矿山供水管网无线监控系统设计

徐国强

（华晋焦煤有限责任公司，山西 太原 030001）

·试验研究·

矿山供水管网无线监控系统设计

徐国强

（华晋焦煤有限责任公司，山西 太原 030001）

为了保障矿山供水的稳定性和可靠性，结合矿井供水管网的分布情况，研究了一套供水管网无线监控系统。该系统包括监控分站、监控总站及控制中心，采用PLC作为数据采集和处理中心，通过数传电台进行远距离数据无线传输和通信，可实现整个矿山供水管网的数据实时监测和可靠控制。

无线监控；矿井供水管网；PLC；设计

随着我国经济建设和工业技术水平飞速发展，城市生活和工业用水的需求量越来越大。随之而来的水源井数量多、供水管网节点分布范围扩大，供水系统的稳定性也需要得到保障［1］。据相关数据统计，我国供水系统管道泄漏比例大于30%。管道泄漏导致水资源浪费，同时也造成用水成本的提高［2］。目前，存在国内矿山供水系统比较落后，水源井间隔比较远且分散，管网分布范围较广，管网故障造成损失大的现状［3］。为保证供水系统的正常运行，缩短故障检修时间，尽量减少停水次数，提高工作效率，亟需对矿山供水管网搭建无线网络对其进行集中监测，实时了解供水系统每个覆盖管网的工作状况，监测压力、流量等数据，获取每个覆盖管网各个节点的采集数据，监控中心在上位机中对这些数据进行存储和分析处理，同时在触摸屏上显示。

本文采用PLC、模拟量转换模块以及压力、流量等传感器进行管道数据采集和处理，利用无线数传电台将数据传送到远程监控中心的服务器上，进行处理，可对长距离输流管道进行远程监控、泄漏检测、实时报警等。

1 系统方案设计

由于矿井供水管网是长距离流体输送管道管网，其分布复杂，检测点分布分散，与主站距离较远，使用无线通信方式进行数据传输，更易实现分散控制集中管理，与有线线缆连接相比具有结构简单、维护方便、开发成本低等优点。本系统由监测分站、监控主站和远程监控中心组成。系统方案设计示意图见图1。

图1 系统设计方案示意图

现场监测分站可实现信息采集处理、存储、就地显示、控制等功能，并根据管道两端采集的信号，对管道中所出现的泄漏及时进行声光报警。实现故障点信息及时预报，通知现场维护人员迅速进行故障点修复，保证管网正常运行。监控主站通过无线数传电台实时采集各监测分站信息，对这些信息进行分析处理和显示报警，并通过以太网光纤将分站信息远程传送到监控中心，在监控中心通过上位机组态软件，可动态显示各分站的工作状态，还可对分站进行远程控制，当管线上的某点发生泄漏时，其压力和流量信号随之产生相应的变化，中心控制站的监测软件对采集的压力和流量信号以曲线的形式进行实时显示，对泄露信息实现远程报警，综合指挥，通过数据库技术可对采集信息实现统计、查询、管理及分析，还可进行管网信息报表打印。

2 监控分站的设计

监测分站以PLC为控制核心，配有模拟量采集模块、各种传感器与显示单元等，通过PLC与现场传感器实现管道压力、流量等参数的实时采集。PLC具有可靠性高、可以扩展的模块化结构、编程简单等特点。本系统中PLC选用SIEMENS S7-200 CPU226CN AC-DC-RLY主机，通过自带的模拟量采集模块EM231将现场压力、流量等传感器采集到的4～20 mA模拟量信号变换为数字信号，送入PLC内进行处理。触摸屏显示器选用北京昆仑通泰MCGS，无线传输模块选用日精ND250 A数传电台。

供水管网具体参数监测包括各监测点的压力、瞬时流量。根据实际情况，监测点压力一般在0．8 MPa左右，用于查看对比，如有某个地方出现爆管，从压力就很容易看出在哪个地方的前后出了问题。瞬时流量主要是查看各个监测点的用水规律，以及检测点处的用水累计流量，同样的规律，如果瞬时流量很明显超出了此检测点的用水水平，那此检测点后方很可能有水管出现漏水事故。

