井下供水管網自動調節與監控系統研制與應用

劉 堅， 劉 虹

（1.山東能源淄博礦業集團公司許廠煤礦機電科 山東 濟寧 272073；2.山東科技大學 信息與電氣工程學院，山東 青島 266590）

對于從事煤炭生產的煤礦，井下的消防灑水、滅塵噴霧、冷卻降溫等方面需要消耗大量的用水。根據許廠煤礦井下供水系統的現狀，現在供水系統的水源一方面來自地面，經過井筒與井下供水管網相聯，另一方面來自鉆孔，直接與井下供水管網相聯。這樣因水的靜壓原因以及各處用水量的多少，會使得上山開拓以及用水量大的采區的水壓低于主水平大巷，下山開拓以及用水量少的采區的水壓高于主水平大巷。其結果是有的地方供水不足，有的地方水壓過高造成爆管或損壞設備，影響礦井的安全正常生產。因此設計一套能夠自動調節管網水壓，實時監視管網壓力大小和設備的運行狀態，發現微小故障，實現事故的早前預報的系統顯得極為迫切[1]。

筆者根據這一實際情況選用西門子S7-200系列可編程控制器實現了更加穩定、精確的自動控制系統[2]。S7-200PLC是西門子公司的微型PLC，具有性能價格比高、編程簡單、通信接口豐富等優點，完全能夠勝任此工程應用。選用MCGS工控組態軟件實現了更加高效、快捷的監控系統。MCGS是全中文組態，具有動畫組態功能完善、實時性強、功能齊全和簡單易學等優點。同時利用工業以太網和現場通信技術，實現了井下供水管網的遠程以及現場實時監控和調節[3]。

1 系統架構設計

基于S7-200PLC和MCGS的供水調節與監控系統分為現場控制層和遠程上位機監控層2層，都具有自動調節和手動調節功能，可以經過切換按鈕進行選擇。

遠程監控層作為人機對話界面，通過MCGS組態軟件將PLC采集到的實時數據傳送到井上監控室，實時的顯示井下管網各處的水壓，電動閘閥的開度，自動生成數據報表、實時和歷史曲線，供工作人員查看井下工作狀態，分析數據以及調節水壓[4]。現場控制層分為3個控制分站，各個分站都選用西門子公司的S7-226CPU作為核心控制器。PLC通過自身的通信端口實現PLC與觸摸屏和單片機通信，使得供水管網上的水壓實現現場顯示。同時通過擴展以太網通信模塊，利用井下以太環網將A/D采集模塊采集到的信號傳送到監控室。現場控制層以PLC、電動閥以及壓力傳感器構成一個閉環負反饋控制系統，系統見圖1所示。

圖1 系統組成方框圖Fig.1 Block diagram of system components

2 現場控制層設計

現場控制層是對系統整體進行操作的部分，也是系統的核心。一般來說，可分為兩個方面：硬件組成和軟件組成。

2.1 硬件設計

目前，對于可編程控制器，國內市場應用較多的產品有：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、德國西門子公司的S7系列和美國ABB公司的07系列等。其中西門子公司的S7系列是傳統意義上的PLC產品。S7-200是針對低性能要求的小型PLC，它既能獨立運行，也可連成網絡，實現集散自動化系統的復雜控制功能，應用領域覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域。S7-200PLC具有以下幾個主要特點：可靠性高、指令集豐富、易于掌握、操作便捷、豐富的內置集成功能、實時特性、通信能力強、擴展模塊多等[5]。正是由于以上優點，西門子S7-200PLC成為最適合本系統的可編程控制器。

設計井下供水管網恒壓供水，其主控制器選用西門子公司的S7-226CPU，同時擴展一個模擬量采集模塊EM 231和以太網通信模塊CP 243-1；供水管網上的壓力檢測采用常州三恒科技公司的帶有數字顯示的壓力變送器和上海煤科實業有限公司的壓力變送器；水壓調節采用常州蘭凌公司的電動閘閥。現場顯示屏采用威侖通觸摸屏和由AT89C51單片機控制的液晶顯示器。

2.2 軟件設計

現場控制層軟件設計主要包括以PLC為核心的水壓自動調節程序以及PLC分別與觸摸屏和與單片機通信程序兩個主要部分。

閥門的控制分為手動控制和自動控制兩種方式，用戶可根據實際操作的需要選擇相應的工作方式。手動方式下，分別有啟動正轉和反轉兩個按鈕，用戶可以讓閥門正轉、反轉并停止在任意位置，一般用于粗調閥門位置。其中各個開關量控制、定時、計數、連鎖等常規控制用順序控制方式編程[6]；自動方式下，由于被控對象---壓力信號是一個純滯后對象，如果采用常規的PID規律進行連續控制，由于在純滯后時間內控制器的校正效果得不到反饋信息，以至于得到反映時，往往已經輸入或輸出了過多的能量，也就是說調過頭了，導致系統品質的嚴重下降，而且這種品質的惡化隨著積分作用的加強越發顯著，不僅浪費資源，也對環境有一定的破壞作用[7]。解決這一問題的辦法是模仿人工操作的經驗，操作一下馬上停下來，觀察被控對象的響應，根據響應的情況再決定下一步如何操作，在生產實踐中證明這種采樣控制方式取得了良好的控制效果。系統自動控制方框圖如圖2所示。

