礦山供水管網(wǎng)無線監(jiān)控系統(tǒng)設計

徐國強

（華晉焦煤有限責任公司，山西 太原 030001）

·試驗研究·

礦山供水管網(wǎng)無線監(jiān)控系統(tǒng)設計

徐國強

（華晉焦煤有限責任公司，山西 太原 030001）

為了保障礦山供水的穩(wěn)定性和可靠性，結合礦井供水管網(wǎng)的分布情況，研究了一套供水管網(wǎng)無線監(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，通過數(shù)傳電臺進行遠距離數(shù)據(jù)無線傳輸和通信，可實現(xiàn)整個礦山供水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和可靠控制。

無線監(jiān)控；礦井供水管網(wǎng)；PLC；設計

隨著我國經(jīng)濟建設和工業(yè)技術水平飛速發(fā)展，城市生活和工業(yè)用水的需求量越來越大。隨之而來的水源井數(shù)量多、供水管網(wǎng)節(jié)點分布范圍擴大，供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性也需要得到保障［1］。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國供水系統(tǒng)管道泄漏比例大于30%。管道泄漏導致水資源浪費，同時也造成用水成本的提高［2］。目前，存在國內(nèi)礦山供水系統(tǒng)比較落后，水源井間隔比較遠且分散，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)的正常運行，縮短故障檢修時間，盡量減少停水次數(shù)，提高工作效率，亟需對礦山供水管網(wǎng)搭建無線網(wǎng)絡對其進行集中監(jiān)測，實時了解供水系統(tǒng)每個覆蓋管網(wǎng)的工作狀況，監(jiān)測壓力、流量等數(shù)據(jù)，獲取每個覆蓋管網(wǎng)各個節(jié)點的采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心在上位機中對這些數(shù)據(jù)進行存儲和分析處理，同時在觸摸屏上顯示。

本文采用PLC、模擬量轉(zhuǎn)換模塊以及壓力、流量等傳感器進行管道數(shù)據(jù)采集和處理，利用無線數(shù)傳電臺將數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)控中心的服務器上，進行處理，可對長距離輸流管道進行遠程監(jiān)控、泄漏檢測、實時報警等。

1 系統(tǒng)方案設計

由于礦井供水管網(wǎng)是長距離流體輸送管道管網(wǎng)，其分布復雜，檢測點分布分散，與主站距離較遠，使用無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，更易實現(xiàn)分散控制集中管理，與有線線纜連接相比具有結構簡單、維護方便、開發(fā)成本低等優(yōu)點。本系統(tǒng)由監(jiān)測分站、監(jiān)控主站和遠程監(jiān)控中心組成。系統(tǒng)方案設計示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)設計方案示意圖

現(xiàn)場監(jiān)測分站可實現(xiàn)信息采集處理、存儲、就地顯示、控制等功能，并根據(jù)管道兩端采集的信號，對管道中所出現(xiàn)的泄漏及時進行聲光報警。實現(xiàn)故障點信息及時預報，通知現(xiàn)場維護人員迅速進行故障點修復，保證管網(wǎng)正常運行。監(jiān)控主站通過無線數(shù)傳電臺實時采集各監(jiān)測分站信息，對這些信息進行分析處理和顯示報警，并通過以太網(wǎng)光纖將分站信息遠程傳送到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心通過上位機組態(tài)軟件，可動態(tài)顯示各分站的工作狀態(tài)，還可對分站進行遠程控制，當管線上的某點發(fā)生泄漏時，其壓力和流量信號隨之產(chǎn)生相應的變化，中心控制站的監(jiān)測軟件對采集的壓力和流量信號以曲線的形式進行實時顯示，對泄露信息實現(xiàn)遠程報警，綜合指揮，通過數(shù)據(jù)庫技術可對采集信息實現(xiàn)統(tǒng)計、查詢、管理及分析，還可進行管網(wǎng)信息報表打印。

