基于PLC的选煤厂瓦斯监控系统设计

夏国华

（同煤集团大友选煤有限责任公司，山西大同 037001）

0 引言

煤炭在开采运输过程中，由于外部压力、温湿度等作用，部分瓦斯气体由内部释放，游离于煤炭表面［1］。当煤炭储存在选煤厂煤仓时，处于封闭状态，瓦斯气体大量聚集，直至超出危险浓度范围，引发安全事故，对选煤厂的安全生产与工人的生命财产造成严重威胁［2－3］。因此，设计一种可靠的选煤厂瓦斯监控系统十分重要，不仅需要实时采集各观测点瓦斯浓度信号，判断是否超限，同时要监测和控制主风机与备用风机的运行状态，及时并准确地实现通风闭锁功能［4－5］。

1 监控系统总体研究与设计

1.1 选煤厂瓦斯浓度分析

选煤厂主要功能是对煤炭进行分选，去除原煤中的杂质，将煤炭分为不同规格、不同用途的产品。煤炭通常深埋于地下，经过长期碳化过程，滋生出大量瓦斯，并吸附于煤炭，其中一部分瓦斯在开采运输过程中，受到碰撞、挤压、摩擦等外力，缓慢释放出来，另一部分瓦斯在煤炭洗选储存过程中大量释放并积聚，因此选煤厂发生过很多瓦斯爆炸事故［6－7］。

由于瓦斯的质量浓度低于空气，煤仓内释放的瓦斯大量积聚于煤仓顶部和上存量与储存时间的增加，瓦斯释放量逐渐增大，积聚于煤仓顶部和上偶角。对于精煤仓与转载点而言，煤炭洗选过程已经将一部分瓦斯释放，但是由于精煤相较原煤的颗粒度较小，瓦斯释放速度高于原煤，所以精煤仓与转载点同样会有瓦斯积聚，需要进行监测防护［8］。

1.2 监控系统总体方案设计

选煤厂瓦斯监控系统与井下瓦斯监控系统有很大区别，井下瓦斯监控系统在检测到瓦斯浓度超限时，实现断电闭锁功能，自动切断除风机外的所有设备电源，根据超限位置，确定开启矿井主通风机或局部通风机。矿井瓦斯监控模式并不适用于选煤厂，在煤炭转入煤仓的过程中，煤体与空气流动性较大，煤仓内的瓦斯浓度有很大的波动，在瞬间会超出瓦斯浓度阈值，但此时并不会发生安全事故，如果设置断电闭锁，会限制选煤厂的正常生产活动。

根据选煤厂设备与瓦斯监控需求，监控系统所需要实现的功能包括原煤仓与精煤仓中瓦斯浓度、温度、风速等信号的检测、传输、存储与显示；煤仓瓦斯浓度超限报警和断电功能，并及时启动风机；控制器与上位机之间采用以太网通讯，传感器与控制器之间通过RS485通信；风机包括主风机与备用风机，主风机故障情况下，具备自动切换功能。

监控系统的总体方案如图1所示，系统按功能与位置分为远程监控层、中间控制层与终端设备层。远程监控层包括上位机、远程监控机等外围设备，负责系统参数的远程调控与监测、数据传输和控制指令的协调。中间控制层包括中心控制器与网络交换机等设备，负责监测信号的处理、通风机的自动控制与数据信号的转换传输功能。终端设备层包括主副通风机、变频器、各煤仓的信号传感器等设备，负责煤仓内部环境参数的采集与传输、瓦斯浓度超限情况下的通风闭锁功能。

图1 监控系统总体方案

2 监控系统硬件选型设计

2.1 控制器与上位机选型

中间控制器负责监测信号的处理、通风机的自动控制等功能，根据系统的控制要求与输入输出端口的需求，本系统选择的中间控制器为西门子S7－300系列PLC控制器。S7－300结构紧凑，各功能模块集成多种接口，具有抗干扰能力强、响应速度快等优点，适合选煤厂的工作环境。控制器CPU型号为CPU315－2DP，单条指令运行速度0.1μs；电源模块为PS307，输入电压交流220 V，输出电压直流24 V；通信模块CP343－1，用于工业以太网的通信连接，支持计算机、触摸屏等在线编程；上位机选用IPC－610H工控机，通过人机交互界面向中间控制器发出指令，同时实现调度室内监测数据的集中调控。

2.2 传感器设计布置

根据选煤厂工作环境，以传感器工作温度、采集精度、抗干扰能力、使用寿命等因素，对监控系统所需要的传感器进行选型设计。

甲烷传感器选用电阻式半导体传感器MQ－2，供电电压5 V，通过旋转数字电位器控制传感器对甲烷气体浓度的灵敏度。其原理如图2所示。当甲烷浓度未超过传感器预设值时，数字接口输出低电平，模拟接口为低电平；当甲烷浓度超过传感器预设值时，数字接口输出高电平，模拟接口的输出电压随着甲烷浓度的升高而增大。根据煤仓内瓦斯气体的空间分布特征，传感器应布置在溜槽下料口附近、煤仓设备层东西两侧，距离墙壁1 m左右。

图2 甲烷传感器原理

煤仓风速传感器选用GFC－15超声波风速传感器，具有远程红外调试功能，工作电压DC8～24 V，可连续监测0.3～15 m／s的风速，测量误差小于或等于0.3 m／s，输出信号频率为200～1 000 Hz。设备开关传感器选用GKT－L启停状态传感器，用于监测皮带运输机、破碎机、水泵等设备的启停状态。GKT－L工作电压DC9～21 V，测量范围0～5 kPa。

2.3 风机与报警器选型

煤仓通风机选用BT35－11防爆轴流式风机，具有噪声低、效率高的优点。电机为隔爆电机，工作温度需低于65℃。改风机额定转速1 450 r／min，额定风量18 250 m3／h，最大风压300 Pa，额定功率2.2 kW。风机安装于煤仓顶部，同时在设备层两侧设置通风口。

煤仓报警器选用KXH18矿用声光报警器，具有功耗低、结构简单、工作可靠的优点，可悬挂于煤仓墙壁，使用过程中不需要调校，使用便捷。KXH18报警器输入电压DC12～18 V，数据传输最大距离2 km，报警响声85 dB，报警光源可辐射20 m。

3 监控系统软件程序设计

系统软件的主程序流程如图3所示。在系统初始化与自检结束后，操作人员向系统输入瓦斯气体的报警阈值，在检测到串口有效标志位后，开始数据采集，通过与预设值比较，当采集浓度值超过预设值时，系统报警，运行风机控制模块。风机自动控制采用冗余设计，当检测到风机故障后，自动切换备用风机，风机的变频控制采用负反馈调节，通过监测煤仓风速、瓦斯浓度等参数，实现风机的自动控制，当瓦斯浓度低于设定值时，风机进入低速运转，降低运行功耗。

图3 监控系统软件主程序流程

4 结束语

本文针对选煤厂设计了一种基于PLC的瓦斯监控系统，用于监测原煤仓与精煤仓的瓦斯气体浓度等参数，并实现通风系统的自动控制功能。系统融合瓦斯监测与风机自动控制功能，提高了选煤厂生产系统的协调控制能力与自动化水平，相较于传统系统，风机响应速度提高了2 s，减少了不必要的通风时间，为公司节约了能源。