瓦斯抽采智能控制系统

瓦斯抽采智能控制系统研究

祝钊1，2，3，贾振元2，王魁军1，3，吴北平1，3，白雪1，3

(1．煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁沈阳110016;2．大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116023;

3．煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122)

摘要：在煤矿瓦斯抽采系统中引入煤层气高效抽采的PLC智能控制技术，通过对瓦斯浓度预

设值与传感器实际监测值的比较实现瓦斯抽采管路电动调节阀的智能控制。建立CO、C2H4、O2

浓度及环境温度、负压等参数的逻辑控制集合，控制地面抽采泵站等设备的运行状态。通过实验

室模拟测试与调试验证了控制系统的可靠性和准确性，能够有效调节瓦斯抽采系统的流量和设

备状态。

关键词：瓦斯抽采;可编程逻辑控制;智能控制;电动阀

中图分类号：TD676文献标志码：B文章编号：1003－496X(2012)11－0092－03

Study on Gas Extraction Intelligent Control System

ZHU Zhao1，2，3，JIA Zhen－yuan2，WANG Kui－jun1，3，WU Bei－ping1，3，BAI Xue1，3 (1．Shenyang Branch of China Coal Research Institute，Shenyang110016，China;2．School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116023，China;3．State Key Laboratory of Coal

Mine Safety Technology，Fushun113122，China)

Abstract:By introducing PLC intelligent control technology of coal bed gas efficient extraction to the coal mine gas drainage system，and the comparion between the default value of gas concentration and sensor actual monitoring value，intelligent control of electrically

operated valve in gas extraction pipeline is achieved．The logic control sets of CO，C

2H

4

，O

2

concentration and environmental tempera-

ture，subprssure and other parameters are established to control the running status of ground drainage pumping stations and other de-vices．The reliability and accuracy of the control system is verified through laboratory simulation and debug test，and the control system can effectively regulate the flow and device status of the gas drainage system．

Key words:gas extraction;programmable logic control;intelligent control;electrically operated valve

1技术方案概述

煤层气高效抽采控制技术采用现代自动化领域先进控制技术，通过智能化调整、自校正和自适应算法对瓦斯抽采管路电动阀门的开度进行调节，从而控制抽采流量，实现煤层气抽采量的智能控制。在地面泵站的瓦斯抽采管道支路上安装检测传感器和电动调节阀，通过PLC监控分站对电动阀门进行调节和控制，煤层气高效抽采控制系统在地面泵站布局图如图1。在地面泵站的抽采管路上安装传感器和电动调节阀，控制分站既可以实现对主管路上电动阀门的控制，又可以控制泵房内真空泵、循环水泵和冷却风扇等设备的启停状态。

根据煤层气抽采系统的特点和要求，结合PLC 智能逻辑控制方法，通过对煤层气抽采监控指标临界值以及控制参数指标与抽采工艺关系的研究，

煤

图1瓦斯高效抽采控制系统地面泵站布局图

层气高效抽采控制系统纵向可分为数据显示层、监控层和现场监测层3个部分，具体由传感器、PLC监控分站、本安操作台、本安计算机和数据显示屏组成，实现瓦斯抽采系统的全程监控，具体系统结构框图如图2。

监控系统通过安装CH4传感器、CO传感器、流量传感器、负压传感器和温度传感器等完成对瓦斯

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·（第43卷第11期）设计·开发

图2煤层气高效抽采控制系统结构框图

流量、CH4浓度、CO浓度、环境温度、管道负压、轴温、水温、水位等的数据采集，并对设备的运行状态、冷却水循环情况进行检测，将数据通过RS485通讯传送到本安计算机并显示在参数显示屏上。PLC监控分站和本安操作台可以控制泵房内真空泵、循环水泵和冷却风扇等设备的启停状态，且具有异常报警、瓦斯超限自动断电等功能。

2PLC智能监控分站

2．1PLC逻辑控制原理

PLC智能监控分站通过对瓦斯抽采系统各项参数的分析与比较，将抽采系统中各监测指标进行分析处理，从而实现煤层气智能化、高效率抽采，在确保安全生产的前提下实现煤炭资源的合理化高效利用。

将C2H4气体设定为停止抽采的标志性气体，当乙烯气体出现时证明残煤温升过高，即将发生燃烧，必须立即停止抽采、关闭所有设备。

煤层气中CO浓度直接反应煤质的氧化程度，当超过安全极限值时就有发生煤火的可能。当管道CO浓度超过报警设定值时系统将发出声光报警，同时停止抽采作业、关闭所有设备；当CO浓度在系统可行范围内时，无论CO浓度具体值是多少阀门开度均保持不变；当CO浓度在系统调节范围内时，由PLC监控分站调节电动阀门控制瓦斯抽采量。

为了避免煤质氧化过快，抽采控制系统设有瓦斯温度超限值，超过这个值系统立即停止抽采并关闭所有设备；瓦斯温度在一个较高值区间内且O2浓度大于一定值时，减少瓦斯抽采量并报警［1－3］。2．2监控分站电路设计

PLC监控分站由PLC控制电路、通信接口电路、光电隔离转换电路、电源供电电路等组成，通过对CH4浓度、CO浓度、瓦斯流量、环境温度、管道负压等数据的采集完成对瓦斯抽采管路电动调节阀门和泵站设备启停的控制，具体结构框图如图3

。

图3PLC监控分站电路结构框图

PLC控制电路采用西门子S7－200系列PLC 作为控制核心，其中模拟量模块完成对瓦斯流量、CH

4

浓度、CO浓度、O2浓度、C2H4浓度、温度、管道负压等的数据采集，并输出逻辑控制信号；数字量模块对设备的运行状态、冷却水循环状态及阀门状态等进行检测。监控分站中还设计了RS485通信接口电路和光电隔离转换电路，分别用于本安计算机、抽采参数显示屏同PLC的通讯接口电路和本安操作台、传感器、设备运行状态信号同PLC的接口电路。电源供电电路通过变压器将交流单向电压转换为本安电源输出，为系统各部分供电。

2．3监控分站软件设计

监控分站的软件设计采用梯形图语言编写PLC 分站监控软件程序，实现对瓦斯抽采系统各项参数及设备的状态数据的采集、换算与设备控制，并与计算机进行实时通讯，上传数据、接收控制命令。监控分站主程序流程图如图4。

3模拟试验与数据分析

试验装置由标准模拟信号源、电动调节阀门、传感器、PLC监控分站、本安操作台、数据显示屏和本安计算机等组成。按照抽采监控系统结构框图连接试验设备，将初始的瓦斯浓度值设定为35%，用200 1000Hz标准信号源模拟实际瓦斯浓度，使PLC 监控分站根据模拟瓦斯浓度信号对电动阀门进行调节的开度进行调节，对真空泵、循环水泵和冷却风扇等设备的启停进行控制。当模拟信号中CO浓度、

CH

4

浓度、瓦斯温度T和管道负压p的模拟值分别为10．7ˑ10－6、11．1%、25．6ħ和－30kPa时，抽采系统各参数的显示数值见表1。

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（2012－11）