井下供水管網(wǎng)自動調(diào)節(jié)與監(jiān)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用

劉 堅(jiān)， 劉 虹

（1.山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)公司許廠煤礦機(jī)電科 山東 濟(jì)寧 272073；2.山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266590）

對于從事煤炭生產(chǎn)的煤礦，井下的消防灑水、滅塵噴霧、冷卻降溫等方面需要消耗大量的用水。根據(jù)許廠煤礦井下供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，現(xiàn)在供水系統(tǒng)的水源一方面來自地面，經(jīng)過井筒與井下供水管網(wǎng)相聯(lián)，另一方面來自鉆孔，直接與井下供水管網(wǎng)相聯(lián)。這樣因水的靜壓原因以及各處用水量的多少，會使得上山開拓以及用水量大的采區(qū)的水壓低于主水平大巷，下山開拓以及用水量少的采區(qū)的水壓高于主水平大巷。其結(jié)果是有的地方供水不足，有的地方水壓過高造成爆管或損壞設(shè)備，影響礦井的安全正常生產(chǎn)。因此設(shè)計(jì)一套能夠自動調(diào)節(jié)管網(wǎng)水壓，實(shí)時監(jiān)視管網(wǎng)壓力大小和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)微小故障，實(shí)現(xiàn)事故的早前預(yù)報(bào)的系統(tǒng)顯得極為迫切[1]。

筆者根據(jù)這一實(shí)際情況選用西門子S7-200系列可編程控制器實(shí)現(xiàn)了更加穩(wěn)定、精確的自動控制系統(tǒng)[2]。S7-200PLC是西門子公司的微型PLC，具有性能價格比高、編程簡單、通信接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠勝任此工程應(yīng)用。選用MCGS工控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了更加高效、快捷的監(jiān)控系統(tǒng)。MCGS是全中文組態(tài)，具有動畫組態(tài)功能完善、實(shí)時性強(qiáng)、功能齊全和簡單易學(xué)等優(yōu)點(diǎn)。同時利用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井下供水管網(wǎng)的遠(yuǎn)程以及現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控和調(diào)節(jié)[3]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于S7-200PLC和MCGS的供水調(diào)節(jié)與監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層和遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控層2層，都具有自動調(diào)節(jié)和手動調(diào)節(jié)功能，可以經(jīng)過切換按鈕進(jìn)行選擇。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層作為人機(jī)對話界面，通過MCGS組態(tài)軟件將PLC采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)傳送到井上監(jiān)控室，實(shí)時的顯示井下管網(wǎng)各處的水壓，電動閘閥的開度，自動生成數(shù)據(jù)報(bào)表、實(shí)時和歷史曲線，供工作人員查看井下工作狀態(tài)，分析數(shù)據(jù)以及調(diào)節(jié)水壓[4]。現(xiàn)場控制層分為3個控制分站，各個分站都選用西門子公司的S7-226CPU作為核心控制器。PLC通過自身的通信端口實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏和單片機(jī)通信，使得供水管網(wǎng)上的水壓實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場顯示。同時通過擴(kuò)展以太網(wǎng)通信模塊，利用井下以太環(huán)網(wǎng)將A/D采集模塊采集到的信號傳送到監(jiān)控室。現(xiàn)場控制層以PLC、電動閥以及壓力傳感器構(gòu)成一個閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成方框圖Fig.1 Block diagram of system components

2 現(xiàn)場控制層設(shè)計(jì)

現(xiàn)場控制層是對系統(tǒng)整體進(jìn)行操作的部分，也是系統(tǒng)的核心。一般來說，可分為兩個方面：硬件組成和軟件組成。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

目前，對于可編程控制器，國內(nèi)市場應(yīng)用較多的產(chǎn)品有：日本OMRON公司的C系列、日本松下公司的FP系列、日本三菱公司的FX系列、德國西門子公司的S7系列和美國ABB公司的07系列等。其中西門子公司的S7系列是傳統(tǒng)意義上的PLC產(chǎn)品。S7-200是針對低性能要求的小型PLC，它既能獨(dú)立運(yùn)行，也可連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集散自動化系統(tǒng)的復(fù)雜控制功能，應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。S7-200PLC具有以下幾個主要特點(diǎn)：可靠性高、指令集豐富、易于掌握、操作便捷、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時特性、通信能力強(qiáng)、擴(kuò)展模塊多等[5]。正是由于以上優(yōu)點(diǎn)，西門子S7-200PLC成為最適合本系統(tǒng)的可編程控制器。

