煤矿智能分布式电镀监控控制系统

杜 震，刘 尧，李 伟，岳建忠，王 福

(府谷能源投资集团沙沟岔矿业有限公司，陕西 榆林 719315)

0 引言

随着煤矿开采深度的增加，井下高温潮湿的环境极易导致机械设备的锈蚀，进而影响设备的正常运转，危害井下安全生产[1-3]。传统电镀控制器由于点数的限制，无法实现对更复杂系统的控制，而使用网络技术和PLC技术可以很好地解决此类问题。

目前，由于传统电镀控制系统难以实现井下大规模机电设备的防锈蚀处理，从国外引进工业自动化仪表行业技术，并且通过合作组装和生产的分布式控制系统，也逐步向本地化发展[4-6]。分布式控制系统扩展其功能，使用局域网技术在多台计算机之间进行分配计算机的处理功能，容易维修和维护，性价比较低，并配置有实用软件。全面的控制算法使用户可以轻松实现复杂的控制应用程序，从而不再需要对每个应用程序系统进行编程。开放式网络功能可以轻松地有机连接到管理网络的每一层，并形成一个综合的集成网络系统进行管理和控制[7-9]。电镀工件质量的好坏会受到电解质配方和工作温度的影响，也受到电解质浓度、密度和电镀时间的制约[10-12]。为了应对井下大规模机械设备的电镀需求，确保电镀质量，就需要调整所使用的控制技术。因此，亟需研发一整套煤矿智能分布式电镀控制系统，对井下大型设备进行电镀防腐处理。为此，分析可编程逻辑控制(PLC)技术电镀生产线控制系统的设计方法，然后设计基于PLC的煤矿智能分布式电镀控制系统，以期为煤矿大型机械设备的防锈蚀处理提供技术支持。

1 煤矿智能分布式电镀控制系统概述

煤炭行业正在向现代化生产和信息管理迈进，建立完善的无线传感器网络煤矿监控系统成为可能。矿井安全监控系统智能化、网络化，以计算机系统平台为主控中心，以图形界面的形式建立用户交互窗口。工业控制系统通常采用微软提供的MFC作为计算机平台上的开发环境，通过数据库和传感器技术采集数据，采用计算机通信协议控制信息的传输。无线传感器采用传感器技术，计算机通信采用信息传输技术，主控系统采用计算机应用技术，各种技术的结合构成了煤矿安全监控的关键技术。煤矿安全监控系统和传感器节点类似，由3个模块组成。一是中央控制系统包括主控计算机、计算机外围设备和主控应用程序；二是通信模块包括数据传输装置和连接电缆；三是传感器终端节点和设备。煤矿安全监测的工作是监测瓦斯、风量等关键环境参数指标，在超过警戒线时的基础设施状态是否在正常范围内，用中心控制系统对采集到的数据进行分析，为指导生产部门提供参考，并对不良状态进行预警，达到防患于未然的效果。安全监控系统在矿井部署有各种自动报警装置和电源开关，能够有效应对突发事件，尽可能减少和预防灾害，为安全生产保驾护航。

电镀生产过程按处理过程可分为电镀前处理、电镀工艺和电镀后处理3大部分。车间内的生产状况可分为多条生产线。根据涂层类型的不同，每条生产线的处理工艺也不同，包括清洗、回收、发光、钝化、抗变色、涂膜处理等。根据生产的具体要求结合上述相关内容，本文主要采用基于PLC的分布式监控系统的设计思想。PLC和DCS都有其明显的优缺点。如果将PLC和DCS的性能从弱到强分为1到10级，其比较结果见表1。

