煤矿井下瓦斯抽采监控系统的应用研究

白星星

（山西离柳焦煤集团有限公司佳峰煤矿， 山西 孝义 032300）

1 当前监控系统存在问题分析

虽然当前井下在抽采过程中设计了瓦斯气体监控系统，但由于井下环境的恶劣型，加上井下部分作业区域的通风效果相对较差，导致现有的监控系统经常出现各类问题，已无法满足当前井下瓦斯抽采的实时监控需求，其主要存在问题包括如下几点：

1）当前设置的瓦斯抽放泵设备在运行过程中未设计有效的自动控制装置，在遇到瓦斯浓度超阀值时，无法自动启动抽放泵进行作业，也无法检测真空泵中的供水量是否满足运行需求，极容易造成设备的损坏[1-2]；

2）现有的抽放监控系统属于整个矿井中的分系统，未进行系统的独立控制，对整个矿井中的瓦斯抽放参数的检测和监控范围相对较窄[3]；

3）当前的瓦斯浓度检测仪器、温度检测仪的采集精度相对较低，且可靠性相对较差，所采集的数据大部分仅能通过传统的仪表盘指针形式进行显示，无法将采集数据及时传输至监控系统中，整体的自动化控制水平较低[4]；

4）大部分系统中仅设计了控制箱或控制柜，只能对单一区域的瓦斯浓度通过人为方式进行手动操作控制，无法实现多区域的采集数据远程集中控制，人员也无法通过控制箱对设备的运行参数进行快速调整[5]。

为此，设计一套监控范围广、智能化程度高的瓦斯抽采监控系统。

2 瓦斯抽放监控系统总体设计

结合现有监控系统，开展了井下瓦斯抽采监控系统的升级设计研究。所设计的监控系统主要有工控机、PLC 控制器、环网交换机、显示控制器、控制装置及采集装置等[6]。其中，PLC 控制器及显示控制器是整个系统的核心部分，主要负责收集采集装置中传输的相关信息，并对信息进行分析、运算、数据保存及判断等控制操作，整个运算分析过程通过匹配的西门子的S7-300 型控制器，在该控制器中通过多个I/O 设备点对瓦斯抽放泵、水泵、电动阀门、冷却塔等设备的起停等功能进行操作和控制。采集装置包括了瓦斯浓度检测仪、温度检测仪、压力检测仪、水位传感器、设备启停传感器等，各类采集装置将采集的信号传输至监测分站，监测分站再将信号进行汇总后传输至控制器中进行分析处理。另外，系统的通讯协议则采用了RS485 方式进行通讯，与传统的RS232 相比具有更好的稳定性，且可通过单一总线实现与多个设备的有效连接。所设计的瓦斯抽采集监控系统能对井下瓦斯浓度、温度等参数进行实时采集，一旦井下发生瓦斯浓度超高现象，该监控系统将及时发出声光报警提示及闭锁操作，切断危险源，并将瓦斯超过区域通过显示界面进行准确显示。实现了整个瓦斯抽采集的智能化远程监控。升级后的瓦斯抽采监控系统结构框架图如图1 所示。

3 系统中关键分系统设计

3.1 数据库组态设计

数据库组态主要是将整个监测过程的相关测点进行汇总收集，以便PLC 能快速对系统进行分析运算。在设计时，将数据组态分为了多个区域，各区域中的测点能通过复制粘贴方式进行转移。为减少数据库组态的工作量，设计了一个EXCEL 表格来提前对测点进行统计，所统计之后的测点将不能进行更改。所设计的数据库组态界面如图2 所示。由图可知，采用了英文字母来对基本参数进行命名，比如点击“WSCX-BJ-NEW”后，即可获取测点的详细信息。同时，在报警开关前面设计报警状态参数值，比如输入0，则表示测点处于正常状态，比如输入1 则表示有报警输出。另外，在数据库组态中也设计了2 组历史参数功能，一组表示数据精度变化时的保存数据，另一组为定时保存数据，每60 s 进行一次数据保存。

图1 瓦斯抽采监控系统结构框架图

图2 数据库组态界面

3.2 电动阀门控制分系统设计

电动阀门控制分系统主要负责对井下各类阀门进行集中及远程控制，并对阀门的开关或启停等状态进行实时判断和检测，是有效保障整套监控系统安全运行的重要基础。此控制分系统主要是基于PLC 进行逻辑判断，首先是接收阀门的启停信号，通过计算后进行阀门的远程集中判断，能对阀门的正在运行状态进行实时检测，当检测到阀门处于关闭状态时，则启动内部的信号保持功能，并发出关闭成功的操作信号。因此，在电动阀门选型上选择了市场上成熟的基于PLC 控制的电动阀门，可通过其内部的时间定时器来实现信号选择及复位，电动阀门控制分系统的控制逻辑图如图3 所示。

3.3 设备闭锁功能设计

设备闭锁主要是为了防止设备在执行相关操作后出现误操作问题，故需对设备进行闭锁功能设计。同时，必要时也需对设备的闭锁功能进行取消解决，以满足不同工况的使用需求。当检测到水位传感器出现异常现场时，此时需取消设备的闭锁功能，以有效排除故障。因此，在每个闭锁设备前端设计了一个复选框，当点击复选框时，则表示启动设备的闭锁功能，若未点击复选框时，则表示取消闭锁功能。由此，可根据瓦斯抽采过程的实际状态来选择是否开启闭锁功能。在复选框功能设计时，表示该功能启动的脚本程序为：IF WS_TR_1.PV==1 THEN，泵站的闭锁功能脚本设置为：#CheckBox33.SetCheck (1)#；ELSE 泵站的闭锁功能脚本为：#CheckBox33.SetCheck(0)#，ENDIF。设备闭锁功能操作界面图如图4 所示。

图3 电动阀门控制分系统的控制逻辑图

图4 设备闭锁功能操作界面图

4 监控系统现场测试

为进一步验证所设计的瓦斯抽采监控系统的综合性能，保证其后期运行的可靠性及稳定性，对其进行了实际应用测试，主要是对该系统中的数据采集、显示、按钮、瓦斯浓度状态、控制操作等方面进行了测试，系统测试过程中的主界面图如图5 所示。由图可知，在系统测试过程中，各项功能运行正常，能准确、实时地对井下瓦斯浓度、温度、水位及压力等参数进行实时采集和运算判断。系统的主界面也更加清晰地显示了整个系统的正常运行流程及作业状态，当检测到井下瓦斯浓度超过阀值时，则界面将发出相应的报警提示及瓦斯浓度值，并执行对各类电动阀的执行切断操作，全面启动抽气泵来实施对井下瓦斯的抽放作业，整个过程只需人员在监控平台上进行操作即可，实现了整个瓦斯气体抽排过程的远程操作控制。据分析，此系统应用后，在设备维护、人员工资等方面，每年可为企业节约将近100 万元以上的经济费用支出，也大大提高了井下的作业安全性。具有重要的实际应用价值。

图5 监控系统测试过程中的主界面图