瓦斯抽采體積分數控制系統設計

王琳

（鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030）

中國煤炭資源儲備量非常豐富，且在今后一段相當長的時間里，煤炭資源依然是中國使用的主要能源[1]。2021 年，中國煤炭總產量已成功達到41.3 億t。在煤炭開采過程中，瓦斯災害依然是影響煤礦安全生產的頭號問題。當瓦斯體積分數達到5%～16%時，遇明火就會發生爆炸，嚴重威脅煤礦安全生產以及礦工人身安全。2021 年，全國共發生91 起煤礦事故，178人死亡。煤礦瓦斯隱患亟待解決[2]。

目前，煤礦企業對采前預抽不重視，加之開采設備以及技術不先進等問題，導致預抽體積分數偏低，無法民用，也無法用于內燃機發電[3]。因此，需要設計體積分數優化控制系統來對瓦斯抽采體積分數進行精確控制。瓦斯抽采不僅可以提高煤礦安全生產，減少煤礦瓦斯安全隱患，而且如果將瓦斯直接排入大氣中，還可導致溫室效應，所以瓦斯抽采也是保護環境的需要[4]。

本文針對目前煤礦瓦斯抽采體積分數較低的問題，設計一套瓦斯抽采體積分數控制系統，可通過程序控制，將瓦斯體積分數控制在一定范圍內，以便于二次利用。本文對包括PLC、電動閥和傳感器在內的硬件系統進行設計選型，并對整體控制流程進行了設計編程。

1 系統總體方案設計

本系統將抽采主管路瓦斯體積分數作為系統主要的控制參數，將井下瓦斯體積分數傳感器采集到的檢測值與設定值進行比較，根據運算結果將動作輸出作用于分支管路閥門，通過對各抽采支路閥門開度的控制，進而使得抽采總管路瓦斯體積分數達到設定值。瓦斯抽采體積分數控制系統總體設計原理如圖1所示。

圖1 系統整體原理圖

系統包括以下3 個部分。信號采集單元：由瓦斯體積分數、流量、壓力、溫度等傳感器檢測井下瓦斯抽采管道中的相關物理量等信息，并將采集到的數據發送給PLC，并在HMI 上顯示溫度、瓦斯體積分數等信息。通訊部分：井下防爆PLC 能夠把采集到的參數通過以太網通信發送至井上HMI 處，并能實現參數信息的設置、控制及報警。執行機構：PLC 通過輸出模擬量信號，控制支路電動閥閥門開度，從而能夠調節支路抽采負壓，控制支路瓦斯體積分數，最終使抽采總管路瓦斯體積分數達到設定值。

本系統應具備的功能有3 點：①監測主管路以及分支管路共3 根管道的瓦斯體積分數、溫度、壓力、流量、CO 體積分數信息，并在上位機以及觸摸屏上顯示；②檢測到的主管路瓦斯體積分數與設定值進行比較，差值及其變化率經控制器輸出的控制量控制支管路閥門開度，支路閥門相互協調，使主管路體積分數值穩定在設定值；③主管路與分支管路內CO 體積分數及瓦斯體積分數達到報警限自動報警，斷電閉鎖，并可對監測參數、報警信息等進行存儲，便于查詢。

2 控制系統硬件設計

在上部分系統總體方案設計的基礎上，根據系統功能要求，對系統硬件進行分析、對比，分別完成對主控系統、傳感器、電動閥等設計與選型。

2.1 控制器

由于所設計的系統是用在煤礦井下，還需要有煤安認證，所以最終選用山東中煤生產的礦井專用放爆兼本安型PLC 控制器，型號為KXJ1/127-D。本系統I/O 點數估計需要：數字量輸入11 個，數字量輸出3個，模擬量輸入14 個，模擬量輸出2 個。故選用西門子S7-1200PLC，CPU1214c。輸入主要為傳感器和按鈕，輸出為閥門開度控制量。

2.2 模擬量輸入輸出模塊設計

根據系統功能選取2 個模擬量輸入模塊，選用的AI 模塊為西門子SM1231 AI8×13 位模塊，用于采集甲烷傳感器、CO 體積分數傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器采集的信號以及執行機構發送的閥門開度信號。選取一個模擬量輸出模塊，選用的AQ 模塊為西門子SM1232 AQ 模塊，用于輸出模擬量信號以控制支管路閥門開度。

2.3 安全柵設計

本系統采用的安全柵為檢測端隔離式安全柵，檢測端隔離式安全柵的原理是：模塊電路將輸入的電流或電壓信號轉變為0.2～1 ⅤDC，送入模塊內進行采集、放大、運算和進行抗干擾處理后，再經變壓器調制成輸出隔離的電流和電壓信號，供后面的二次儀表或其他儀表使用[5]。

