煤礦井下瓦斯抽采監控系統的應用研究

白星星

（山西離柳焦煤集團有限公司佳峰煤礦， 山西 孝義 032300）

1 當前監控系統存在問題分析

雖然當前井下在抽采過程中設計了瓦斯氣體監控系統，但由于井下環境的惡劣型，加上井下部分作業區域的通風效果相對較差，導致現有的監控系統經常出現各類問題，已無法滿足當前井下瓦斯抽采的實時監控需求，其主要存在問題包括如下幾點：

1）當前設置的瓦斯抽放泵設備在運行過程中未設計有效的自動控制裝置，在遇到瓦斯濃度超閥值時，無法自動啟動抽放泵進行作業，也無法檢測真空泵中的供水量是否滿足運行需求，極容易造成設備的損壞[1-2]；

2）現有的抽放監控系統屬于整個礦井中的分系統，未進行系統的獨立控制，對整個礦井中的瓦斯抽放參數的檢測和監控范圍相對較窄[3]；

3）當前的瓦斯濃度檢測儀器、溫度檢測儀的采集精度相對較低，且可靠性相對較差，所采集的數據大部分僅能通過傳統的儀表盤指針形式進行顯示，無法將采集數據及時傳輸至監控系統中，整體的自動化控制水平較低[4]；

4）大部分系統中僅設計了控制箱或控制柜，只能對單一區域的瓦斯濃度通過人為方式進行手動操作控制，無法實現多區域的采集數據遠程集中控制，人員也無法通過控制箱對設備的運行參數進行快速調整[5]。

為此，設計一套監控范圍廣、智能化程度高的瓦斯抽采監控系統。

2 瓦斯抽放監控系統總體設計

結合現有監控系統，開展了井下瓦斯抽采監控系統的升級設計研究。所設計的監控系統主要有工控機、PLC 控制器、環網交換機、顯示控制器、控制裝置及采集裝置等[6]。其中，PLC 控制器及顯示控制器是整個系統的核心部分，主要負責收集采集裝置中傳輸的相關信息，并對信息進行分析、運算、數據保存及判斷等控制操作，整個運算分析過程通過匹配的西門子的S7-300 型控制器，在該控制器中通過多個I/O 設備點對瓦斯抽放泵、水泵、電動閥門、冷卻塔等設備的起停等功能進行操作和控制。采集裝置包括了瓦斯濃度檢測儀、溫度檢測儀、壓力檢測儀、水位傳感器、設備啟停傳感器等，各類采集裝置將采集的信號傳輸至監測分站，監測分站再將信號進行匯總后傳輸至控制器中進行分析處理。另外，系統的通訊協議則采用了RS485 方式進行通訊，與傳統的RS232 相比具有更好的穩定性，且可通過單一總線實現與多個設備的有效連接。所設計的瓦斯抽采集監控系統能對井下瓦斯濃度、溫度等參數進行實時采集，一旦井下發生瓦斯濃度超高現象，該監控系統將及時發出聲光報警提示及閉鎖操作，切斷危險源，并將瓦斯超過區域通過顯示界面進行準確顯示。實現了整個瓦斯抽采集的智能化遠程監控。升級后的瓦斯抽采監控系統結構框架圖如圖1 所示。

3 系統中關鍵分系統設計

3.1 數據庫組態設計

數據庫組態主要是將整個監測過程的相關測點進行匯總收集，以便PLC 能快速對系統進行分析運算。在設計時，將數據組態分為了多個區域，各區域中的測點能通過復制粘貼方式進行轉移。為減少數據庫組態的工作量，設計了一個EXCEL 表格來提前對測點進行統計，所統計之后的測點將不能進行更改。所設計的數據庫組態界面如圖2 所示。由圖可知，采用了英文字母來對基本參數進行命名，比如點擊“WSCX-BJ-NEW”后，即可獲取測點的詳細信息。同時，在報警開關前面設計報警狀態參數值，比如輸入0，則表示測點處于正常狀態，比如輸入1 則表示有報警輸出。另外，在數據庫組態中也設計了2 組歷史參數功能，一組表示數據精度變化時的保存數據，另一組為定時保存數據，每60 s 進行一次數據保存。

圖1 瓦斯抽采監控系統結構框架圖

圖2 數據庫組態界面

3.2 電動閥門控制分系統設計

電動閥門控制分系統主要負責對井下各類閥門進行集中及遠程控制，并對閥門的開關或啟停等狀態進行實時判斷和檢測，是有效保障整套監控系統安全運行的重要基礎。此控制分系統主要是基于PLC 進行邏輯判斷，首先是接收閥門的啟停信號，通過計算后進行閥門的遠程集中判斷，能對閥門的正在運行狀態進行實時檢測，當檢測到閥門處于關閉狀態時，則啟動內部的信號保持功能，并發出關閉成功的操作信號。因此，在電動閥門選型上選擇了市場上成熟的基于PLC 控制的電動閥門，可通過其內部的時間定時器來實現信號選擇及復位，電動閥門控制分系統的控制邏輯圖如圖3 所示。

3.3 設備閉鎖功能設計

設備閉鎖主要是為了防止設備在執行相關操作后出現誤操作問題，故需對設備進行閉鎖功能設計。同時，必要時也需對設備的閉鎖功能進行取消解決，以滿足不同工況的使用需求。當檢測到水位傳感器出現異常現場時，此時需取消設備的閉鎖功能，以有效排除故障。因此，在每個閉鎖設備前端設計了一個復選框，當點擊復選框時，則表示啟動設備的閉鎖功能，若未點擊復選框時，則表示取消閉鎖功能。由此，可根據瓦斯抽采過程的實際狀態來選擇是否開啟閉鎖功能。在復選框功能設計時，表示該功能啟動的腳本程序為：IF WS_TR_1.PV==1 THEN，泵站的閉鎖功能腳本設置為：#CheckBox33.SetCheck (1)#；ELSE 泵站的閉鎖功能腳本為：#CheckBox33.SetCheck(0)#，ENDIF。設備閉鎖功能操作界面圖如圖4 所示。

圖3 電動閥門控制分系統的控制邏輯圖

圖4 設備閉鎖功能操作界面圖

4 監控系統現場測試

為進一步驗證所設計的瓦斯抽采監控系統的綜合性能，保證其后期運行的可靠性及穩定性，對其進行了實際應用測試，主要是對該系統中的數據采集、顯示、按鈕、瓦斯濃度狀態、控制操作等方面進行了測試，系統測試過程中的主界面圖如圖5 所示。由圖可知，在系統測試過程中，各項功能運行正常，能準確、實時地對井下瓦斯濃度、溫度、水位及壓力等參數進行實時采集和運算判斷。系統的主界面也更加清晰地顯示了整個系統的正常運行流程及作業狀態，當檢測到井下瓦斯濃度超過閥值時，則界面將發出相應的報警提示及瓦斯濃度值，并執行對各類電動閥的執行切斷操作，全面啟動抽氣泵來實施對井下瓦斯的抽放作業，整個過程只需人員在監控平臺上進行操作即可，實現了整個瓦斯氣體抽排過程的遠程操作控制。據分析，此系統應用后，在設備維護、人員工資等方面，每年可為企業節約將近100 萬元以上的經濟費用支出，也大大提高了井下的作業安全性。具有重要的實際應用價值。

圖5 監控系統測試過程中的主界面圖