基于PLC瓦斯抽采监控系统的应用研究

李旭浩

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400）

引言

煤炭是我国重要的发展资源，被应用于各行各业。煤矿企业在开采过程中由于瓦斯爆炸引发的事故较为频繁，对生产人员的安全产生了极大的影响。影响瓦斯抽采工作的主要条件就是通风质量。随着技术的发展，瓦斯抽取水平不断提升。为了进一步提升瓦斯抽取效率，煤炭企业要加强通风系统的智能化改造，提高通风系统的运行效率，避免风量不足的现象发生。

1 瓦斯抽采监控系统的作用

在工业生产中，PLC和变频器技术被广泛应用于各行各业。根据瓦斯污染防治技术方案，采用PLC与变频器技术相配合，通过调整电动机的速度，根据气体质量的不同，可对局域式通风系统进行无极式变频调速。这种方法既减少了风机的能量消耗，又节约了电力，还增强了瓦斯浓度的控制，满足了安全生产的要求。此课题所研究的局部通风机智能调速系统，能够对气体浓度进行自动调节，并能对气体浓度进行超限时报警，切断和闭合电力供应。通过采取强化通风等措施，减少瓦斯聚集，通过断电报警等措施，防止煤气中毒，达到安全高效的目的。

2 PLC技术结合变频技术的特点

1）具有较高的稳定性和良好的抗干扰性。在设计、制作及元器件选择方面，采用了一套精选、高度集成化、大容量的方法，以增加元器件的使用寿命，增加了电路的稳定性。

2）强大的控制能力，组成结构灵活。PLC不仅具有开关、模拟等多种性能，而且具有数字运算、PID调节等多种性能。

3）操作简单便捷。PLC最大的优势在于它具有丰富的程序编制方法，不仅易于理解，还可用于原先从事电气控制方面的工程人员，而语句表比较适合从事单片机方面的技术人员，更容易被大部分的工程人员接受。

4）体积小、易于维修和使用。PLC的特点是：小巧、轻巧、方便搬运、容易就地安装。该系统还具有自动检测功能，能自动检测出设备的缺陷，便于操作工人进行设备的检修和保养。

3 矿井局部通风机瓦斯控制系统

3.1 故障监控系统

设置电动机的保护功能。电动机运行过程中若出现缺相、短路、过载等问题，则系统就会将故障信息传送到监控分站，并配以汉字LCD显示目前的工作状况。总结局部通风机主要功能如图1所示。

图1 局部通风机主要功能

3.2 模糊控制器原理

在实际应用中，为了求解某些困难的、具有较高精度的非线性系统，采用了一种基于模糊控制器的方法。所以，如何进行模糊控制就成为了关键。为了达到控制目的，需要解决下面三方面的问题：

1）系统中要求输入量的模糊化，就是在一个特定的领域中产生一个模糊子集；

2）模糊控制算法的设计，归纳控制方法，根据模糊条件语言建立模糊控制规则，确定了其所确定的模糊关系；

3）通过对输入数据进行模糊判定，将其转化成准确的输出。模糊控制器的基本原理如下页图2所示。

3.3 瓦斯浓度模糊控制器输入输出变量的确定

结合本课题局部通风机系统的具体情况，选择二维模糊控制器。其控制器结构如下页图3所示。

图2 模糊控制器的基本原理

图3 二维模糊控制器

4 基于瓦斯涌出的矿井局部通风优化控制

4.1 方案一设计

为了达到瓦斯电锁闭的目的，可以对配电装置进行改进。系统可选用BGP系列矿用隔爆型高压真空配电设备，该装置不具备气体电阻锁定的能力，但具有短路、过载、漏电、隔离监控等多种安全防护措施。在这些设备中，隔离监控装置主要监控着高压屏蔽线缆的接地和监控线路的状态。当采用这种特性时，分配设备负载接线室中的末端电阻器RA与电缆端子的接地和监控线路连接，其动作特点如表1所示。

