礦山供水管網無線監控系統設計

徐國強

（華晉焦煤有限責任公司，山西 太原 030001）

·試驗研究·

礦山供水管網無線監控系統設計

徐國強

（華晉焦煤有限責任公司，山西 太原 030001）

為了保障礦山供水的穩定性和可靠性，結合礦井供水管網的分布情況，研究了一套供水管網無線監控系統。該系統包括監控分站、監控總站及控制中心，采用PLC作為數據采集和處理中心，通過數傳電臺進行遠距離數據無線傳輸和通信，可實現整個礦山供水管網的數據實時監測和可靠控制。

無線監控；礦井供水管網；PLC；設計

隨著我國經濟建設和工業技術水平飛速發展，城市生活和工業用水的需求量越來越大。隨之而來的水源井數量多、供水管網節點分布范圍擴大，供水系統的穩定性也需要得到保障［1］。據相關數據統計，我國供水系統管道泄漏比例大于30%。管道泄漏導致水資源浪費，同時也造成用水成本的提高［2］。目前，存在國內礦山供水系統比較落后，水源井間隔比較遠且分散，管網分布范圍較廣，管網故障造成損失大的現狀［3］。為保證供水系統的正常運行，縮短故障檢修時間，盡量減少停水次數，提高工作效率，亟需對礦山供水管網搭建無線網絡對其進行集中監測，實時了解供水系統每個覆蓋管網的工作狀況，監測壓力、流量等數據，獲取每個覆蓋管網各個節點的采集數據，監控中心在上位機中對這些數據進行存儲和分析處理，同時在觸摸屏上顯示。

本文采用PLC、模擬量轉換模塊以及壓力、流量等傳感器進行管道數據采集和處理，利用無線數傳電臺將數據傳送到遠程監控中心的服務器上，進行處理，可對長距離輸流管道進行遠程監控、泄漏檢測、實時報警等。

1 系統方案設計

由于礦井供水管網是長距離流體輸送管道管網，其分布復雜，檢測點分布分散，與主站距離較遠，使用無線通信方式進行數據傳輸，更易實現分散控制集中管理，與有線線纜連接相比具有結構簡單、維護方便、開發成本低等優點。本系統由監測分站、監控主站和遠程監控中心組成。系統方案設計示意圖見圖1。

圖1 系統設計方案示意圖

現場監測分站可實現信息采集處理、存儲、就地顯示、控制等功能，并根據管道兩端采集的信號，對管道中所出現的泄漏及時進行聲光報警。實現故障點信息及時預報，通知現場維護人員迅速進行故障點修復，保證管網正常運行。監控主站通過無線數傳電臺實時采集各監測分站信息，對這些信息進行分析處理和顯示報警，并通過以太網光纖將分站信息遠程傳送到監控中心，在監控中心通過上位機組態軟件，可動態顯示各分站的工作狀態，還可對分站進行遠程控制，當管線上的某點發生泄漏時，其壓力和流量信號隨之產生相應的變化，中心控制站的監測軟件對采集的壓力和流量信號以曲線的形式進行實時顯示，對泄露信息實現遠程報警，綜合指揮，通過數據庫技術可對采集信息實現統計、查詢、管理及分析，還可進行管網信息報表打印。

2 監控分站的設計

監測分站以PLC為控制核心，配有模擬量采集模塊、各種傳感器與顯示單元等，通過PLC與現場傳感器實現管道壓力、流量等參數的實時采集。PLC具有可靠性高、可以擴展的模塊化結構、編程簡單等特點。本系統中PLC選用SIEMENS S7-200 CPU226CN AC-DC-RLY主機，通過自帶的模擬量采集模塊EM231將現場壓力、流量等傳感器采集到的4～20 mA模擬量信號變換為數字信號，送入PLC內進行處理。觸摸屏顯示器選用北京昆侖通泰MCGS，無線傳輸模塊選用日精ND250 A數傳電臺。

供水管網具體參數監測包括各監測點的壓力、瞬時流量。根據實際情況，監測點壓力一般在0．8 MPa左右，用于查看對比，如有某個地方出現爆管，從壓力就很容易看出在哪個地方的前后出了問題。瞬時流量主要是查看各個監測點的用水規律，以及檢測點處的用水累計流量，同樣的規律，如果瞬時流量很明顯超出了此檢測點的用水水平，那此檢測點后方很可能有水管出現漏水事故。