表1 PLC与DCS的比较Table 1 Comparison between PLC and DCS

2 系统设计

2.1 系统结构及控制要求

系统需监控水泵、提升机、局扇、主扇、带式输送机、采煤机、开关、磁力启动器等主要生产参数的运行状态及重要设备运行状态参数的波动。在计算机图形界面窗口中进行功能测量，具有测量参数的采集显示、数据报表的分析、报表的图像曲线显示、数据库生成、预警信息统计和报表生成、报表输出等功能。其中一些主机可以实现局域网连接互联网，利用TCP/IP网络协议实现局域网与中心站之间的实时数据传输和实时数据检索。数据采集自动化是将移动传感器节点收集的数据定期发送到固定传感器节点，然后通过固定节点组成的骨干网络传送到地面监控中心。控制自动化是当检测到紧急情况时，可以通过某种方式自动进行紧急处理；例如气体超标，系统会自动报警，并自动开启通风设备或关闭电源，停止生产，直至气体体积分数降至安全值。地面监控中心需要了解所有重要的安全生产数据，以便了解矿井下的安全生产情况，信息发布自动化的要求就是将井下采集的数据能够安全、可靠、及时地以简单快捷的方式传输到地面监控中心，从而可以根据这些信息做出相应的管理决策。

2.2 系统整体设计

考虑到上述要求，总体方案设计时需合理利用无线传感器节点睡眠、更新和激活3种工作状态。在睡眠状态下，无线收发器处于睡眠状态，控制器和参数内容检测器周期性地连接到电源，以检测可能的紧急情况。在状态更新中，控制器和无线收发器打开，参数内容检测器周期性地切换到电源模式。在激活模式下，无线电收发器、参数内容检测器和控制器都处于打开状态。此时，传感器一方面输出采样数据，另一方面使用无线收发器接收和发送数据。通过对煤矿井下大型机电设备的研究，传感器节点采集的信息从内部传输到设备表面，然后通过巷道口的节点传输到地面的通信和管理设备。这种结构使得这套智能监控控制在煤矿中的应用具有不同于一般应用的特点。由于矿井是一个无法到达的区域，一旦部署了传感器节点，将很难获得能量供应，所以要优先延长网络寿命。应采用多路径机制来保证数据传输的可持续性。数据实时显示模块通过表格、条形图、折线图等直观方式呈现井下传感器从数据库中采集的信息，并显示当前时刻的实时数据和最近一段时间的数据变化趋势，以便管理人员及时解决生产情况。

2.3 可靠性设计

2.3.1 电磁兼容性设计

系统在环境条件相对恶劣的工业场所工作，并直接连接到测试设备和受控对象，因此现场各种电磁干扰对系统的正常运行影响很大，甚至会引起故障，造成严重的经济损失。为了使控制器稳定工作并提高控制系统的可靠性，在设计PLC控制系统以消除各种电磁噪声时采取一些适当的抗干扰措施非常重要。电磁兼容性(EMC)和抑制电子系统干扰的能力极大地决定了系统的可靠性。电磁兼容性意味着该设备可以在其电磁环境中正常运行，并且不会对附近的其他设备造成无法承受的电磁干扰。抑制电子系统干扰的能力是指该产品对其他产品的电磁干扰的抵抗力，也称为抗干扰。构成电磁干扰的3个元素是干扰源、传输路径和接收器。干扰的来源与有害电磁信号(即干扰信号或噪声)的发送者有关。传输路径是指电磁信号的传输路径，主要有辐射和传导2种。接收器是接收电磁信号的电路。

2.3.2 接地设计

电气设备与地面之间的电连接可以理解为等电位点或等面积，即电路或系统的参考电位。除电气安全外，接地的目的是消除每个电路的电流流过公共接地阻抗时产生的噪声电压，并避免磁场和电势差的影响，从而避免接地环路。地面设计的质量会影响PLC噪声抑制的效果。通常，系统的信号环路应接地到单点，而不是多点接地，以避免接地电平差异的影响。

3 结语

煤矿智能分布式电镀监控控制系统的基本要求是可靠性强，而提高系统可靠性需多种方法并用，相互完善、相互补充。PLC作为一种工业控制微型计算机技术，其优点是编程简单，操作方便，而且还具有很高的可靠性和抗干扰性，得到广泛使用。通过对电镀行业的基本生产状况进行分析，结合传统电镀和现代电镀的发展状况，经过分析比较，最好采用PLC改造生产线，最终提高整个控制系统的可靠性。