基于PLC的煤礦井下排水無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃倩書

（同煤集團(tuán)煤峪口礦， 山西 大同 037041）

引言

井下排水系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要系統(tǒng)，隨著煤炭需求量的增加，自動(dòng)化生產(chǎn)方式的不斷使用，排水系統(tǒng)也要采用自動(dòng)化方式才能提升排水系統(tǒng)的效率[1]，同時(shí)，自動(dòng)化排水系統(tǒng)保證了生產(chǎn)的安全性。在自動(dòng)化的排水系統(tǒng)中，采用PLC技術(shù)結(jié)合無線通信的方式使系統(tǒng)運(yùn)行并進(jìn)行無線監(jiān)控，這樣可以保證排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 煤礦井下排水無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

井下排水監(jiān)控系統(tǒng)是保證排水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，要具有良好的自動(dòng)控制特性，同時(shí)可以滿足手動(dòng)操作的需求。對(duì)于設(shè)計(jì)的井下排水無線監(jiān)控系統(tǒng)，采用西門子S7-300可編程控制器為核心，采用相應(yīng)的硬件進(jìn)行連接及軟件控制，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信[2]，形成包括井下、地面和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，稱之為三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

通過選取相應(yīng)的傳感器，分布在井下的相應(yīng)位置，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將獲得的數(shù)據(jù)傳輸給PLC，進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，并且將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

井下監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)井下的水位進(jìn)行監(jiān)控，硬件采用各種傳感器，包括溫度、壓力等傳感器，將相應(yīng)的傳感器布置在水倉中，檢測相應(yīng)的水位信號(hào)，將信號(hào)傳輸至S7-300 PLC中，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的實(shí)時(shí)采樣及監(jiān)控[3]。依據(jù)接收到的水位信號(hào)，控制器依據(jù)設(shè)定值進(jìn)行水位的控制，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵等組件的保護(hù)。

地面監(jiān)控系統(tǒng)中的ZigBee無線傳輸模塊，將系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)向地面監(jiān)控系統(tǒng)傳輸，在地面監(jiān)控系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的顯示及數(shù)據(jù)的處理，然后將系統(tǒng)指令通過ZigBee傳輸至井下。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用服務(wù)器與客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控或者人為的控制，可以在自動(dòng)化監(jiān)控的基礎(chǔ)上，增加遠(yuǎn)程的存儲(chǔ)監(jiān)控，或者實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

2 煤礦井下排水無線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

在系統(tǒng)的硬件組成中，包含實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的各種傳感器，對(duì)于傳感器的選擇，要進(jìn)行溫度、流量、壓力、真空度等參數(shù)的檢測，傳感器檢測的精度對(duì)于系統(tǒng)的控制具有重要的影響，對(duì)于傳感器的精度，需綜合考慮系統(tǒng)的控制及成本進(jìn)行選擇。

液位傳感器主要用于對(duì)水倉的水位進(jìn)行檢測，由于井下的環(huán)境惡劣，并且井下積水存在著較大的酸堿度，對(duì)于液位傳感器必須具有較高的精度，并且能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境，保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性。采用CY-DB31一體式的水位設(shè)備進(jìn)行檢測，為了保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確，采用兩個(gè)液位傳感器進(jìn)行檢測，兩個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測及傳輸，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，這種方式可以提高系統(tǒng)的安全性及可靠性。

流量傳感器主要用于對(duì)排水過程中管道內(nèi)的流量進(jìn)行檢測。進(jìn)行流量的檢測，首先可以判斷水泵的運(yùn)行狀態(tài)，流量變化時(shí)，結(jié)合水泵的運(yùn)行參數(shù)，可以判斷水泵的狀態(tài)，保證水泵的安全運(yùn)行；同時(shí)，流量發(fā)生變化，依據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。系統(tǒng)中選擇采用的流量傳感器型號(hào)為LED-99DE，如圖2所示，可直接安裝于管道上，便于系統(tǒng)的安裝使用。

圖2 流量傳感器

依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)，井下設(shè)備的主要配置見表1。

表1 系統(tǒng)的硬件配置表

系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC作為控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下排水系統(tǒng)的監(jiān)控，系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。對(duì)于系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，輸入信號(hào)主要包括數(shù)字量輸入和模擬量輸入[4]，數(shù)字量輸入信號(hào)包括水泵電機(jī)開關(guān)、水泵控制閥開關(guān)、射流管路閥開關(guān)、排水管路閥開關(guān)及急停復(fù)位信號(hào)等，模擬量輸入信號(hào)包括水倉水位、水泵入水口真空度、排水管流量、水泵出水口壓力、水泵軸溫、電機(jī)軸溫、電動(dòng)閥開度指示等；輸出量信號(hào)主要是數(shù)字量輸出信號(hào)，包括水泵電機(jī)開關(guān)、射流管路電動(dòng)閥開關(guān)、排水管路電動(dòng)閥開關(guān)、故障指示等。選定的系統(tǒng)模塊，I/O點(diǎn)數(shù)充足，具有一定的余量，可以作為后續(xù)系統(tǒng)的改進(jìn)或補(bǔ)充使用。

3 煤礦井下排水無線監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

井下排水無線監(jiān)控系統(tǒng)的編程采用西門子編程軟件Step7，系統(tǒng)中界面的顯示采用Wincc進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，Wincc與Step7之間可以進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)將井下采集到的數(shù)據(jù)顯示到上位機(jī)的顯示界面上，同時(shí)可以傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。Wincc具有良好的兼容性，工作人員可以遠(yuǎn)程進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，提高系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能[5]。

煤礦井下工作環(huán)境惡劣，在進(jìn)行通信時(shí)，必須充分考慮環(huán)境的影響，保證系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。對(duì)于常用的無線傳輸技術(shù)，ZigBee無線通信技術(shù)具有較長的使用時(shí)間，并且通信模塊較小，可以較方便地安裝在井下的環(huán)境中，并且容易做好防護(hù)，在使用電池的情況下，可以滿足較長時(shí)間的使用。因此，系統(tǒng)采用ZigBee進(jìn)行無線通信，雖然傳輸速率具有一定的影響，但仍能夠滿足系統(tǒng)的使用。

圖3 井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

4 結(jié)語

為滿足煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化的井下排水無線監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)包括井下監(jiān)控、地面監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制中心，實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控，提高了煤礦的安全性。系統(tǒng)采用以西門子S7-300 PLC為核心的設(shè)備，結(jié)合相應(yīng)的硬件設(shè)備及ZigBee無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了煤礦的安全性。