監控分站通過數據采集和處理，計算程序判斷是否發生泄露，計算泄露點位置，并通過觸摸屏顯示器顯示采集的數據及報警信息，分站PLC通過RS485口與無線數傳電臺連接，以自由口通信方式將采集到的數據發送到監控主站。

3 監控主站的設計

管網監控主站系統仍以PLC為控制核心，在設計上結合實際需求，配有以太網通訊模塊CP243-1，控制柜中配有12 V和24 V直流電源來分別給日精無線數傳電臺和S7-200PLC的以太網通訊模塊供電，S7-200PLC是單相交流220 V供電，所以柜子外接單相220 V交流電源，在柜子內配有浪涌保護器和空氣開關，以保證整個系統正常安全運行。主站PLC以自由口通信方式，通過無線數傳電臺接收來自現場分站的信息，或者向分站發出指令，并將各分站信息及報警信息通過控制觸摸屏顯示，同時將信息傳輸給監控中心上位機PC。

4 系統軟件設計

系統監控分站程序設計包括數據采集和處理程序設計、通信設計、液晶顯示和報警設計。數據采集和處理程序流程圖見圖2。

圖2 分站監控程序流程圖

通過數據采集、濾波、判斷、顯示及報警，實現分站的監控任務。數據通信采用自由口通信協議，是基于RS-485通信基礎的半雙工通信，PLC程序主要通過使用XMT指令、RCV指令、傳送中斷、接收中斷以及特殊寄存器控制字的編寫來完成通訊端口的操作。PLC液晶顯示程序與觸摸屏通過RS485相連接，通過觸摸屏顯示器可以清晰的觀察到每路壓力和流量的實時情況。液晶觸摸屏界面見圖3。

圖3 液晶觸摸屏界面示意圖

系統監控中心包括數據監控設計、通信設計、數據庫管理設計等。本系統遠程監控中心上位機選用組態軟件，又稱監控組態軟件，譯自英文SCADA，即數據采集與監視控制（Supervision Control and Data Acquisition），該軟件能使用戶方便、靈活、快捷地建立可視化的人機界面。組態軟件作為I／O Server通過以太網模塊CP243-1訪問S7-200 PLC，其通信協議選擇基于TCP／IP通信協議。PLC與組態軟件的通信設置可通過在PLC編程軟件STEP7-MicroWIN V4．0的以太網向導中配置CP243-1模塊、配置通信驅動軟件的屬性。組態軟件支持SQL語句，通過ODBC接口能方便地與SQL Server數據庫進行連接，將相關事件記錄到Microsoft SQL Server數據庫中。

上位機軟件結構包括安全登錄系統設計、系統導航設計、分站監測設計、數據庫管理設計，分站監測設計包括實時趨勢曲線、實時報警顯示以及各參數信息顯示。數據庫管理設計包括歷史數據查詢、歷史趨勢查詢、報警查詢等。

5 總 結

本研究所設計方案，實現了礦山供水管網無線監控。控制裝置以PLC為核心器件、數傳電臺為無線通信媒介，借助控制器的實時能力，實現了供水管網系統的遠程無線監測。本研究實時進行采集數據并進行無線傳輸，根據所測參數值判斷管網工作情況，實現供水系統遠程無線監測與故障識別。

綜上所述，本系統具有如下技術優點：

1）可靠性高、效率高。2）節能效果顯著。3）節省了人力，提高了供水效率。4）實現無人值班，節約管理費用。5）系統的可擴展性較好。

［1］ 薛海鴻，陳麗珺，李元紅．水源井供水遠程監控系統設計與應用［J］．中國儀器儀表，2009（9）：68-71．

［2］ 王占山，張化光，馮 健，等．長距離流體輸送管道泄漏檢測與定位技術的現狀與展望［J］．化工自動化及儀表，2003，30（5）：5-10．

［3］ 龐元俊．礦井監控系統與生產信號［M］．北京：煤炭工業出版社，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

徐國強（1972—），男，山西太原人，1994年畢業于山西礦業學院，工程師，主要從事煤炭生產管理工作（E-mail）xgq666999＠163．com