基于PLC控制系统的矿井瓦斯浓度监控系统设计研究.pdf

煤炭与化工 Co al an d Ch emical In dust ry 第43卷第9期 2020年9月 Vo l .43 No .9 Sept . 2020 机电与自动化 基于PLC控制系统的矿井瓦斯浓度监控系统设计研究 李勇 山西西山煤电股份有限公司镇城底矿选煤厂，山西 古交030200 摘要矿井工作环境里夹杂着各种易燃易爆危险性气体，其中瓦斯气体是严重威胁一线作 业人员生命安全的爆炸性气体。以西山镇城底矿为研究对象，设计一套自动化瓦斯监测系统， 采用PLC中央控制处理器，结合高灵敏度传感器。现场实践表明，该系统能够有效对瓦斯浓 度进行监测，为煤矿行业研发新型瓦斯浓度监测设备提供了经验。 关键词PLC；瓦斯浓度；监测系统 中图分类号TD76 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 09-0069-02 Study on the design of PLC-based gas concentration monitoring system for mines Li Yo n g Zhenchengdi Mine Coal Preparation Plant, Shanxi Xishan Coal and Power Corporation Ltd., Gujiao 030200, China Abst ract Th ere are vario us f l ammabl e an d ex pl o sive h azardo us gases in t h e wo rk in g en viro n men t o f min es, amo n g wh ich gas is ex pl o sive, serio usl y t h reat en s t h e l ives o f f ro n t l in e wo rk ers. Xish an Zh en ch en gdi Min e was t ak en as t h e o bject , a set o f aut o mat ic gas mo n it o rin g syst em was design ed, wit h PLC cen t ral co n t ro l pro cesso r, co mbin ed wit h h ighsen sit ivit y sen so rs. Th e f iel d pract ice sh o wed t h at t h e syst em can ef iiect ivel y mo n it o r t h e gas co n cen t rat io n , wh ich pro vided ex perien ce f o r t h e co al min in g in dust ry t o devel o p n ew gas co n cen t rat io n mo n it o rin g equipmen t . Key wo rds PLC; gas co n cen t rat io n ; mo n it o rin g syst em 1概况 矿井环境恶劣，夹杂着各种影响安全的易燃、 易爆、有毒性气体，其中瓦斯气体是最为常见、危 害性较大的易燃易爆气体，如不能随时掌握瓦斯情 况，将威胁一线作业人员的生命健康安全。西山镇 城底矿采用PLC控制器结合高灵敏度传感器，组成 新型瓦斯监控系统，通过合理设计，使监控系统的 硬件软件适配合理，相互兼容，使得各类接口实现 瓦斯浓度数据传送以及相关信息的读取，有效提升 了西山镇城底矿对瓦斯灾害安全管理水平。 2瓦斯浓度监控系统要求 2.1硬件要求 参照煤矿行业国家标准以及行业标准，结合西 山镇城底矿实际情况，要求瓦斯监控系统要满足以 下要求①系统整体的安全稳定性要高，具备一定 的容错率和自纠功能；②为保障数据传输高效，通 信线路的主干部分应采用光纤材料，整体网络搭建 用工业属性的以太网；③监控系统应具备自动操作 和手动操作双向功能，能够实现远程断电和启动； ④监控系统软件部分的数据存储技术应实现动态储 存效应，数据储存容量不局限于计算机硬盘大小， 应实现云端储存技术；⑤监控系统应设置矿井以下 的各个位置监测分站，每个分站都要具备瓦斯闭 锁、断电仪功能；⑥每个监控系统的硬件均应是防 爆型设备，中心站所存储的各类传感器型号、断电 及复电数据都要能与每个传感器进行传输，并在分 站进彳稱码存储。 责任编辑张彤 DOI 10.19286/ k i.cci.2020.09.018 作者简介李 勇（1987）,男，山西古交人，工程师。 引用格式李 勇.基于PLC控制系统的矿井瓦斯浓度监控系统设计研究[J].煤炭与化工，2020 , 43（9） 69-70, 73. 69 2020年第9期 煤炭与化工 第43卷 2.2瓦斯监控系统设计原则 （1） 规范性原则。瓦斯监控系统设计不能 脱离煤矿生产的实际工况条件，使用标准的管理 规范。 （2） 互换性原则。监控系统要随着矿井先进 技术的发展而发展，在设计时要便于后期升级改 造，实现后期设备购买的互换性。 （3） 精确性原则。煤矿对生产环境要求严格, 相关安全数据必须精确，各种展示以及报警提醒要 清晰明了，并符合煤矿设计规范要求。 （4） 兼容性原则。瓦斯监控系统作为集成设 计的设备，上分站和下分站的数据信号应该相互联 动、相互兼容，当出现故障时，通讯断开后也能保 持正常工作状态。 3瓦斯浓度监控系统选型设计 3.1 监控机理 PLC单片机灵活性强，能够定制硬件和软件程 序，实现各种功能模块，满足后期添加和拓展新功 能的要求。