煤礦智能分布式電鍍監控控制系統

杜 震，劉 堯，李 偉，岳建忠，王 福

(府谷能源投資集團沙溝岔礦業有限公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著煤礦開采深度的增加，井下高溫潮濕的環境極易導致機械設備的銹蝕，進而影響設備的正常運轉，危害井下安全生產[1-3]。傳統電鍍控制器由于點數的限制，無法實現對更復雜系統的控制，而使用網絡技術和PLC技術可以很好地解決此類問題。

目前，由于傳統電鍍控制系統難以實現井下大規模機電設備的防銹蝕處理，從國外引進工業自動化儀表行業技術，并且通過合作組裝和生產的分布式控制系統，也逐步向本地化發展[4-6]。分布式控制系統擴展其功能，使用局域網技術在多臺計算機之間進行分配計算機的處理功能，容易維修和維護，性價比較低，并配置有實用軟件。全面的控制算法使用戶可以輕松實現復雜的控制應用程序，從而不再需要對每個應用程序系統進行編程。開放式網絡功能可以輕松地有機連接到管理網絡的每一層，并形成一個綜合的集成網絡系統進行管理和控制[7-9]。電鍍工件質量的好壞會受到電解質配方和工作溫度的影響，也受到電解質濃度、密度和電鍍時間的制約[10-12]。為了應對井下大規模機械設備的電鍍需求，確保電鍍質量，就需要調整所使用的控制技術。因此，亟需研發一整套煤礦智能分布式電鍍控制系統，對井下大型設備進行電鍍防腐處理。為此，分析可編程邏輯控制(PLC)技術電鍍生產線控制系統的設計方法，然后設計基于PLC的煤礦智能分布式電鍍控制系統，以期為煤礦大型機械設備的防銹蝕處理提供技術支持。

1 煤礦智能分布式電鍍控制系統概述

煤炭行業正在向現代化生產和信息管理邁進，建立完善的無線傳感器網絡煤礦監控系統成為可能。礦井安全監控系統智能化、網絡化，以計算機系統平臺為主控中心，以圖形界面的形式建立用戶交互窗口。工業控制系統通常采用微軟提供的MFC作為計算機平臺上的開發環境，通過數據庫和傳感器技術采集數據，采用計算機通信協議控制信息的傳輸。無線傳感器采用傳感器技術，計算機通信采用信息傳輸技術，主控系統采用計算機應用技術，各種技術的結合構成了煤礦安全監控的關鍵技術。煤礦安全監控系統和傳感器節點類似，由3個模塊組成。一是中央控制系統包括主控計算機、計算機外圍設備和主控應用程序；二是通信模塊包括數據傳輸裝置和連接電纜；三是傳感器終端節點和設備。煤礦安全監測的工作是監測瓦斯、風量等關鍵環境參數指標，在超過警戒線時的基礎設施狀態是否在正常范圍內，用中心控制系統對采集到的數據進行分析，為指導生產部門提供參考，并對不良狀態進行預警，達到防患于未然的效果。安全監控系統在礦井部署有各種自動報警裝置和電源開關，能夠有效應對突發事件，盡可能減少和預防災害，為安全生產保駕護航。

電鍍生產過程按處理過程可分為電鍍前處理、電鍍工藝和電鍍后處理3大部分。車間內的生產狀況可分為多條生產線。根據涂層類型的不同，每條生產線的處理工藝也不同，包括清洗、回收、發光、鈍化、抗變色、涂膜處理等。根據生產的具體要求結合上述相關內容，本文主要采用基于PLC的分布式監控系統的設計思想。PLC和DCS都有其明顯的優缺點。如果將PLC和DCS的性能從弱到強分為1到10級，其比較結果見表1。