設(shè)計(jì)井下供水管網(wǎng)恒壓供水，其主控制器選用西門子公司的S7-226CPU，同時擴(kuò)展一個模擬量采集模塊EM 231和以太網(wǎng)通信模塊CP 243-1；供水管網(wǎng)上的壓力檢測采用常州三恒科技公司的帶有數(shù)字顯示的壓力變送器和上海煤科實(shí)業(yè)有限公司的壓力變送器；水壓調(diào)節(jié)采用常州蘭凌公司的電動閘閥。現(xiàn)場顯示屏采用威侖通觸摸屏和由AT89C51單片機(jī)控制的液晶顯示器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場控制層軟件設(shè)計(jì)主要包括以PLC為核心的水壓自動調(diào)節(jié)程序以及PLC分別與觸摸屏和與單片機(jī)通信程序兩個主要部分。

閥門的控制分為手動控制和自動控制兩種方式，用戶可根據(jù)實(shí)際操作的需要選擇相應(yīng)的工作方式。手動方式下，分別有啟動正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個按鈕，用戶可以讓閥門正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)并停止在任意位置，一般用于粗調(diào)閥門位置。其中各個開關(guān)量控制、定時、計(jì)數(shù)、連鎖等常規(guī)控制用順序控制方式編程[6]；自動方式下，由于被控對象---壓力信號是一個純滯后對象，如果采用常規(guī)的PID規(guī)律進(jìn)行連續(xù)控制，由于在純滯后時間內(nèi)控制器的校正效果得不到反饋信息，以至于得到反映時，往往已經(jīng)輸入或輸出了過多的能量，也就是說調(diào)過頭了，導(dǎo)致系統(tǒng)品質(zhì)的嚴(yán)重下降，而且這種品質(zhì)的惡化隨著積分作用的加強(qiáng)越發(fā)顯著，不僅浪費(fèi)資源，也對環(huán)境有一定的破壞作用[7]。解決這一問題的辦法是模仿人工操作的經(jīng)驗(yàn)，操作一下馬上停下來，觀察被控對象的響應(yīng)，根據(jù)響應(yīng)的情況再決定下一步如何操作，在生產(chǎn)實(shí)踐中證明這種采樣控制方式取得了良好的控制效果。系統(tǒng)自動控制方框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制方框圖Fig.2 Block diagram of system control

在工程的實(shí)際控制中發(fā)現(xiàn)如果直接使用A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)試程序，會導(dǎo)致模擬量的輸入值變化太大，對于程序控制極為不利。針對這種情況，從軟件方面改進(jìn)，進(jìn)一步調(diào)整模擬量輸入的穩(wěn)定狀況。方法是采用慣性濾波的方法對A/D采樣的結(jié)果進(jìn)行處理，然后控制閥門運(yùn)行。具體是先采樣20次取平均值然后再采用慣性濾波的方法，即將此平均值乘以15后與上次慣性濾波后的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果求和，再用此和除以16得到此次慣性濾波值。實(shí)際應(yīng)用表明采用取慣性濾波的方式后，模擬量信號會變得穩(wěn)定，便于控制。為了便于技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，需要將采集到的6400-32000的慣性濾波值轉(zhuǎn)換成實(shí)際的工程值，根據(jù)轉(zhuǎn)換過程中輸入變量和輸出變量呈現(xiàn)線性關(guān)系，故采用以下公式：