PLC单片机编程语言简单明了，方便操 作以及使用者读取和理解。 瓦斯浓度监控系统由PLC单片机、信号传输 电路、操作系统、上位机等元器件构成，通过I/O 接口实现A/D转换，能够实时将瓦斯浓度数据以 曲线形式展示在后台监控显示器上，整体系统框架 如图1所示。 工作环境f 号集路 信采电 传感器 I键盘输入 图i瓦斯监控系统 Fig. 1 Gas mo n it o rin g syst em 高灵敏度传感器采集到浓度模拟信号量后，经 过A/D转换形成数字信号，传送到PLC单片机进 行二次开发，对数字信号进行逻辑处理后，通过 RS-485总线传输至上位机，发出相应的控制信号, 实现对矿井瓦斯浓度数据的安全监测O 3.2传感器选型 根据实际工况对各类传感器进行选型，结果见 表1。 传感器类型 KKG-A智能远程瓦斯传感器 GTH100_氧化碳传感器 GKJ设备开停传感器 GFK风门开闭传感器 GFC风速传感器 表1西山镇城底矿瓦斯监控系统传感器 Tabl e 1 Xish an Zh en ch en gdi gas mo n it o rin g syst em sen so r 技术特点 设备自稳性较好，采用软启动方式，响应时间持续30s ,工作电压822V,瓦斯测量浓度范围0〜4 误差率小于2,浓度最小检测数值20PPM,可实现红外远程遥控，传感器部件为进口元件 有效距离最大为2 k m,实现三线两态监测，整体结构集中紧凑，耗能较少，设备互换性较好 具有防爆属性，最大作用距离为2.5 k m,属于本质安全型设备，实现两线三态监测 超声波检测原理，风速测量范围为0.320m/S,工作电流不大于75mA,能实现连续不间断的风速监测 3.3信号采集电路设计 在进入PLC单片机控制系统之前，需要对交 流信号进行电压转换，常采用加法电路实现。调理 电路中利用LM385将加法电路输出的电压信号传 送到PLC单片机控制系统中。PLC单片机只能对 数字信号进行处理，因此在调理电路的设计中包含 A/D转换模块。信号采集/调理模块的设计如图2 所示。 3.4信号传输模块设计 通过RS-485的通讯主干线实现上位机与下位 机之间的通讯联络，该部分是煤矿瓦斯浓度监测系 统的关键通讯部件，要求中央主机能够及时收到来 自矿井分布在各个位置下位机及其传感器所传输的 数据，数据信号传输系统模块要求逻辑性强，层次 分明，对各个终端节点实现可靠管理，具体流程如 图3所示。 Fig. 2 Sign al acquisit io n circuit f ramewo rk （下转第73页） 70 郝韶嵩西门子SMART PLC在注浆站控制系统的研究与应用2020年第9期 AN FT LDN ZD A ST 0 AST ALD EU S DR, 1 LDN ZD A SP 0 FT ON JK 0 ASP R DR, 1 停止，直至达到设定液位，设备再自动运行。程序 控制策略如图3所示。 歼始制浆]设會运崗卅浆结束 位正常 图3程序控制策略 Fig. 3 Pro gram co n t ro l st rat egy 5结语 LD M10.1 梧桐庄矿14号注浆站自动控制系统自2019年 投入至今运行稳定，该系统不仅提高了注浆效果, 还在很大程度上节省了劳动力成本，也避免了操作 工职业病危害，应用效果良好。 R FT, 1 R YX, 1 LD YX 0 RJ S FT, 1 4.2.2自动循环制浆 自动循环注浆要求一键启停，即在上位画面中 单击启动按钮后，制浆设备按照程序设定依次启 停，当蓄水池液位低或储浆池液位高时，设备自动 参考文献 [1 ] 张世懂.选煤厂煤泥压滤自动控制系统[D ].徐州中国矿业 大学，2015. [2 ] 吴宏图.基于PROn BUS-DP总线的PBT输送监控系统设计 与实现[D].邯郸河北工程大学，2011. [3] 何献忠.多路声光报警信号器[J].机电一体化，2004, 10 （2） 104 - 105. [4] 胡穗延.煤矿自动化和通信技术现状与发展趋势[J].煤炭科 学技术，2007, 35（8） 221 - 222. （上接第70页） 图3信号传输模块框架 Fig. 3 Sign al t ran smissio n mo dul e f ramewo rk 4结语 将设计的瓦斯浓度监控系统在西山镇城底矿 进行应用，瓦斯浓度监控系统上位机界面实时显 示矿井工作面各个传感器所测得的参数，从主界 面可以看到瓦斯监控系统能够实时输出瓦斯浓度 数据曲线，对浓度数据走向以及历史数据进行查 阅和存储。从主界面中可以看到瓦斯设定窗口、 瓦斯实测监控窗口、防爆风机监控窗口。实践结 果表明，通过以PLC基本框架设计的瓦斯浓度监 控系统，有效提升了西山镇城底矿工作面瓦斯实 时监测效率，设计的系统能够满足实际矿井工作 需要。 参考文献 [1] 杨胜远，李金林，杨东朋.ARMA模型在瓦斯浓度预测中的 应用[J].中国煤炭，2008, 34（6） 14- 16. [2] 丁华，王剑，王 彬.基于灰关联分析和神经网络的煤 与瓦斯突出预测[J].西安科技大学学报，2009 , 29（2） 136 - 135. [3 ] 赵延明.基于改进BP神经网络的瓦斯含量预测模型[J].工 矿自动化,2009（4） 10-13. [4] 李战胜，方康玲，付 旭.基于模糊模式识别的瓦斯预测报 警系统[J]微计算机应用,2005, 26 （6） 722-725. [5] 党建军，李学娟，朱瑞卿.基于小波分析的瓦斯突出预测信 号提取技术研究[J]中州煤炭，2008 （1） 6- [6] 刘健，刘泽功，马俊枫.基于神经网络的矿井瓦斯涌出预 测系统及应用研究[J].煤炭技术，2008, 27 （ 11 ） 71 - 75. 73