2.4 系統電源設計

本系統中，井下防爆PLC 需用AC660 Ⅴ供電方式。在中國供電方式為AC220 Ⅴ，所以需要通過變壓器進行升壓。選用的PLC 和傳感器的供電方式為DC24 Ⅴ，所以需要選擇獨立DC24 Ⅴ開關電源。

2.5 顯示單元設計

本系統選用的觸摸屏為上海步科自動化股份有限公司的MT4043R 觸摸屏，路由器無特殊要求，PLC系統、觸摸屏與上位機采用以太網通訊方式。

2.6 信號檢測單元

本系統中需要用的傳感器有負壓傳感器、瓦斯體積分數傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、流量傳感器。通過參數比較最終選用了淮北創奇有限公司和鄭州光力科技有限公司兩家公司的傳感器產品。

2.7 執行機構

本系統需要通過電動閥門開度變化來改變瓦斯抽采體積分數。根據系統要求選擇精迪閥門廠所產的MDS943F-10C 礦用電動蝶閥作為執行機構。該電動閥輸出為4～20 mA 電流信號。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括上位機程序設計和下位機程序設計。結合控制要求，對體積分數控制的PLC 實現進行編程，并對上位機進行組態設計，滿足系統監測、自動控制、報警等要求。

3.1 下位機程序設計

下位機部分軟件主要包括數據采集、報警、控制和輸出等模塊組成。對系統的參數設定后，數據采集模塊對當前管路中瓦斯體積分數等值進行采樣，并將采集的數據存儲到PLC 的相應存儲單元中；報警模塊是當前采集的數據超過設定的參數就會啟動報警；控制模塊是將當前抽采瓦斯體積分數和設定體積分數進行對比，根據偏差量計算輸出控制量，來控制執行機構進行工作。

3.1.1 主控制程序設計

系統主程序流程圖如圖2 所示。初始化后檢測按鍵，當有鍵按下后設定主管路的瓦斯體積分數，然后調用數據采集子程序，若采集體積分數值無超限則不報警，進入體積分數控制子程序，實現體積分數自動調節。

圖2 PLC 主程序流程圖

3.1.2 數據采集子程序設計

本段程序主要負責采集信號。本系統需采集3 個溫度、3 個瓦斯體積分數、3 個壓力、3 個流量和3 個CO 體積分數的數值。對于采集到的模擬信號經過A/D轉換后存儲到緩沖區中，再發送到上位機進行顯示、處理，將數據處理后的結果再發送回下位機執行控制操作。

3.1.3 體積分數控制子程序設計

體積分數控制的關鍵在于控制算法的PLC 實現。首先將體積分數偏差、偏差率置入PLC 中，然后利用其A/D 模塊將輸入量采集到PLC 中，利用其D/A 模塊實現執行元件的輸出。在本程序流程中，關鍵的步驟為體積分數控制查詢表的查詢程序，為了簡化程序設計，將偏差E、偏差率EC范圍{正大，正小，0，負小，負大}轉化為{1，2，3，4，5}。將控制規則表中的元素按由左到右、 由上到下的順序依次置入MW150-MW190 中，這樣控制量的基址就是150，其偏移地址為EC×5+E，所以根據EC與E最終得到的控制量地址為150+EC×5+E。

3.2 上位機程序設計

觸摸屏組態界面設計主要采用上海步科自動化股份有限公司的配套設計軟件，觸屏組態設計依據系統功能，簡明易操作，瓦斯體積分數、閥門的開度及運行狀態等重要參數需要適時顯示，主要的功能控制能夠實現，還需添加報警顯示指示燈等信息，最終的組態顯示界面如圖3 所示。

圖3 HMI 設計主界面

4 結論

井下瓦斯抽采是一個非線性時變、大滯后的過程，因此對該過程建立一個精確的數學模型十分困難，工業現場多采用人工負壓法，缺乏具體的理論指導，從而導致抽采的瓦斯體積分數較低。本文以井下瓦斯抽采管路體積分數為研究對象，從工業現場實際情況出發，提出設計了一種瓦斯抽采管路體積分數優化控制系統，各支路閥門開度自動調節，使總管路體積分數達到預設值。

在總體設計的構思下，根據具體功能對PLC 及輸入輸出模塊等硬件進行設計，對溫度、壓力、流量、CO體積分數、瓦斯體積分數傳感器和電動閥進行選型。同時，對瓦斯抽采管路體積分數控制系統進行軟件設計。PLC 控制程序由主控制程序、數據采集子程序、體積分數控制子程序等組成，實現體積分數精準調控和實時顯示、自動控制、超限報警等功能。通過軟硬件結合，實現井下瓦斯抽采管路體積分數精準調控。