井下供水管网自动调节与监控系统研制与应用

刘 坚， 刘 虹

（1.山东能源淄博矿业集团公司许厂煤矿机电科 山东 济宁 272073；2.山东科技大学 信息与电气工程学院，山东 青岛 266590）

对于从事煤炭生产的煤矿，井下的消防洒水、灭尘喷雾、冷却降温等方面需要消耗大量的用水。根据许厂煤矿井下供水系统的现状，现在供水系统的水源一方面来自地面，经过井筒与井下供水管网相联，另一方面来自钻孔，直接与井下供水管网相联。这样因水的静压原因以及各处用水量的多少，会使得上山开拓以及用水量大的采区的水压低于主水平大巷，下山开拓以及用水量少的采区的水压高于主水平大巷。其结果是有的地方供水不足，有的地方水压过高造成爆管或损坏设备，影响矿井的安全正常生产。因此设计一套能够自动调节管网水压，实时监视管网压力大小和设备的运行状态，发现微小故障，实现事故的早前预报的系统显得极为迫切[1]。

笔者根据这一实际情况选用西门子S7-200系列可编程控制器实现了更加稳定、精确的自动控制系统[2]。S7-200PLC是西门子公司的微型PLC，具有性能价格比高、编程简单、通信接口丰富等优点，完全能够胜任此工程应用。选用MCGS工控组态软件实现了更加高效、快捷的监控系统。MCGS是全中文组态，具有动画组态功能完善、实时性强、功能齐全和简单易学等优点。同时利用工业以太网和现场通信技术，实现了井下供水管网的远程以及现场实时监控和调节[3]。

1 系统架构设计

基于S7-200PLC和MCGS的供水调节与监控系统分为现场控制层和远程上位机监控层2层，都具有自动调节和手动调节功能，可以经过切换按钮进行选择。

远程监控层作为人机对话界面，通过MCGS组态软件将PLC采集到的实时数据传送到井上监控室，实时的显示井下管网各处的水压，电动闸阀的开度，自动生成数据报表、实时和历史曲线，供工作人员查看井下工作状态，分析数据以及调节水压[4]。现场控制层分为3个控制分站，各个分站都选用西门子公司的S7-226CPU作为核心控制器。PLC通过自身的通信端口实现PLC与触摸屏和单片机通信，使得供水管网上的水压实现现场显示。同时通过扩展以太网通信模块，利用井下以太环网将A/D采集模块采集到的信号传送到监控室。现场控制层以PLC、电动阀以及压力传感器构成一个闭环负反馈控制系统，系统见图1所示。

图1 系统组成方框图Fig.1 Block diagram of system components

2 现场控制层设计

现场控制层是对系统整体进行操作的部分，也是系统的核心。一般来说，可分为两个方面：硬件组成和软件组成。

2.1 硬件设计

目前，对于可编程控制器，国内市场应用较多的产品有：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、德国西门子公司的S7系列和美国ABB公司的07系列等。其中西门子公司的S7系列是传统意义上的PLC产品。S7-200是针对低性能要求的小型PLC，它既能独立运行，也可连成网络，实现集散自动化系统的复杂控制功能，应用领域覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。S7-200PLC具有以下几个主要特点：可靠性高、指令集丰富、易于掌握、操作便捷、丰富的内置集成功能、实时特性、通信能力强、扩展模块多等[5]。正是由于以上优点，西门子S7-200PLC成为最适合本系统的可编程控制器。

设计井下供水管网恒压供水，其主控制器选用西门子公司的S7-226CPU，同时扩展一个模拟量采集模块EM 231和以太网通信模块CP 243-1；供水管网上的压力检测采用常州三恒科技公司的带有数字显示的压力变送器和上海煤科实业有限公司的压力变送器；水压调节采用常州兰凌公司的电动闸阀。现场显示屏采用威仑通触摸屏和由AT89C51单片机控制的液晶显示器。

