礦區(qū)泵房遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 甘國(guó)紅 冉景堃 張流凱 王新環(huán)

露天煤礦水泵機(jī)組距離較遠(yuǎn)，布線成本極高，因此通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)對(duì)水泵實(shí)施遠(yuǎn)距離控制可以有效節(jié)約系統(tǒng)施工成本，降低系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用，提高安裝效率。本文采用智能網(wǎng)關(guān)及云平臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)泵房無(wú)人值守控制，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備自動(dòng)化水平。

露天開(kāi)采礦泵房承擔(dān)著排出采區(qū)涌水的重要任務(wù)，是保證礦山企業(yè)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。排水系統(tǒng)各種設(shè)備能否安全、可靠、有效的運(yùn)行，關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)與安全。現(xiàn)階段我國(guó)礦區(qū)大多數(shù)排水主要采用現(xiàn)場(chǎng)值班人員人工開(kāi)停水泵的模式，不能做到遠(yuǎn)程自動(dòng)開(kāi)停水泵，存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

張紅娟和莫州寒等利用PLC實(shí)現(xiàn)露天礦泵房無(wú)人值守系統(tǒng)設(shè)計(jì)，王文斌等利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)展泵房遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，周宇等利用NB-IoT通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)泵房遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了有效解決礦區(qū)水泵存在的安全問(wèn)題，提升企業(yè)的自動(dòng)化水平，本文針對(duì)礦實(shí)際運(yùn)行情況，采用PLC及無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控，提升排水設(shè)施的自動(dòng)化水平，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

某礦坑下排水設(shè)施有三個(gè)泵站，共計(jì)10臺(tái)水泵。現(xiàn)場(chǎng)采用手動(dòng)控制，由于設(shè)備距離控制室較遠(yuǎn)，運(yùn)行維護(hù)不方便。針對(duì)該礦實(shí)際況，采用PLC及GPRS無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、PLC自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程集中監(jiān)控功能，具備水泵運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警管理、歷史報(bào)表、歷史趨勢(shì)等，提升坑下排水設(shè)施運(yùn)行的自動(dòng)化水平，保障煤礦的安全生產(chǎn)。系統(tǒng)共由PLC、智能網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)、遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GPRS和PLC的水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）PLC選用西門子S7-1200 PLC作為中央控制單元，采集電機(jī)電壓、電流、水位、出水口壓力等信息，經(jīng)過(guò)內(nèi)置控制算法，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的控制，并通過(guò)以太網(wǎng)與智能網(wǎng)關(guān)通信，將數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，并接受遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

（2）無(wú)線通信模塊與云平臺(tái)采用創(chuàng)恒科技的P432智能網(wǎng)關(guān)及創(chuàng)恒云，該款無(wú)線通信模塊搭載32位高速處理器和Linux操作系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)模塊，配備WAN口，結(jié)合VPN服務(wù)及串口透?jìng)鞣?wù)為PLC提供遠(yuǎn)程上下載程序，遠(yuǎn)程連接功能。

（3）上位機(jī)由一臺(tái)工控機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水泵現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、PLC自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程集中監(jiān)控功能，并具備短信報(bào)警、手機(jī)APP監(jiān)控、運(yùn)行參數(shù)記錄、報(bào)表統(tǒng)計(jì)管理等功能，實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行的自動(dòng)化。

2 PLC地址分配及硬件組態(tài)

PLC主要完成現(xiàn)場(chǎng)水泵電機(jī)的控制及信息監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用工業(yè)以太網(wǎng)與無(wú)線通信模塊進(jìn)行信息傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。每個(gè)泵站設(shè)置一個(gè)PLC控制箱，PLC選擇西門子CPU 1214C AC/DC/Rly，模擬量模塊選擇AI 4×13 Bit和AI 8×13 Bit，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，分配I/O接口地址如表1所示。

表1 PLC地址分配

設(shè)備硬件組態(tài)如圖2所示。在硬件組態(tài)窗口中設(shè)置PLC的IP地址，選擇“允許來(lái)自遠(yuǎn)程對(duì)象的PUT/GET通訊訪問(wèn)”，配置模擬量模塊的屬性，傳感器采用兩線制4-20mA信號(hào)。

圖2 PLC硬件組態(tài)圖

3 云平臺(tái)配置

通過(guò)登錄云平臺(tái)網(wǎng)址，輸入序列號(hào)和激活碼，對(duì)智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)備綁定，步驟如下：

（1）輸入序列號(hào)和激活碼，綁定網(wǎng)關(guān)。

（2）選擇“西門子→1200以太網(wǎng)”協(xié)議，輸入設(shè)備IP，添加通道。

（3）在設(shè)備管理頁(yè)面添加設(shè)備，輸入設(shè)備名稱選擇所屬通道。在數(shù)據(jù)監(jiān)控頁(yè)面定義監(jiān)控的數(shù)據(jù)變量及地址，完成PLC的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 結(jié)論

利用PLC和智能網(wǎng)關(guān)通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)露天開(kāi)采礦山水泵遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，有效節(jié)約成本，降低維護(hù)費(fèi)用，提升自動(dòng)化水平，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

本文受河南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201910460017）資助。