基于PLC的煤矿井下排水无线监控系统的设计与应用

2020-08-21黄倩书

机械管理开发 2020年8期

黄倩书

（同煤集团煤峪口矿，山西大同 037041）

引言

井下排水系统是煤矿安全生产的重要系统，随着煤炭需求量的增加，自动化生产方式的不断使用，排水系统也要采用自动化方式才能提升排水系统的效率[1]，同时，自动化排水系统保证了生产的安全性。在自动化的排水系统中，采用PLC技术结合无线通信的方式使系统运行并进行无线监控，这样可以保证排水系统的稳定运行。

1 煤矿井下排水无线监控系统的设计

井下排水监控系统是保证排水系统稳定运行的重要组成部分，要具有良好的自动控制特性，同时可以满足手动操作的需求。对于设计的井下排水无线监控系统，采用西门子S7-300可编程控制器为核心，采用相应的硬件进行连接及软件控制，采用ZigBee无线网络技术实现无线通信[2]，形成包括井下、地面和远程监控系统在内的整个监控系统，称之为三级监控系统，系统的整体结构如图1所示。

图1 无线监控系统整体架构

通过选取相应的传感器，分布在井下的相应位置，对系统的参数进行实时监控，将获得的数据传输给PLC，进行实时的控制，并且将数据传输至地面监控系统，实现排水系统的自动化运行。

井下监控系统对井下的水位进行监控，硬件采用各种传感器，包括温度、压力等传感器，将相应的传感器布置在水仓中，检测相应的水位信号，将信号传输至S7-300 PLC中，实现对水位的实时采样及监控[3]。依据接收到的水位信号，控制器依据设定值进行水位的控制，同时，实现对水泵等组件的保护。

地面监控系统中的ZigBee无线传输模块，将系统监测的数据向地面监控系统传输，在地面监控系统中的计算机进行相关参数的显示及数据的处理，然后将系统指令通过ZigBee传输至井下。

远程监控系统采用服务器与客户端之间的数据传输，进行远程的监控或者人为的控制，可以在自动化监控的基础上，增加远程的存储监控，或者实现自动对系统进行调整。

2 煤矿井下排水无线监控系统的硬件架构

在系统的硬件组成中，包含实现监控的各种传感器，对于传感器的选择，要进行温度、流量、压力、真空度等参数的检测，传感器检测的精度对于系统的控制具有重要的影响，对于传感器的精度，需综合考虑系统的控制及成本进行选择。

液位传感器主要用于对水仓的水位进行检测，由于井下的环境恶劣，并且井下积水存在着较大的酸碱度，对于液位传感器必须具有较高的精度，并且能够适应恶劣的环境，保证监测的准确性。采用CY-DB31一体式的水位设备进行检测，为了保证系统的准确，采用两个液位传感器进行检测，两个传感器同时进行数据的检测及传输，保证结果的准确性，这种方式可以提高系统的安全性及可靠性。

流量传感器主要用于对排水过程中管道内的流量进行检测。进行流量的检测，首先可以判断水泵的运行状态，流量变化时，结合水泵的运行参数，可以判断水泵的状态，保证水泵的安全运行；同时，流量发生变化，依据检测到的数据调整系统的运行参数，可以提高系统的运行效率。系统中选择采用的流量传感器型号为LED-99DE，如图2所示，可直接安装于管道上，便于系统的安装使用。

图2 流量传感器

依据系统的设计及运行参数，井下设备的主要配置见表1。

表1 系统的硬件配置表

系统采用西门子S7-300 PLC作为控制中心，实现对井下排水系统的监控，系统的硬件系统架构如图3所示。对于系统I/O点数的统计，输入信号主要包括数字量输入和模拟量输入[4]，数字量输入信号包括水泵电机开关、水泵控制阀开关、射流管路阀开关、排水管路阀开关及急停复位信号等，模拟量输入信号包括水仓水位、水泵入水口真空度、排水管流量、水泵出水口压力、水泵轴温、电机轴温、电动阀开度指示等；输出量信号主要是数字量输出信号，包括水泵电机开关、射流管路电动阀开关、排水管路电动阀开关、故障指示等。选定的系统模块，I/O点数充足，具有一定的余量，可以作为后续系统的改进或补充使用。

3 煤矿井下排水无线监控系统的软件设计

井下排水无线监控系统的编程采用西门子编程软件Step7，系统中界面的显示采用Wincc进行组态设计，Wincc与Step7之间可以进行通讯，从而实现将井下采集到的数据显示到上位机的显示界面上，同时可以传输到监控系统中，进行远程监控。Wincc具有良好的兼容性，工作人员可以远程进行参数设置，提高系统的运行状态，更好地实现系统的功能[5]。

煤矿井下工作环境恶劣，在进行通信时，必须充分考虑环境的影响，保证系统传输的稳定性。对于常用的无线传输技术，ZigBee无线通信技术具有较长的使用时间，并且通信模块较小，可以较方便地安装在井下的环境中，并且容易做好防护，在使用电池的情况下，可以满足较长时间的使用。因此，系统采用ZigBee进行无线通信，虽然传输速率具有一定的影响，但仍能够满足系统的使用。