瓦斯抽采體積分數(shù)控制系統(tǒng)設計

王琳

（鶴壁職業(yè)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(chǎn)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(chǎn)的頭號問題。當瓦斯體積分數(shù)達到5%～16%時，遇明火就會發(fā)生爆炸，嚴重威脅煤礦安全生產(chǎn)以及礦工人身安全。2021 年，全國共發(fā)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(yè)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(shù)偏低，無法民用，也無法用于內(nèi)燃機發(fā)電[3]。因此，需要設計體積分數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)來對瓦斯抽采體積分數(shù)進行精確控制。瓦斯抽采不僅可以提高煤礦安全生產(chǎn)，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(huán)境的需要[4]。

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

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)將抽采主管路瓦斯體積分數(shù)作為系統(tǒng)主要的控制參數(shù)，將井下瓦斯體積分數(shù)傳感器采集到的檢測值與設定值進行比較，根據(jù)運算結(jié)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(shù)達到設定值。瓦斯抽采體積分數(shù)控制系統(tǒng)總體設計原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體原理圖

系統(tǒng)包括以下3 個部分。信號采集單元：由瓦斯體積分數(shù)、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(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，并在HMI 上顯示溫度、瓦斯體積分數(shù)等信息。通訊部分：井下防爆PLC 能夠把采集到的參數(shù)通過以太網(wǎng)通信發(fā)送至井上HMI 處，并能實現(xiàn)參數(shù)信息的設置、控制及報警。執(zhí)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(diào)節(jié)支路抽采負壓，控制支路瓦斯體積分數(shù)，最終使抽采總管路瓦斯體積分數(shù)達到設定值。

本系統(tǒng)應具備的功能有3 點：①監(jiān)測主管路以及分支管路共3 根管道的瓦斯體積分數(shù)、溫度、壓力、流量、CO 體積分數(shù)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(shù)與設定值進行比較，差值及其變化率經(jīng)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(xié)調(diào)，使主管路體積分數(shù)值穩(wěn)定在設定值；③主管路與分支管路內(nèi)CO 體積分數(shù)及瓦斯體積分數(shù)達到報警限自動報警，斷電閉鎖，并可對監(jiān)測參數(shù)、報警信息等進行存儲，便于查詢。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

在上部分系統(tǒng)總體方案設計的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，對系統(tǒng)硬件進行分析、對比，分別完成對主控系統(tǒng)、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(tǒng)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(chǎn)的礦井專用放爆兼本安型PLC 控制器，型號為KXJ1/127-D。本系統(tǒng)I/O 點數(shù)估計需要：數(shù)字量輸入11 個，數(shù)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(jù)系統(tǒng)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(shù)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器采集的信號以及執(zhí)行機構發(fā)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(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)?.2～1 ⅤDC，送入模塊內(nèi)進行采集、放大、運算和進行抗干擾處理后，再經(jīng)變壓器調(diào)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(tǒng)電源設計

本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)、觸摸屏與上位機采用以太網(wǎng)通訊方式。

2.6 信號檢測單元

本系統(tǒng)中需要用的傳感器有負壓傳感器、瓦斯體積分數(shù)傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、流量傳感器。通過參數(shù)比較最終選用了淮北創(chuàng)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(chǎn)品。

2.7 執(zhí)行機構

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

3 系統(tǒng)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(jié)合控制要求，對體積分數(shù)控制的PLC 實現(xiàn)進行編程，并對上位機進行組態(tài)設計，滿足系統(tǒng)監(jiān)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(shù)據(jù)采集、報警、控制和輸出等模塊組成。對系統(tǒng)的參數(shù)設定后，數(shù)據(jù)采集模塊對當前管路中瓦斯體積分數(shù)等值進行采樣，并將采集的數(shù)據(jù)存儲到PLC 的相應存儲單元中；報警模塊是當前采集的數(shù)據(jù)超過設定的參數(shù)就會啟動報警；控制模塊是將當前抽采瓦斯體積分數(shù)和設定體積分數(shù)進行對比，根據(jù)偏差量計算輸出控制量，來控制執(zhí)行機構進行工作。

3.1.1 主控制程序設計

系統(tǒng)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(shù)，然后調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，若采集體積分數(shù)值無超限則不報警，進入體積分數(shù)控制子程序，實現(xiàn)體積分數(shù)自動調(diào)節(jié)。

圖2 PLC 主程序流程圖

3.1.2 數(shù)據(jù)采集子程序設計

本段程序主要負責采集信號。本系統(tǒng)需采集3 個溫度、3 個瓦斯體積分數(shù)、3 個壓力、3 個流量和3 個CO 體積分數(shù)的數(shù)值。對于采集到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后存儲到緩沖區(qū)中，再發(fā)送到上位機進行顯示、處理，將數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果再發(fā)送回下位機執(zhí)行控制操作。

3.1.3 體積分數(shù)控制子程序設計

體積分數(shù)控制的關鍵在于控制算法的PLC 實現(xiàn)。首先將體積分數(shù)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(xiàn)執(zhí)行元件的輸出。在本程序流程中，關鍵的步驟為體積分數(shù)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(zhuǎn)化為{1，2，3，4，5}。將控制規(guī)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(jù)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(tài)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(tài)設計依據(jù)系統(tǒng)功能，簡明易操作，瓦斯體積分數(shù)、閥門的開度及運行狀態(tài)等重要參數(shù)需要適時顯示，主要的功能控制能夠?qū)崿F(xiàn)，還需添加報警顯示指示燈等信息，最終的組態(tài)顯示界面如圖3 所示。

圖3 HMI 設計主界面

4 結(jié)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(shù)學模型十分困難，工業(yè)現(xiàn)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(shù)較低。本文以井下瓦斯抽采管路體積分數(shù)為研究對象，從工業(yè)現(xiàn)場實際情況出發(fā)，提出設計了一種瓦斯抽采管路體積分數(shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)，各支路閥門開度自動調(diào)節(jié)，使總管路體積分數(shù)達到預設值。

在總體設計的構思下，根據(jù)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(shù)、瓦斯體積分數(shù)傳感器和電動閥進行選型。同時，對瓦斯抽采管路體積分數(shù)控制系統(tǒng)進行軟件設計。PLC 控制程序由主控制程序、數(shù)據(jù)采集子程序、體積分數(shù)控制子程序等組成，實現(xiàn)體積分數(shù)精準調(diào)控和實時顯示、自動控制、超限報警等功能。通過軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)井下瓦斯抽采管路體積分數(shù)精準調(diào)控。