2 監(jiān)控分站的設計

監(jiān)測分站以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PLC與現(xiàn)場傳感器實現(xiàn)管道壓力、流量等參數(shù)的實時采集。PLC具有可靠性高、可以擴展的模塊化結構、編程簡單等特點。本系統(tǒng)中PLC選用SIEMENS S7-200 CPU226CN AC-DC-RLY主機，通過自帶的模擬量采集模塊EM231將現(xiàn)場壓力、流量等傳感器采集到的4～20 mA模擬量信號變換為數(shù)字信號，送入PLC內(nèi)進行處理。觸摸屏顯示器選用北京昆侖通泰MCGS，無線傳輸模塊選用日精ND250 A數(shù)傳電臺。

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

監(jiān)控分站通過數(shù)據(jù)采集和處理，計算程序判斷是否發(fā)生泄露，計算泄露點位置，并通過觸摸屏顯示器顯示采集的數(shù)據(jù)及報警信息，分站PLC通過RS485口與無線數(shù)傳電臺連接，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)控主站的設計

管網(wǎng)監(jiān)控主站系統(tǒng)仍以PLC為控制核心，在設計上結合實際需求，配有以太網(wǎng)通訊模塊CP243-1，控制柜中配有12 V和24 V直流電源來分別給日精無線數(shù)傳電臺和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)配有浪涌保護器和空氣開關，以保證整個系統(tǒng)正常安全運行。主站PLC以自由口通信方式，通過無線數(shù)傳電臺接收來自現(xiàn)場分站的信息，或者向分站發(fā)出指令，并將各分站信息及報警信息通過控制觸摸屏顯示，同時將信息傳輸給監(jiān)控中心上位機PC。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)監(jiān)控分站程序設計包括數(shù)據(jù)采集和處理程序設計、通信設計、液晶顯示和報警設計。數(shù)據(jù)采集和處理程序流程圖見圖2。

圖2 分站監(jiān)控程序流程圖

通過數(shù)據(jù)采集、濾波、判斷、顯示及報警，實現(xiàn)分站的監(jiān)控任務。數(shù)據(jù)通信采用自由口通信協(xié)議，是基于RS-485通信基礎的半雙工通信，PLC程序主要通過使用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來完成通訊端口的操作。PLC液晶顯示程序與觸摸屏通過RS485相連接，通過觸摸屏顯示器可以清晰的觀察到每路壓力和流量的實時情況。液晶觸摸屏界面見圖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)控設計、通信設計、數(shù)據(jù)庫管理設計等。本系統(tǒng)遠程監(jiān)控中心上位機選用組態(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界面。組態(tài)軟件作為I／O Server通過以太網(wǎng)模塊CP243-1訪問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)軟件的通信設置可通過在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)動軟件的屬性。組態(tài)軟件支持SQL語句，通過ODBC接口能方便地與SQL Server數(shù)據(jù)庫進行連接，將相關事件記錄到Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫中。

上位機軟件結構包括安全登錄系統(tǒng)設計、系統(tǒng)導航設計、分站監(jiān)測設計、數(shù)據(jù)庫管理設計，分站監(jiān)測設計包括實時趨勢曲線、實時報警顯示以及各參數(shù)信息顯示。數(shù)據(jù)庫管理設計包括歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史趨勢查詢、報警查詢等。

5 總 結

本研究所設計方案，實現(xiàn)了礦山供水管網(wǎng)無線監(jiān)控?？刂蒲b置以PLC為核心器件、數(shù)傳電臺為無線通信媒介，借助控制器的實時能力，實現(xiàn)了供水管網(wǎng)系統(tǒng)的遠程無線監(jiān)測。本研究實時進行采集數(shù)據(jù)并進行無線傳輸，根據(jù)所測參數(shù)值判斷管網(wǎng)工作情況，實現(xiàn)供水系統(tǒng)遠程無線監(jiān)測與故障識別。

綜上所述，本系統(tǒng)具有如下技術優(yōu)點：

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）實現(xiàn)無人值班，節(jié)約管理費用。5）系統(tǒng)的可擴展性較好。

［1］ 薛海鴻，陳麗珺，李元紅．水源井供水遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用［J］．中國儀器儀表，2009（9）：68-71．

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

［3］ 龐元?。V井監(jiān)控系統(tǒng)與生產(chǎn)信號［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

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