表1 保护工作动作特征

假定当前开采的煤层气体在一定的范围之内，此时关闭了开闭机，采矿作业区将采用隔离式的高电压真空分配设备供电。从上面的数据可以看出，目前的常开式接触没有被打开，配电网运行良好，所有的安全防护都是正确的。当煤层中的气体含量超出了矿井的安全限度时，经常打开的接线将关闭，末端电阻器会发生短路，从而导致上部的压力降低。JK接线将不能被切断，而断路器也会处于关闭状态，矿井内的电力供应将会中断。变电站员工根据监控灯光状态判定是否存在瓦斯超标，才能进行下一阶段的作业。

4.2 方案二设计

通过增加JDQB-1J设备，可以通过此系统对电磁开关进行瓦斯电锁定。本设备的设计包括双局部通风机的自动开关，风电瓦斯锁闭电路，本安输入、输出接口，显示电路和电源电路组成。JDQB-1J型装置工作原理图如图4所示。

图4 JDQB-1J型装置工作原理框图

1）输入端使用光耦回路，将本机的控制模式传送到设备的内部。

2）本设备的主要工作部分包括双局部通风机自动切换电路与风电瓦斯锁闭电路，双局部通风机切换电路，其局部通风机通常采用PLC控制，可同时控制总、后备式的开关；风电瓦斯锁闭电路可以使作业上不具有实质安全性的电力供应全部关闭。该装置的输入控制终端是从基本安全性的入口界面电路经由瓦斯密度传感器界面电路来访问的，采用风电瓦斯闭锁逻辑模块，实现对矿井供电和通风系统的开断和关闭。

3）其他电路包括本质安全输入接口电路、本质安全输出接口电路、局部通风机开停接口电路以及工作面电源锁闭信号回送电路。

4）该设备使用双路供电电源，控制电路采用12 V供电，本质安全输入接口电路采用15 V本质安全电源。

5）本设备具有实时监控功能，可实时监控局部通风机开、停机、工作面电源断开、局部通风机锁闭等操作。

5 控制系统设计及试验研究

5.1 PLC接线

该系统采用了西门子S7-200系列中的CPU224，为了达到瓦斯浓度的模拟量控制，本装置由14个数字量输入端子和10个数字量输出端子，外加一个模拟量模块EM235。PLC的I/O端口地址分布表如下页表2所示。

5.2 电抗器安装

当电力供应侧电压较高时，或开关电容时，会使电力系统的电压波动较大，造成整流元件的损伤。为此，选择FR-HAL作为一种新型的电容。

5.3 试验验证与分析

试验内容包括三个方面，分别为在不同瓦斯浓度条件下，风扇送风口控制功能的测试，超限封闭报警功能测试，系统故障报警及故障检测。在完成了硬件电路的接线及软件程序的输入后，对其进行了以下的测试：

表2 PLC的的I/O地址分配

1）当瓦斯含量改变时，局部通风器能否自行调整；

2）在气流回流时，能否实现局部通风系统的自动调整。

实验结果：将瓦斯压力加到瓦斯密度计的封闭罐内，当瓦斯的质量分数超过1.0%时，说明煤层内气体含量超标。这时电动机的最大速度是1 840 r/min；在调节电位器时，电动机的旋转速度为840 r/min，表明该风机的风压调节性能符合规定。

5.4 瓦斯超限闭锁与报警测试

1）在进风巷瓦斯浓度大于0.5%时，该装置能否通过局域式通风装置进行警报，并能使煤气发生位置锁定。实验结果表明，电机停转，并发出警报。

2）当瓦斯浓度大于1.0%时，回风流中瓦斯浓度大于1.0%时，局部通风机系统能否达到自动关闭的目的。实验结果表明，电机停转，并发出警报。

6 结语

煤炭企业要进一步重视瓦斯抽采工作质量，提升抽采效率，加强抽采质量。PLC技术能够促进该目标的实现，值得在企业中推广。通过多种技术的协调，能够保证生产安全，促进节能工作开展，必须得到足够的重视。