煤矿井下瓦斯抽采管网监控系统的设计与实现

王燕军

（山西西山煤电股份有限公司西铭矿，太原 030052）

0 引言

目前，我国大多数煤矿开采方式采用的是井工开采，通过开掘井筒和地下巷道系统来进行作业，而煤层中充斥着大量的瓦斯气体，因瓦斯泄漏而造成煤矿安全事故的事件时有发生，对工作人员的生命健康和煤矿的安全运营带来很大的威胁[1]。为此，针对煤矿瓦斯安全事故问题，我国于2002 年提出“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理方针。方针指出，瓦斯抽采是预防瓦斯安全事故发生的重要措施，煤矿开采之前，首先要将埋藏于煤层中的瓦斯气体抽采出来，这样才能杜绝瓦斯气体泄漏带来的安全隐患，减少瓦斯安全事故的发生[2]。

为响应国家方针，实现上述目标，本文设计了一套基于PLC控制器的瓦斯抽采管网监控系统，该监控系统功能齐全，将传感器检测模块安装于管道各监测点，可对瓦斯气体管道中瓦斯气体的浓度、流量、压力以及设备的温度等参数实现实时在线监测、智能分析与处理，为瓦斯抽采工作的安全进行提供了保障。

1 整体方案

矿井瓦斯抽采管网监控系统的整体设计方案如图1所示。整个监控系统由地面远程监控中心、工业以太环网通信网络、监控分站3 大部分组成。其中，远程监控中心包含上位机、服务器设备，负责对上传的监测数据进行分析判别和智能处理、在线曲线显示、存储、报表统计及打印等；工业以太环网通信网络中由多个矿用光纤交换机组成，负责将井下管网监测到的工况数据上传到远程监控中心；监控分站中包含监测分点和控制分点，监测分点安装于地面泵站、各管道监测点处，可对地面泵站、井下各类管道及环境参数进行实时连续监测。

2 硬件部分

2.1 监控分站硬件方案设计

图1 瓦斯抽采管网监控系统整体方案

监控分站硬件方案设计框图如图2所示。监控分站包括监测分点、控制分点及PLC 主控制器3 个部分，其中监测分点包含模拟量输入和数字量输入模块；控制分点为数字量输出模块。模拟量输入模块采集部分由瓦斯传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器、CO 传感器组成；数字量输入模块采集内容包括电动闸阀、电动球阀的开关状态以及水环真空泵的启停信号等；数字量输出模块输出内容包括真空泵的启停信号、电动球阀和闸阀的开关信号、声光报警信号、电机过温信号等。

图2 监控分站硬件方案设计框图

2.2 主控制器选型

由于矿井环境极度恶劣复杂，为了保证监控系统的可靠性和稳定性，监控系统选用德国西门子公司的S7-200系列PLC作为主控制器[3]。中央处理器模块具体型号为CPU226，方便以后系统升级扩展。通信模块采用型号为CP243-1，通过该模块可将S7-200 PLC控制器连接到工业以太网中。通过分析可以得出：监控系统需要检测的模拟量包括瓦斯气体的浓度、压力、流量，设备的温度，CO 浓度等，这些数据都是模拟输入量，为了使PLC可以对这些数据进行处理，选用2个EM231模块作为模拟量输入模块。

2.3 传感器检测模块设计与选型

根据监控系统的监测需求，本文对传感器检测模块进行了具体设计，同时对传感器型号进行了明确选型[4]。（1）温度传感器：系统选用型号为KGW5的数字式温度传感器，可直接输出模拟量信号，采用正电源供电方式。（2）压力传感器：系统选用型号为GPD3的压力传感器，用于测量瓦斯抽采管道的瓦斯气体压力。（3）流量传感器：系统选用DSQ 系列气体超声波流量计，对管道内瓦斯气体流量进行检测。（4）甲烷传感器：选用型号为GJC4 的甲烷传感器，可精确测量管道内、矿井煤层中、矿井环境中的甲烷浓度。（5）CO传感器：选用型号为KGA21的一氧化碳传感器，对矿井巷道进行火灾早期检测。

3 监控系统

3.1 下位机程序设计

下位机是监控系统的核心部分。数据的采集、处理、上传，控制指令的下达，都要通过下位机主控制器来实现。系统主控制器采用了S7-200 系列PLC，西门子公司基于此款硬件开发了专门的程序设计软件STEP 7 MicroWIN，该款软件具有编程方式简单直观、编程环境友好等优势，大大提高了工程设计人员的设计效率[5]。采用梯形图编程方式进行下位机程序设计。

程序设计过程中，为了便于设计，提高程序的执行效率，采用模块化的设计思想，将系统功能模块化为多个功能子程序，并由主程序统一调用执行。

设计的软件程序包括系统主程序、模拟量采集子程序、数字量采集子程序、数字量控制子程序、声光报警子程序、CAN 总线通信子程序、液晶显示子程序等[6]。图3所示为监控系统主程序流程框图。

图3 监控系统主程序流程框图

3.2 上位机监控软件设计

为了实现远程监控，系统基于Kingview 6.53组态王软件进行上位机监控软件的开发，利用模块化的设计思想将整个软件的功能设置为8个不同模块，每个模块实现相应的功能，软件简单直观，非常适合地面工作人员的使用[7]。图4 所示为上位机监控软件的功能模块构成框图。

图4 监控软件功能模块构成框图

可以看出，该上位机监控软件包括系统登录模块、主监测模块、参数设置模块、远程报警模块、数据曲线趋势显示模块、报表统计模块、数据库存储模块、网络发布模块8个模块。上位机监控软件开发完成后，需要同下位机进行通信，为此开发了相应的以太网通信驱动程序，这样便可与主控制器直接对接[8]。

主监测模块是系统上位机监控软件的重要组成模块，直观地反映了瓦斯抽采管网的主要抽采状况。数据曲线趋势显示界面包括实时数据显示和历史数据显示两个功能，可将各监测分点的瓦斯浓度信号、压力信号、温度信号、流量信号、CO 浓度信号以动态曲线的形式显示出来，便于监测分析。数据库存储界面利用Access 数据库实现相应功能，包含抽采系统监测数据的存储、查询、打印及清空等功能。

4 结束语

为预防瓦斯安全事故的发生，保障煤炭开采的安全运营，本文借助PLC 控制器技术、传感器检测技术、上位机组态监控技术、CAN 总线通信技术以及光纤通信技术设计了一套基于PLC 控制器的矿井瓦斯抽采实时监控系统。井下监控分站可将检测到的管道、环境信息上传到上位机监控中心，监控软件界面可直观地显示瓦斯抽采系统各个环节的运行状况，从而为工作人员分析和评价瓦斯抽采效果提供了可靠的依据。实际应用效果表明，监控系统监测覆盖范围广、可靠性高，保障煤矿安全运营，具有一定的推广应用价值。