应用测 试和验证, 这对有效控制瓦斯浓度、 保障井下作业安全具 有重要作用。 1 现有瓦斯抽放安全监控系统存在的问题 随着系统设备的长年使用, 加上井下环境的恶劣性, 导致现有的矿井瓦斯抽放安全监控系统也无法满足当下 井下安全作业的监控需求[ 2]。通过对贵州、 河北、 山西等 区域煤矿的监控系统进行调研分析, 得出了当下矿井中 的瓦斯抽放安全监控系统存在如下问题 1 现有矿井中的抽放泵仍以传统的现场直接接触 开关方式进行启动操作, 操作人员需去抽放泵旁进行实 地操作, 并未实现设备的远程启动控制; 2 现有的抽放监控系统属于整个矿井中的分系统, 未进行系统的独立控制, 对整个矿井中的瓦斯抽放参数 的检测和监控范围相对较窄[ 3]; 3 现有的监控主机一般为两台, 当需要对其进行数 据查阅和分析时, 人员需对调度室或泵站进行实地操作, 数据参数获取较为麻烦, 未实现数据的在线传输及调阅 等操作[ 4]; 4 人员仍需每天带着相关记录表去分别对各个瓦 斯抽放设备的运行参数及抽放次数进行统计及测量, 而 每个测量点之间的距离均相对较远, 具有操作麻烦、 劳动 强度大等问题, 未实现各设备运行参数的实时在线监控 及传输的远程控制[ 5]。 综上分析, 针对现有的矿井瓦斯抽放安全监控系统 存在的问题, 将更加先进的控制、 监控技术应用到该系统 中, 提高监控系统的综合性, 已成为当下有效控制瓦斯浓 度, 保障井下作业安全的重要研究方向。 2 安全监控系统的方案设计 2. 1 系统组成分析 瓦斯安全监控系统是井下监控系统中的重要组成部 分, 其系统主要由上机位、 显示分站、P L C控制系统、 各类 传感器、 网络交换机等组成[ 6]。整个系统运行过程中, 主 要通过前端的瓦斯浓度传感器、 流量传感器等设备对井 下环境参数进行采集, 通过R S 4 8 5通信方式, 将采集的数 据信号传输至各分站, 经过信息汇总后再传递至P L C控 制器中, 而在P L C控制器中除了将输入的信号转换为数 字信号外, 也通过编辑的程序对信号进行分析处理及判 断, 之后向上机位及控制设备传输相应的控制命令, 上机 位接收到相关控制命令后, 即可将相关信息通过显示界 面进行实时显示, 并发出相应的报警、 数据存储、 曲线绘 制等操作; 同时, 相应的抽放泵、 控制阀在接收命令后, 也 采取相关执行措施, 由此, 完成井下瓦斯浓度的实时监 控。整个监控系统流程框架图如图1所示。其中, 该监 控系统中的P L C控制器主要采用成熟西门子的S 7 - 3 0 0 系列控制器, 终端数据采集设备配备了瓦斯红外传感器、 氧气浓度传感器、 一氧化碳传感器、 水位传感器、 温度传 感器、 管道检测传感器等, 而此些设备均采用的是标准的 成熟设备。 33 自动化控制理论与应用 自动化应用 收稿日期 2 0 2 0 - 0 4 - 2 1 作者简介 宋志强 1 9 8 4 , 男, 山西孝义人, 工程师, 职务为通风副总。 2 0 2 0年第0 7期 图1 瓦斯抽放安全监控系统流程框架图 2. 2 P L C控制器的设计 P L C控制器作为整个监控系统中的关键部件, 保证 其部件具有良好的控制性能, 成为保障系统安全运行的 重点。因此, 选用了西门子公司的S 7 - 3 0 0系列P L C控制 器。该型号控制具有控制精度高、 分析处理速度快、 运行 稳定可靠等特点, 在煤矿及其他领域得到广泛应用。该 控制器的硬件系统主要由C P U模块、 数字量扩展模块、 模拟量扩展模块、 通信模块、 位置控制模块、 电源模块等 组成, 其中,C P U模块则是P L C的重要部分, 用于对监控 系统程序运行、 编写及通信等功能控制。故C P U选用了 C P U 2 2 2型号, 该模块包括了8个输入输出接口、3 2点数 字I/O接口,2个扩展模块, 能更好地满足监控系统的使 用需求。同时, P L C中的I/O模块设置了3 2位接口, 可 对矿井中的抽放泵、 排风扇、 水泵、 电动阀门等设备进行 远程启动/停机控制。在P L C控制器中设置了A C/D C 转换模块, 能将外部的2 2 0 V交流电转为2 4 V的直流电 源。另外, 利用P L C控制器中模拟量模块, 对矿井中的 环境压力、 环境温度、 通风流量等信号进行采集, 并输出 信号对如电动阀门等设备进行控制。最后, 结合矿井的 环境特点, 对P L C控制器中各类模块进行了选型设计, 各模块的主要型号如表1所示。 表1 P L C主要模块型号表 模块名称数量模块型号 C P U模块13 1 5 - 2 EH 1 4 电源模块 13 0 7 - 2 EH 1 5 D P接头29 7 8 - 0 B A 5 2 3 2点I/O43 2 1 - 1 B L 0 0 存储卡 29 5 3 - - 8 L J 3 0 2. 3显示分站设计 显示分站是整个监控系统中的集成部位, 主要集成 了通信、 计算、 显示等功能。