表1 PLC與DCS的比較Table 1 Comparison between PLC and DCS

2 系統設計

2.1 系統結構及控制要求

系統需監控水泵、提升機、局扇、主扇、帶式輸送機、采煤機、開關、磁力啟動器等主要生產參數的運行狀態及重要設備運行狀態參數的波動。在計算機圖形界面窗口中進行功能測量，具有測量參數的采集顯示、數據報表的分析、報表的圖像曲線顯示、數據庫生成、預警信息統計和報表生成、報表輸出等功能。其中一些主機可以實現局域網連接互聯網，利用TCP/IP網絡協議實現局域網與中心站之間的實時數據傳輸和實時數據檢索。數據采集自動化是將移動傳感器節點收集的數據定期發送到固定傳感器節點，然后通過固定節點組成的骨干網絡傳送到地面監控中心。控制自動化是當檢測到緊急情況時，可以通過某種方式自動進行緊急處理；例如氣體超標，系統會自動報警，并自動開啟通風設備或關閉電源，停止生產，直至氣體體積分數降至安全值。地面監控中心需要了解所有重要的安全生產數據，以便了解礦井下的安全生產情況，信息發布自動化的要求就是將井下采集的數據能夠安全、可靠、及時地以簡單快捷的方式傳輸到地面監控中心，從而可以根據這些信息做出相應的管理決策。

2.2 系統整體設計

考慮到上述要求，總體方案設計時需合理利用無線傳感器節點睡眠、更新和激活3種工作狀態。在睡眠狀態下，無線收發器處于睡眠狀態，控制器和參數內容檢測器周期性地連接到電源，以檢測可能的緊急情況。在狀態更新中，控制器和無線收發器打開，參數內容檢測器周期性地切換到電源模式。在激活模式下，無線電收發器、參數內容檢測器和控制器都處于打開狀態。此時，傳感器一方面輸出采樣數據，另一方面使用無線收發器接收和發送數據。通過對煤礦井下大型機電設備的研究，傳感器節點采集的信息從內部傳輸到設備表面，然后通過巷道口的節點傳輸到地面的通信和管理設備。這種結構使得這套智能監控控制在煤礦中的應用具有不同于一般應用的特點。由于礦井是一個無法到達的區域，一旦部署了傳感器節點，將很難獲得能量供應，所以要優先延長網絡壽命。應采用多路徑機制來保證數據傳輸的可持續性。數據實時顯示模塊通過表格、條形圖、折線圖等直觀方式呈現井下傳感器從數據庫中采集的信息，并顯示當前時刻的實時數據和最近一段時間的數據變化趨勢，以便管理人員及時解決生產情況。

2.3 可靠性設計

2.3.1 電磁兼容性設計

系統在環境條件相對惡劣的工業場所工作，并直接連接到測試設備和受控對象，因此現場各種電磁干擾對系統的正常運行影響很大，甚至會引起故障，造成嚴重的經濟損失。為了使控制器穩定工作并提高控制系統的可靠性，在設計PLC控制系統以消除各種電磁噪聲時采取一些適當的抗干擾措施非常重要。電磁兼容性(EMC)和抑制電子系統干擾的能力極大地決定了系統的可靠性。電磁兼容性意味著該設備可以在其電磁環境中正常運行，并且不會對附近的其他設備造成無法承受的電磁干擾。抑制電子系統干擾的能力是指該產品對其他產品的電磁干擾的抵抗力，也稱為抗干擾。構成電磁干擾的3個元素是干擾源、傳輸路徑和接收器。干擾的來源與有害電磁信號(即干擾信號或噪聲)的發送者有關。傳輸路徑是指電磁信號的傳輸路徑，主要有輻射和傳導2種。接收器是接收電磁信號的電路。

2.3.2 接地設計

電氣設備與地面之間的電連接可以理解為等電位點或等面積，即電路或系統的參考電位。除電氣安全外，接地的目的是消除每個電路的電流流過公共接地阻抗時產生的噪聲電壓，并避免磁場和電勢差的影響，從而避免接地環路。地面設計的質量會影響PLC噪聲抑制的效果。通常，系統的信號環路應接地到單點，而不是多點接地，以避免接地電平差異的影響。

3 結語

煤礦智能分布式電鍍監控控制系統的基本要求是可靠性強，而提高系統可靠性需多種方法并用，相互完善、相互補充。PLC作為一種工業控制微型計算機技術，其優點是編程簡單，操作方便，而且還具有很高的可靠性和抗干擾性，得到廣泛使用。通過對電鍍行業的基本生產狀況進行分析，結合傳統電鍍和現代電鍍的發展狀況，經過分析比較，最好采用PLC改造生產線，最終提高整個控制系統的可靠性。