其中：Ov為換算結(jié)果；Iv為換算對象；Osh為換算結(jié)果的高限；Osl為換算結(jié)果的低限；Ish為換算對象的高限；Isl為換算對象的低限[8]。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的另一個重要組成部分是PLC分別與單片機(jī)、觸摸屏以及MCGS的通信。S7-200PLC是一種小型整體結(jié)構(gòu)形式的PLC，其內(nèi)部集成的PPI接口的物理特性為RS-485，根據(jù)不同的協(xié)議通過此接口與不同的設(shè)備進(jìn)行通信或者組成網(wǎng)絡(luò)。由于PLC和觸摸屏采用它們都支持的RS485通信方式；PLC與MCGS的通信通過以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊CP 243-1實(shí)現(xiàn)，CP 243-1是一種通信處理器，它可以將S7-200系列連接到工業(yè)以太網(wǎng) （IE）中，CP 243-1還可以用于實(shí)現(xiàn)S7-200低端性能產(chǎn)品的以太網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)流可達(dá)到10/100 Mbit/s，滿足系統(tǒng)要求。S7-200PLC通過以太網(wǎng)向?qū)渲猛ㄐ欧绞剑琈CGS也具有支持以太網(wǎng)通信的控件，通過調(diào)用相應(yīng)的控件和相應(yīng)的設(shè)置便可以實(shí)現(xiàn)通信。下面重點(diǎn)介紹PLC和單片機(jī)的通信：通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的內(nèi)容十分豐富，支持多種通信協(xié)議，PLC配有發(fā)送（XMT）和接收（RCV）指令，用于發(fā)送及接收中斷，以及用于通信設(shè)置的特殊標(biāo)志位，極大的方便了其與智能設(shè)備的通信。根據(jù)單片機(jī)編程方便的特點(diǎn)采用自由口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC和單片機(jī)通信。在PLC的自由口通信方式下，通信協(xié)議可以自行設(shè)計(jì)，極大的方便了工程的實(shí)際應(yīng)用。并且，在自由口通信方式下，通信口的協(xié)議由外設(shè)決定，PLC通過程序來適應(yīng)外設(shè)。自由口通信方式是對PPI方式的一個補(bǔ)充，該方式使得S7-200系列PLC可以與任何具有通信能力的、并且協(xié)議公開的設(shè)備進(jìn)行通信。其中PLC自由口通信的初始化程序如下所示：

以單片機(jī)作為主機(jī)，PLC作為從機(jī)，通信協(xié)議根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)，單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制命令，PLC接收命令后發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)供單片機(jī)顯示[9]。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)控層實(shí)時地將現(xiàn)場設(shè)備的具體運(yùn)行情況生動形象地呈現(xiàn)出來，為工作人員提供第一手的資料，方便查看。計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制中不可或缺的一部分，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施是一個系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)在整個控制系統(tǒng)中不僅要與PLC組建以太網(wǎng)，還要顯示數(shù)據(jù)，控制設(shè)備，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，開放遠(yuǎn)程訪問端口[10]。監(jiān)控層的計(jì)算機(jī)主要安裝了512點(diǎn)的MCGS組態(tài)軟件，通過組態(tài)軟件的組態(tài)，使計(jì)算機(jī)與PLC通訊，采集數(shù)據(jù)，以友好簡潔的畫面方式顯示整個工藝流程，以及生產(chǎn)過程中的壓力、開度、閥門電機(jī)的開啟狀態(tài)等，并可以對閥門電機(jī)進(jìn)行手動和自動的啟停控制。同時提供實(shí)時/歷史曲線、實(shí)時/歷史報(bào)警記錄；提供報(bào)表的打印功能，任意畫面的打印等功能；允許操作員快速查閱現(xiàn)場工況，查詢報(bào)警記錄，查詢實(shí)時/歷史記錄，查詢報(bào)表，解除警報(bào)；還可以根據(jù)實(shí)際工況更改系統(tǒng)工作參數(shù)和報(bào)警參數(shù)以使系統(tǒng)更加符合生產(chǎn)需求。監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖3所示。

圖3 MCGS監(jiān)控系統(tǒng)主畫面Fig.3 Main screen of MCGS monitoring system

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套井下供水管網(wǎng)自動調(diào)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)[11]，給出了具體的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)以S7-200PLC為控制核心，利用MCGS工控組態(tài)軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形表現(xiàn)能力，采用各種通信手段實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)于2010年1月在淄博礦業(yè)集團(tuán)公司許廠煤礦井下現(xiàn)場投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果良好，提高了井下供水系統(tǒng)的自動化監(jiān)控水平，做到了既不浪費(fèi)水資源，又不影響正常生產(chǎn)，可謂一舉多得。

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