徐國(guó)強(qiáng)

（華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 太原 030001）

·試驗(yàn)研究·

礦山供水管網(wǎng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐國(guó)強(qiáng)

（華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 太原 030001）

為了保障礦山供水的穩(wěn)定性和可靠性，結(jié)合礦井供水管網(wǎng)的分布情況，研究了一套供水管網(wǎng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括監(jiān)控分站、監(jiān)控總站及控制中心，采用PLC作為數(shù)據(jù)采集和處理中心，通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸和通信，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦山供水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可靠控制。

無(wú)線監(jiān)控；礦井供水管網(wǎng)；PLC；設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工業(yè)技術(shù)水平飛速發(fā)展，城市生活和工業(yè)用水的需求量越來(lái)越大。隨之而來(lái)的水源井?dāng)?shù)量多、供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布范圍擴(kuò)大，供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性也需要得到保障［1］。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)供水系統(tǒng)管道泄漏比例大于30%。管道泄漏導(dǎo)致水資源浪費(fèi)，同時(shí)也造成用水成本的提高［2］。目前，存在國(guó)內(nèi)礦山供水系統(tǒng)比較落后，水源井間隔比較遠(yuǎn)且分散，管網(wǎng)分布范圍較廣，管網(wǎng)故障造成損失大的現(xiàn)狀［3］。為保證供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，縮短故障檢修時(shí)間，盡量減少停水次數(shù)，提高工作效率，亟需對(duì)礦山供水管網(wǎng)搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解供水系統(tǒng)每個(gè)覆蓋管網(wǎng)的工作狀況，監(jiān)測(cè)壓力、流量等數(shù)據(jù)，獲取每個(gè)覆蓋管網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心在上位機(jī)中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理，同時(shí)在觸摸屏上顯示。

本文采用PLC、模擬量轉(zhuǎn)換模塊以及壓力、流量等傳感器進(jìn)行管道數(shù)據(jù)采集和處理，利用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器上，進(jìn)行處理，可對(duì)長(zhǎng)距離輸流管道進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、泄漏檢測(cè)、實(shí)時(shí)報(bào)警等。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于礦井供水管網(wǎng)是長(zhǎng)距離流體輸送管道管網(wǎng)，其分布復(fù)雜，檢測(cè)點(diǎn)分布分散，與主站距離較遠(yuǎn)，使用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，更易實(shí)現(xiàn)分散控制集中管理，與有線線纜連接相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、開(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)分站、監(jiān)控主站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分站可實(shí)現(xiàn)信息采集處理、存儲(chǔ)、就地顯示、控制等功能，并根據(jù)管道兩端采集的信號(hào)，對(duì)管道中所出現(xiàn)的泄漏及時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)信息及時(shí)預(yù)報(bào)，通知現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員迅速進(jìn)行故障點(diǎn)修復(fù)，保證管網(wǎng)正常運(yùn)行。監(jiān)控主站通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)實(shí)時(shí)采集各監(jiān)測(cè)分站信息，對(duì)這些信息進(jìn)行分析處理和顯示報(bào)警，并通過(guò)以太網(wǎng)光纖將分站信息遠(yuǎn)程傳送到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心通過(guò)上位機(jī)組態(tài)軟件，可動(dòng)態(tài)顯示各分站的工作狀態(tài)，還可對(duì)分站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，當(dāng)管線上的某點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，其壓力和流量信號(hào)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化，中心控制站的監(jiān)測(cè)軟件對(duì)采集的壓力和流量信號(hào)以曲線的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，對(duì)泄露信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警，綜合指揮，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可對(duì)采集信息實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、查詢、管理及分析，還可進(jìn)行管網(wǎng)信息報(bào)表打印。

2 監(jiān)控分站的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)分站以PLC為控制核心，配有模擬量采集模塊、各種傳感器與顯示單元等，通過(guò)PLC與現(xiàn)場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)管道壓力、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。PLC具有可靠性高、可以擴(kuò)展的模塊化結(jié)構(gòu)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中PLC選用SIEMENS S7-200 CPU226CN AC-DC-RLY主機(jī)，通過(guò)自帶的模擬量采集模塊EM231將現(xiàn)場(chǎng)壓力、流量等傳感器采集到的4～20 mA模擬量信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，送入PLC內(nèi)進(jìn)行處理。觸摸屏顯示器選用北京昆侖通泰MCGS，無(wú)線傳輸模塊選用日精ND250 A數(shù)傳電臺(tái)。

供水管網(wǎng)具體參數(shù)監(jiān)測(cè)包括各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、瞬時(shí)流量。根據(jù)實(shí)際情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力一般在0．8 MPa左右，用于查看對(duì)比，如有某個(gè)地方出現(xiàn)爆管，從壓力就很容易看出在哪個(gè)地方的前后出了問(wèn)題。瞬時(shí)流量主要是查看各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的用水規(guī)律，以及檢測(cè)點(diǎn)處的用水累計(jì)流量，同樣的規(guī)律，如果瞬時(shí)流量很明顯超出了此檢測(cè)點(diǎn)的用水水平，那此檢測(cè)點(diǎn)后方很可能有水管出現(xiàn)漏水事故。