圖2 系統控制方框圖Fig.2 Block diagram of system control

在工程的實際控制中發現如果直接使用A/D轉換結果調試程序，會導致模擬量的輸入值變化太大，對于程序控制極為不利。針對這種情況，從軟件方面改進，進一步調整模擬量輸入的穩定狀況。方法是采用慣性濾波的方法對A/D采樣的結果進行處理，然后控制閥門運行。具體是先采樣20次取平均值然后再采用慣性濾波的方法，即將此平均值乘以15后與上次慣性濾波后的A/D轉換結果求和，再用此和除以16得到此次慣性濾波值。實際應用表明采用取慣性濾波的方式后，模擬量信號會變得穩定，便于控制。為了便于技術人員進行數據分析，需要將采集到的6400-32000的慣性濾波值轉換成實際的工程值，根據轉換過程中輸入變量和輸出變量呈現線性關系，故采用以下公式：

其中：Ov為換算結果；Iv為換算對象；Osh為換算結果的高限；Osl為換算結果的低限；Ish為換算對象的高限；Isl為換算對象的低限[8]。

本系統軟件設計的另一個重要組成部分是PLC分別與單片機、觸摸屏以及MCGS的通信。S7-200PLC是一種小型整體結構形式的PLC，其內部集成的PPI接口的物理特性為RS-485，根據不同的協議通過此接口與不同的設備進行通信或者組成網絡。由于PLC和觸摸屏采用它們都支持的RS485通信方式；PLC與MCGS的通信通過以太網擴展模塊CP 243-1實現，CP 243-1是一種通信處理器，它可以將S7-200系列連接到工業以太網 （IE）中，CP 243-1還可以用于實現S7-200低端性能產品的以太網通信，數據流可達到10/100 Mbit/s，滿足系統要求。S7-200PLC通過以太網向導配置通信方式，MCGS也具有支持以太網通信的控件，通過調用相應的控件和相應的設置便可以實現通信。下面重點介紹PLC和單片機的通信：通信與網絡技術的內容十分豐富，支持多種通信協議，PLC配有發送（XMT）和接收（RCV）指令，用于發送及接收中斷，以及用于通信設置的特殊標志位，極大的方便了其與智能設備的通信。根據單片機編程方便的特點采用自由口通信協議實現PLC和單片機通信。在PLC的自由口通信方式下，通信協議可以自行設計，極大的方便了工程的實際應用。并且，在自由口通信方式下，通信口的協議由外設決定，PLC通過程序來適應外設。自由口通信方式是對PPI方式的一個補充，該方式使得S7-200系列PLC可以與任何具有通信能力的、并且協議公開的設備進行通信。其中PLC自由口通信的初始化程序如下所示：

以單片機作為主機，PLC作為從機，通信協議根據需要自行設計，單片機發送相應的控制命令，PLC接收命令后發送相應的數據供單片機顯示[9]。

3 遠程監控層實現

遠程監控層實時地將現場設備的具體運行情況生動形象地呈現出來，為工作人員提供第一手的資料，方便查看。計算機控制已經成為現代工業控制中不可或缺的一部分，計算機控制系統的設計與實施是一個系統構建的關鍵。計算機在整個控制系統中不僅要與PLC組建以太網，還要顯示數據，控制設備，構建數據庫，開放遠程訪問端口[10]。監控層的計算機主要安裝了512點的MCGS組態軟件，通過組態軟件的組態，使計算機與PLC通訊，采集數據，以友好簡潔的畫面方式顯示整個工藝流程，以及生產過程中的壓力、開度、閥門電機的開啟狀態等，并可以對閥門電機進行手動和自動的啟停控制。同時提供實時/歷史曲線、實時/歷史報警記錄；提供報表的打印功能，任意畫面的打印等功能；允許操作員快速查閱現場工況，查詢報警記錄，查詢實時/歷史記錄，查詢報表，解除警報；還可以根據實際工況更改系統工作參數和報警參數以使系統更加符合生產需求。監控系統主畫面如圖3所示。

圖3 MCGS監控系統主畫面Fig.3 Main screen of MCGS monitoring system

4 結束語

本文設計了一套井下供水管網自動調節和監控系統[11]，給出了具體的硬件和軟件設計方法。該系統以S7-200PLC為控制核心，利用MCGS工控組態軟件強大的數據處理和圖形表現能力，采用各種通信手段實現，該系統于2010年1月在淄博礦業集團公司許廠煤礦井下現場投入使用，運行穩定，控制效果良好，提高了井下供水系統的自動化監控水平，做到了既不浪費水資源，又不影響正常生產，可謂一舉多得。

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