2.2 软件设计

现场控制层软件设计主要包括以PLC为核心的水压自动调节程序以及PLC分别与触摸屏和与单片机通信程序两个主要部分。

阀门的控制分为手动控制和自动控制两种方式，用户可根据实际操作的需要选择相应的工作方式。手动方式下，分别有启动正转和反转两个按钮，用户可以让阀门正转、反转并停止在任意位置，一般用于粗调阀门位置。其中各个开关量控制、定时、计数、连锁等常规控制用顺序控制方式编程[6]；自动方式下，由于被控对象---压力信号是一个纯滞后对象，如果采用常规的PID规律进行连续控制，由于在纯滞后时间内控制器的校正效果得不到反馈信息，以至于得到反映时，往往已经输入或输出了过多的能量，也就是说调过头了，导致系统品质的严重下降，而且这种品质的恶化随着积分作用的加强越发显著，不仅浪费资源，也对环境有一定的破坏作用[7]。解决这一问题的办法是模仿人工操作的经验，操作一下马上停下来，观察被控对象的响应，根据响应的情况再决定下一步如何操作，在生产实践中证明这种采样控制方式取得了良好的控制效果。系统自动控制方框图如图2所示。

图2 系统控制方框图Fig.2 Block diagram of system control

在工程的实际控制中发现如果直接使用A/D转换结果调试程序，会导致模拟量的输入值变化太大，对于程序控制极为不利。针对这种情况，从软件方面改进，进一步调整模拟量输入的稳定状况。方法是采用惯性滤波的方法对A/D采样的结果进行处理，然后控制阀门运行。具体是先采样20次取平均值然后再采用惯性滤波的方法，即将此平均值乘以15后与上次惯性滤波后的A/D转换结果求和，再用此和除以16得到此次惯性滤波值。实际应用表明采用取惯性滤波的方式后，模拟量信号会变得稳定，便于控制。为了便于技术人员进行数据分析，需要将采集到的6400-32000的惯性滤波值转换成实际的工程值，根据转换过程中输入变量和输出变量呈现线性关系，故采用以下公式：

其中：Ov为换算结果；Iv为换算对象；Osh为换算结果的高限；Osl为换算结果的低限；Ish为换算对象的高限；Isl为换算对象的低限[8]。

本系统软件设计的另一个重要组成部分是PLC分别与单片机、触摸屏以及MCGS的通信。S7-200PLC是一种小型整体结构形式的PLC，其内部集成的PPI接口的物理特性为RS-485，根据不同的协议通过此接口与不同的设备进行通信或者组成网络。由于PLC和触摸屏采用它们都支持的RS485通信方式；PLC与MCGS的通信通过以太网扩展模块CP 243-1实现，CP 243-1是一种通信处理器，它可以将S7-200系列连接到工业以太网 （IE）中，CP 243-1还可以用于实现S7-200低端性能产品的以太网通信，数据流可达到10/100 Mbit/s，满足系统要求。S7-200PLC通过以太网向导配置通信方式，MCGS也具有支持以太网通信的控件，通过调用相应的控件和相应的设置便可以实现通信。下面重点介绍PLC和单片机的通信：通信与网络技术的内容十分丰富，支持多种通信协议，PLC配有发送（XMT）和接收（RCV）指令，用于发送及接收中断，以及用于通信设置的特殊标志位，极大的方便了其与智能设备的通信。根据单片机编程方便的特点采用自由口通信协议实现PLC和单片机通信。在PLC的自由口通信方式下，通信协议可以自行设计，极大的方便了工程的实际应用。并且，在自由口通信方式下，通信口的协议由外设决定，PLC通过程序来适应外设。自由口通信方式是对PPI方式的一个补充，该方式使得S7-200系列PLC可以与任何具有通信能力的、并且协议公开的设备进行通信。其中PLC自由口通信的初始化程序如下所示：

以单片机作为主机，PLC作为从机，通信协议根据需要自行设计，单片机发送相应的控制命令，PLC接收命令后发送相应的数据供单片机显示[9]。

3 远程监控层实现

远程监控层实时地将现场设备的具体运行情况生动形象地呈现出来，为工作人员提供第一手的资料，方便查看。计算机控制已经成为现代工业控制中不可或缺的一部分，计算机控制系统的设计与实施是一个系统构建的关键。计算机在整个控制系统中不仅要与PLC组建以太网，还要显示数据，控制设备，构建数据库，开放远程访问端口[10]。监控层的计算机主要安装了512点的MCGS组态软件，通过组态软件的组态，使计算机与PLC通讯，采集数据，以友好简洁的画面方式显示整个工艺流程，以及生产过程中的压力、开度、阀门电机的开启状态等，并可以对阀门电机进行手动和自动的启停控制。同时提供实时/历史曲线、实时/历史报警记录；提供报表的打印功能，任意画面的打印等功能；允许操作员快速查阅现场工况，查询报警记录，查询实时/历史记录，查询报表，解除警报；还可以根据实际工况更改系统工作参数和报警参数以使系统更加符合生产需求。监控系统主画面如图3所示。

