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1、基于PLC的煤矿瓦斯浓度监控系统摘 要煤矿矿井通风系统能否正常工作与矿井工作环境条件，生产效率，安全生产密切相关。随着我国政府对各行各业安全生产监管力度的不断加大，尤其对煤矿生产的安全要求越来越高，对煤矿矿井通风系统进行技术改造，提高其运行稳定性，可靠性，节能性等势在必行。本系统将三菱PLC与变频器结合起来，采用瓦斯浓度和井下压力为主要参数，实现对矿井通风机的工作过程和运转速度的有效控制，从而达到矿井下通风安全、稳定，同时使得资源最大的利用。并且PLC对通风机有过热保护、故障报警、机械故障和瓦斯高浓度报警等功能。为了矿井通风的安全节能技术改造提供新的技术。关键词：PLC, 瓦斯浓度, 传感器，
2、通风机Coal-mine Gas Concentration Monitoring System based on PLCABSTRACTThe working conditions, the normal work of mine ventilation system and whether the coal mine production efficiency, safety production is closely related to. Along with the Chinese government on all kinds of production safety superv
3、ision increased, especially for coal mine production safety requirements more and more high, the technical reformation of coal mine ventilation system, improve the operation stability, reliability, energy saving and so be imperative.This system will combine with Mitsubishi PLC inverter, the concentr
4、ation of gas and down hole pressure as the major parameter, achieve effective control of working process and the running speed of the mine ventilator, so as to achieve the mine ventilation and safety, stability, and makes use of the most resources. And PLC overheating protection, fault alarm, fault
5、and high gas concentration alarm function of fan. Provide a new technology for technological transformation of mine ventilation and safety and energy savingKEY WORDS: PLC，Gas，Transducer，ventilate目录前言1第1章 瓦斯相关介绍21.1瓦斯气体21.1.1瓦斯气体性质21.1.2瓦斯气体的爆炸21.1.3本课题研究的意义3第2章 监控系统控制方案4第3章 系统硬件设计53.1控制核心PLC概述53.1.1
6、三菱PLC FX2N16MR简介53.1.2 A/D转换模块FX2N4AD63.2矿井主扇风机概述73.3触摸屏概述83.4传感器部分概述93.4.1瓦斯浓度传感器103.4.2 温度传感器103.4.3 空气压力传感器11第4章PLC软件设计124.1系统启动及停止124.2模拟量编程及应用134.3瓦斯浓度的监测144.4压力的监测154.4.1风压给定及依据154.4.2风压测定及控制164.5温度的监测16第5章 运行结果与调试18结论20 辞21参考文献22附录23前言随着煤矿开采规模的扩大和数量的增加,瓦斯灾害问题日益突出。在煤矿安全生产过程中,矿井通风系统起着极其重要的作用,它是
7、煤矿安全生产的关键环节。矿井通风机承担着矿井瓦斯排放的重任,为了达到节能效果,通风机的转速应与瓦斯浓度的增减成比例地升降,即随瓦斯浓度的变化自动调整转速。因此,对矿井通风机的主要参数及瓦斯浓度的监控非常必要。以PLC为控制核心结合变频器组成的控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、维修方便等诸多优点。随着社会的发展，能源结构正在发生深刻的变化，各种清洁能源技术不断取得新的应用。但是，对于我国这样一个发展中的大国，煤炭在很长时间仍然是我国的主要能源，占我国能源消费的67%。从2001年到2006年，我国的煤炭产量每年增长2亿吨以上，这在煤炭工业史上是前所未有的，但仍然满足不了国更快的需求增长。煤炭供
8、应紧、价格直线上升，煤矿超能力生产问题非常严重，煤矿安全成为社会广泛关注的重点，国家安全生产监督管理局的统计数字令人触目惊心：在去年19.5亿吨的产量中，只有12亿吨是有安全保证的，而全国煤矿安全欠帐已经达到500亿元左右。煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故23起，死亡人数682人，分别上升67%和162%，其中瓦斯事故18起，死亡599人，同比增加8起，382人。瓦斯事故仍然是煤矿安全生产中发生最多和最严重的。这些事故的发生有其客观的原因，但也跟管理和技术手段的应用有着紧密的联系。据资料显示美国的煤矿死亡人数一年大约在30人左右，澳大利亚2003年的死亡为零。省市自2002年实现数字化远程