監(jiān)控分站通過(guò)數(shù)據(jù)采集和處理，計(jì)算程序判斷是否發(fā)生泄露，計(jì)算泄露點(diǎn)位置，并通過(guò)觸摸屏顯示器顯示采集的數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，分站PLC通過(guò)RS485口與無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)連接，以自由口通信方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控主站。

3 監(jiān)控主站的設(shè)計(jì)

管網(wǎng)監(jiān)控主站系統(tǒng)仍以PLC為控制核心，在設(shè)計(jì)上結(jié)合實(shí)際需求，配有以太網(wǎng)通訊模塊CP243-1，控制柜中配有12 V和24 V直流電源來(lái)分別給日精無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)和S7-200PLC的以太網(wǎng)通訊模塊供電，S7-200PLC是單相交流220 V供電，所以柜子外接單相220 V交流電源，在柜子內(nèi)配有浪涌保護(hù)器和空氣開(kāi)關(guān)，以保證整個(gè)系統(tǒng)正常安全運(yùn)行。主站PLC以自由口通信方式，通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)分站的信息，或者向分站發(fā)出指令，并將各分站信息及報(bào)警信息通過(guò)控制觸摸屏顯示，同時(shí)將信息傳輸給監(jiān)控中心上位機(jī)PC。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控分站程序設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集和處理程序設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、液晶顯示和報(bào)警設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集和處理程序流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 分站監(jiān)控程序流程圖

通過(guò)數(shù)據(jù)采集、濾波、判斷、顯示及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)分站的監(jiān)控任務(wù)。數(shù)據(jù)通信采用自由口通信協(xié)議，是基于RS-485通信基礎(chǔ)的半雙工通信，PLC程序主要通過(guò)使用XMT指令、RCV指令、傳送中斷、接收中斷以及特殊寄存器控制字的編寫(xiě)來(lái)完成通訊端口的操作。PLC液晶顯示程序與觸摸屏通過(guò)RS485相連接，通過(guò)觸摸屏顯示器可以清晰的觀察到每路壓力和流量的實(shí)時(shí)情況。液晶觸摸屏界面見(jiàn)圖3。

圖3 液晶觸摸屏界面示意圖

系統(tǒng)監(jiān)控中心包括數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理設(shè)計(jì)等。本系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心上位機(jī)選用組態(tài)軟件，又稱監(jiān)控組態(tài)軟件，譯自英文SCADA，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervision Control and Data Acquisition），該軟件能使用戶方便、靈活、快捷地建立可視化的人機(jī)界面。組態(tài)軟件作為I／O Server通過(guò)以太網(wǎng)模塊CP243-1訪問(wèn)S7-200 PLC，其通信協(xié)議選擇基于TCP／IP通信協(xié)議。PLC與組態(tài)軟件的通信設(shè)置可通過(guò)在PLC編程軟件STEP7-MicroWIN V4．0的以太網(wǎng)向?qū)е信渲肅P243-1模塊、配置通信驅(qū)動(dòng)軟件的屬性。組態(tài)軟件支持SQL語(yǔ)句，通過(guò)ODBC接口能方便地與SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，將相關(guān)事件記錄到Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。

上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)包括安全登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)計(jì)、分站監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理設(shè)計(jì)，分站監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)包括實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警顯示以及各參數(shù)信息顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)管理設(shè)計(jì)包括歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史趨勢(shì)查詢、報(bào)警查詢等。

5 總 結(jié)

本研究所設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了礦山供水管網(wǎng)無(wú)線監(jiān)控?？刂蒲b置以PLC為核心器件、數(shù)傳電臺(tái)為無(wú)線通信媒介，借助控制器的實(shí)時(shí)能力，實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)。本研究實(shí)時(shí)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行無(wú)線傳輸，根據(jù)所測(cè)參數(shù)值判斷管網(wǎng)工作情況，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別。

綜上所述，本系統(tǒng)具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1）可靠性高、效率高。2）節(jié)能效果顯著。3）節(jié)省了人力，提高了供水效率。4）實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班，節(jié)約管理費(fèi)用。5）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較好。

［1］ 薛海鴻，陳麗珺，李元紅．水源井供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．中國(guó)儀器儀表，2009（9）：68-71．

［2］ 王占山，張化光，馮 健，等．長(zhǎng)距離流體輸送管道泄漏檢測(cè)與定位技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［J］．化工自動(dòng)化及儀表，2003，30（5）：5-10．

［3］ 龐元?。V井監(jiān)控系統(tǒng)與生產(chǎn)信號(hào)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009：69-71．

Design on Wireless Monitoring System for Mine Water Supply Pipe Network

Xu Guo-qiang

In order to guarantee the stability and reliability of mine water supply，combining with the mine water supply pipe network distributions，the wireless monitoring system for water supply pipe network is studied．The system includes a monitoring and control substations，terminus and control center．The PLC is adopted as a data collecting and processing center．The remote data wireless transmission and communication is achieved through data radio station．The real-timely data monitoring and reliable control of the entire mine water pipe network system are implemented．

Wireless monitoring；Mine water supply pipe network；PLC；Design

TD679

B

1672-0652（2013）09-0004-03

2013-06-03

徐國(guó)強(qiáng)（1972—），男，山西太原人，1994年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤炭生產(chǎn)管理工作（E-mail）xgq666999＠163．com