图3 MCGS监控系统主画面Fig.3 Main screen of MCGS monitoring system

4 结束语

本文设计了一套井下供水管网自动调节和监控系统[11]，给出了具体的硬件和软件设计方法。该系统以S7-200PLC为控制核心，利用MCGS工控组态软件强大的数据处理和图形表现能力，采用各种通信手段实现，该系统于2010年1月在淄博矿业集团公司许厂煤矿井下现场投入使用，运行稳定，控制效果良好，提高了井下供水系统的自动化监控水平，做到了既不浪费水资源，又不影响正常生产，可谓一举多得。

[1]李广军，崔继仁，党建亮.基于模糊免疫PID控制的恒压供水系统研究[J].煤炭技术，2011，30（7）：33-35

LI Guang-jun，CUI Ji-ren，DANG Jian-liang.Research on water supply system base on a fuzzy immune PID controller[J].Coal Technology，2011，30（7）：33-35.

[2]马苏湖，陈燎原，何先照.基于单片机的新型井下防爆供水系统设计[J].矿山机械，2010，38（19）：27-29

MA Su-hu，CHEN Liao-yuan，HE Xian-zhao.Design of new underground explosion-pro of water supply system based on MCU[J].Mining&Processing Equipment，2010，38（19）：27-29.

[3]卢鉴章.煤矿供水施救系统 [J].煤炭科学技术，2010，38（12）：7-8.

LU Jian-zhang.Mine water supply and rescue system[J].Coal Science and Technology，2010，38（12）：7-8.

[4]程永明，方源敏，张蓓蓓.水力计算模型在矿山供水系统中的研究与应用[J].测绘科学，2011，36（4）：246-248.

CHENG Yong-ming，FANG Yuan-min，ZHANG Bei-bei.Study and application of hydraulic calculation model in mine water supply system[J].Science of Surveying and Mapping，2011，36（4）：246-248.

[5]刘少敏，于宗宝.煤矿井下供水管网优化设计[J].煤炭学报，2008，33（10）：1192-1195.

LIU Shao-min，YU Zong-bao.Optimization of the mine underground water supply pipeline networks[J].Journal of China Coal Society，2008，33（10）：1192-1195.

[6]侯晓东，蒋仲安.基于改进遗传算法的矿井防尘供水管网优化[J].金属矿山，2009，（3）：166-168.

HOU Xiao-dong，JIANG Zhong-an.Optinal design of mine water supply network for dust-proofing based on improved genetic algorithm[J].Metal Mine，2009，（3）：166-168.

[7]刘杨.恒压变频自动供水系统 [J].煤矿安全，2011，42（7）：118-121.

LIU Yang.Automatic constant pressure frequency conversion water supply system[J].Safety in Coal Mine，2011，42（7）：118-121.

[8]王梅，马小平，金立.基于S7-200的恒压供水控制系统设计[J].工矿自动化，2010，（7）：129-131.

WANG Mei，MA Xiao-ping，JIN Li.Design ofconstant pressure water supply control system based on S7-200[J].Industry and Mine Automation，2010，（7）：129-131.

[9]刘平.变频调速节能技术在煤矿供水系统改造中的应用[J].煤炭科学技术，2007，35（12）：62-64.

LIU Ping.Application of frequency converted speed control technology to reconstruction of coal mine water supply system[J].Coal Science and Technology，2007，35（12）：62-64.

[10]蒋晶，郝继飞，余平.基于PLC的煤矿地面供水系统的改进[J].煤矿机械，2011，32（7）：173-175.

JIANG Jing，HAO Ji-fei，YU Ping.Improvement of coal ground water supply system based on PLC[J].Coal Mine Machine，2011，32（7）：173-175.

[11]李正兵，蒋兴加，王小丽.高精度新型调制变送器设计与应用[J].火箭推进，2011（5）：69-73.

LI Zheng-bing，JIANG Xing-jia，WANG Xiao-li.Design and application of new type high-accuracy modulation transmitter[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（5）：69-73.

[12]陈维宇，程亚威，李小明，等.高压小流量稳流型调节器特性研究[J].火箭推进，2011（4）：40-44.

CHEN Wei-yu，CHENG Ya-wei，LI Xiao-ming，et al.Characteristics of low-output flow-stabilized regulator under high working pressure[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（4）：40-44.