在该分站中, 设置了1路 R S 4 8 5总线通信;1 6 位数字量输出端口, 可指示灯按钮输 出相关控制信号; 另外, 2路的1 0芯S P I接口直接连接 L E D显示屏, 而每路的S P I可分别于4个L E D模块进行 通信连接。在该显示分站中, 配置了三种型号的L E D, 分 别为4位、6位和时钟。整个分站的电源输入为1 02 5 V的直流电, 可由外部的交流电通过A C/D C转换后得 到。另外, 所选用的R S 4 8 5通信具有较高的通信波特率, 其范围值为1 2 0 01 1 5 2 0 0, 在其总线断也配备了一个 1 3 0 Ω的电阻, 由此解决了系统中信号的反射问题, 提高 了信号的传输速度。另外, 也在整个显示分站外部设计 了显示控制柜结构, 控制柜结构可用于安装指示灯按钮、 接线端子、L E D数码管、 显示分站等部分, 能较好地对内 部部件进行保护。整个显示分站的结构布局图如图2 所示。 3 安全监控系统软件 3. 1 P L C控制程序设计 在基于S 7 - 3 0 0系列P L C控制器基础上, 对其控制程 序进行了设计。在该控制程序中, 设置了多个功能模块, 图2 显示分站结构布局图 43 自动化应用 自动化控制理论与应用 2 0 2 0年第0 7期 包括F C 3 电动阀门控制块、 F B 5 0 0数据网关通信块、F C 4 瓦斯抽放泵控制块、 F C 5暖风机控制块、F C 6水泵控制功 能块、F C 7系统报警模块等, 而P L C内部中各功能模块 之间通过UD P通信协议进行通信连接。因此, 在P L C 中, 采用了S T P E 7编程软件, 对各模型进行了程序编写。 由于功能模块较多, 故重点介绍瓦斯抽放泵的控制设计。 在瓦斯抽放泵中, 设计了远程、 集控、 就地三种启动 方式, 其中, 控制系统首先将对抽放泵处于何种启动方式 进行判断, 当检测到启动方式为显示控制按钮时, 可采用 远程启动, 否则将采用就地启动的默认方式。当检测到 启动方式满足启动条件时, 按照对应的启动方式来进行 瓦斯泵抽放泵的启动控制。泵的停止控制采用同样的控 制模式, 整个瓦斯抽放泵的启停控制流程及梯形控制程 序如图3和图4所示。 图3 抽放泵启/停控制流程图 图4 抽放泵启动梯形控制程序 3. 2 系统组态设计 整个瓦斯安全监控系统的组态主要包括了I/O设备 组态和数据库组态。其中, I/O设备组态的通信方式采 用了T C P/I P方式, 并遵循了M o d b u s T C P标准协议, 有 效舍弃了传统的数据校验和地址校验等过程, 同时, 将其 封装后与 T C P/I P数据进行通信传输, 其信号通过性及 传输速度会相对更强。另外, 数据库组态则主要通过对 所有添加点进行统计后, 再与P L C控制器及其他存储器 设备进行连接, 而整个过程具有较大的工作量, 需提前制 作一份E x c e l文档来有规律的统计所需添加点, 并保证其 顺序正确, 主要包括对报警参数、 基本参数、 历史参数、 数 据连接等进行统计, 其中, 报警参数则通设置0或1方式 进行报警输出, 历史参数则采用每3 0保存一次P V值的 方式进行数据的定时保存。 4 安全监控系统测试研究 结合建立的矿井瓦斯抽放安全监控系统, 为验证其 系统的可靠性及稳定性, 将该系统进行了应用测试, 主要 包括管道参数测试、 系统状态反馈的测试、 系统显示测 试、W e b发布测试等。 通过测试可知, 该监控系统运行正常, 系统中的各项 测试均运行正常, 能准确、 稳定的将监控中管道参数、 上 机位显示界面参数、W e b发布参数等方面的信息进行准 确显示; 同时, 系统的信号反应速度较快, 大数据的采集 也可通过在线方式进行数据的统计及计算, 针对井下瓦 斯抽放设备的启停操作, 也可通过系统的远程控制方式 进行控制。针对井下瓦斯浓度较大时, 监控系统也能发 出相应的报警提示, 实现了井下作业安全的更加智能化 监控。该监控系统的应用, 有效控制了井下瓦斯浓度和 降低了人员的劳动强度, 据有经验的专家评估, 该监控系 统的应用, 能将井下作业的安全系数提高3倍以上, 对保 障井下作业环境的安全性起到重要作用, 完全达到了推 广应用的条件。 5 结语 采用更加先进的控制技术, 不断加大对现有瓦斯抽 放安全监控系统的性能提升研究, 已成为当下企业关注 的重点问题。因此, 重点分析了现有矿井中瓦斯抽放安 全监控系统存在的问题, 采用更加先进的P L C控制技 术, 开展了监控系统的改进设计研究, 得到了功能更加全 面、 系统更加稳定、 智能化监控程度更高的监控系统, 并 对其进行了应用测试, 测试结果表明, 改进后的监控系统 能有效控制井下的瓦斯浓度, 并使矿井的安全系数提高3 倍以上, 达到了全面推广的条件, 这对保证井下作业环境 安全具有重要意义。 参考文献 [ 1] 张苏, 刘洪枫, 郑茂举.矿井通风及安全监控问题的对策 与分析[ J].设备管理与维修,2 0 1 91 8 1 1 2 - 1 1 4. 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