监控分站通过数据采集和处理，计算程序判断是否发生泄露，计算泄露点位置，并通过触摸屏显示器显示采集的数据及报警信息，分站PLC通过RS485口与无线数传电台连接，以自由口通信方式将采集到的数据发送到监控主站。

3 监控主站的设计

管网监控主站系统仍以PLC为控制核心，在设计上结合实际需求，配有以太网通讯模块CP243-1，控制柜中配有12 V和24 V直流电源来分别给日精无线数传电台和S7-200PLC的以太网通讯模块供电，S7-200PLC是单相交流220 V供电，所以柜子外接单相220 V交流电源，在柜子内配有浪涌保护器和空气开关，以保证整个系统正常安全运行。主站PLC以自由口通信方式，通过无线数传电台接收来自现场分站的信息，或者向分站发出指令，并将各分站信息及报警信息通过控制触摸屏显示，同时将信息传输给监控中心上位机PC。

4 系统软件设计

系统监控分站程序设计包括数据采集和处理程序设计、通信设计、液晶显示和报警设计。数据采集和处理程序流程图见图2。

图2 分站监控程序流程图

通过数据采集、滤波、判断、显示及报警，实现分站的监控任务。数据通信采用自由口通信协议，是基于RS-485通信基础的半双工通信，PLC程序主要通过使用XMT指令、RCV指令、传送中断、接收中断以及特殊寄存器控制字的编写来完成通讯端口的操作。PLC液晶显示程序与触摸屏通过RS485相连接，通过触摸屏显示器可以清晰的观察到每路压力和流量的实时情况。液晶触摸屏界面见图3。

图3 液晶触摸屏界面示意图

系统监控中心包括数据监控设计、通信设计、数据库管理设计等。本系统远程监控中心上位机选用组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA，即数据采集与监视控制（Supervision Control and Data Acquisition），该软件能使用户方便、灵活、快捷地建立可视化的人机界面。组态软件作为I／O Server通过以太网模块CP243-1访问S7-200 PLC，其通信协议选择基于TCP／IP通信协议。PLC与组态软件的通信设置可通过在PLC编程软件STEP7-MicroWIN V4．0的以太网向导中配置CP243-1模块、配置通信驱动软件的属性。组态软件支持SQL语句，通过ODBC接口能方便地与SQL Server数据库进行连接，将相关事件记录到Microsoft SQL Server数据库中。

上位机软件结构包括安全登录系统设计、系统导航设计、分站监测设计、数据库管理设计，分站监测设计包括实时趋势曲线、实时报警显示以及各参数信息显示。数据库管理设计包括历史数据查询、历史趋势查询、报警查询等。

5 总 结

本研究所设计方案，实现了矿山供水管网无线监控。控制装置以PLC为核心器件、数传电台为无线通信媒介，借助控制器的实时能力，实现了供水管网系统的远程无线监测。本研究实时进行采集数据并进行无线传输，根据所测参数值判断管网工作情况，实现供水系统远程无线监测与故障识别。

综上所述，本系统具有如下技术优点：

1）可靠性高、效率高。2）节能效果显著。3）节省了人力，提高了供水效率。4）实现无人值班，节约管理费用。5）系统的可扩展性较好。

［1］ 薛海鸿，陈丽珺，李元红．水源井供水远程监控系统设计与应用［J］．中国仪器仪表，2009（9）：68-71．

［2］ 王占山，张化光，冯 健，等．长距离流体输送管道泄漏检测与定位技术的现状与展望［J］．化工自动化及仪表，2003，30（5）：5-10．

［3］ 庞元俊．矿井监控系统与生产信号［M］．北京：煤炭工业出版社，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

徐国强（1972—），男，山西太原人，1994年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事煤炭生产管理工作（E-mail）xgq666999＠163．com