9、瓦斯监测系统以来，瓦斯事故也得到了很好的治理。由此可见，煤矿瓦斯事故并非不可治理，只要加强管理再配合先进的技术手段（煤矿安全生产监测系统和数字化远程瓦斯监测系统）的应用，瓦斯事故是可以得到治理的。从而大大减少安全事故的发生，保护广大煤矿工人的生命财产安全，为建立一个和谐、平等的社会，为国家的发展做出贡献。 第1章 瓦斯相关介绍1.1瓦斯气体1.1.1瓦斯气体性质了解瓦斯的特点和性质是搞好瓦斯管理的先决条件。瓦斯是煤矿开采过程中的一种有害气体的总称，它有自己的性质和特点，是可以被认识的，也是可以被控制和利用的。所以说要搞好瓦斯管理工作，必须首先学习有关瓦斯的知识，了解瓦斯的性质和特点。矿井瓦斯是
10、指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体，包括CH4、COZ、CO、NZ、CZH6、502、HZS等。主要成分是甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（COZ）、硫化氢（HZS）等。沼气是矿井瓦斯的主要成分，是一种无色无味的气体。不助燃，但当与空气混合到一定浓度时，遇火能燃烧或爆炸，爆炸界限为5一16.5%；空气中沼气浓度超过40%时，空气中的氧含量将下降到12%以下，此时空气与沼气的混合气体不再发生爆炸，但将使人窒息。 1.1.2瓦斯气体的爆炸瓦斯爆炸须具备3个条件：C氏浓度、02浓度及引爆温度。瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡，当外
11、界温度、压力变化时，几种状态会互相转化，煤层在开采过程中，瓦斯被逸散出来，在井下积聚，造成瓦斯浓度增加，当CH4浓度达5%16%时具有爆炸性，CH4浓度为9.5%时，爆炸威力最大，当CH4浓度小于5%或大于16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，瓦斯爆炸的上下限是可变的，当CH4混合气体的温度和压力发生变化或混入煤尘及其它可燃气体时，可影响瓦斯爆炸的上下限，如空气中的煤尘含量为10-12mg/m3，cH4浓度达到4%时，遇火就会爆炸。要消除引爆火源，必须严禁明电、明火下井，禁止明电、明火放炮，并要求井下电器设备必须防爆。所以控制瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的根本，实时掌握瓦斯浓度状况是煤矿安全的头等
12、大事。 1.1.3本课题研究的意义该项目的实施，可以提高煤炭安全生产作业率，加大安全生产管理力度，降低事故率，保障国家及人民生命财产安全。保障煤矿瓦斯监测、监控系统的正常运行，保障煤矿的每一次报警都能得到相应解决，及时发现并解决煤矿所存在的安全隐患，保障煤矿安全生产信息上下达的通畅，提高煤矿安全生产管理信息系统的应用水平，及煤炭从业人员的整体素质，力争使煤矿安全生产管理实现量化、标准化、规化。因为信息化管理是一个量化、标准化、规化管理的实现，其中系统的运行提供了一个量化井下工作作业环境的工具，计算机的处理过程则要求将整个管理过程展开成一个个标准化的单元，计算机系统的运行是一个由标准单元所组成的
13、一个规化的执行过程。瓦斯联网监测系统的建立将使安全生产的整个管理工作向量化、标准化、规化的工作管理模式转变。该项目的建设将为我国乡镇中小煤矿行业信息化建设做出积极贡献。该项目的建设是以煤矿瓦斯联网监测系统为龙头，建成提供数据、语音、视频传输的统一系统平台，实现信息资源的充分共享和广泛使用。实现煤炭信息化管理，实施“煤电强县”的战略，建设中国煤炭大县，抓“滇东电厂”和煤化工基地建设的机遇，建设富源煤炭瓦斯联网监测系统非常必要。以信息化带动工业化，为推进富源经济社会的快速发展和全面进步做出贡献。第2章 监控系统控制方案本设计系统中使用了PLC所以与使用常规继电器实施的通风系统相比，具有故障率低、可
14、靠性高、接线简单、维护方便等诸多优点，PLC的自动控制功能和程序化工作方式使通风系统的自动化程度大大提高，降低了岗位人员的劳动强度。PLC与空气压力变送器，以及瓦斯浓度检测器的配合使用，使系统控制的可靠性和安全性以及稳定性大大提高，降低了通风机运行的成本，不仅节约了电能，而且还提高了设备的运转率。通风机主要工作部分由两台离心通风机组成，每台通风机有一台电机，每台电机驱动一组扇叶片，两组扇叶片是对旋的，一组的作用吸风，一组的作用增加风速，对井下进行供风。根据井下用风量的不同，采用不同型号的风机。本系统设计选用风机的功率为45 kW 。控制部分选用一台三菱公司的FX2N系列的PLC， 并需要增加模
15、拟量转换模块。输入部分包括：启动，停止按钮，空气断路器、空气压力传感器，瓦斯浓度检测器等组成一个完整的闭环控制系统。其中还包括电机用接触器、中间继电器、热继电器、矿用防爆型断路器等系统保护电器，实现对通风电机和 PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。共计8个输入点和6个输出点。因此本论文以三菱FX2N系列可编程逻辑控制器作为监控核心，运用温度、压力、瓦斯浓度等传感器和电量采集单元对风机运行的状态以及对各种电量参数进行细致的检测。同时利用PLC和上位机之间的通信实现对矿井通风机运行的实时监控。本论文还利用变频器来控制通风机的变频运行，实现风机的高效节能运行。第3章 系统硬件设计3.1控制核心PLC概述 3.1.1三菱PLC FX2N16MR简介本设计采用的PLC是日本三菱公司的FX2N系列的继电器输出型PLC。它带有16个I/O点，分别为8个输入点，8个输出点。输出形式为继电器形式，输出端最大电流可以达到5A工作电流。输入侧为NPN漏型输入。其特点是：1. 置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K。2. CPU运算处理速度0.08S/基本指令。3. 在PLC右侧可连接各种输入输出扩展模块和特殊功能模块。4.
