基于物联网的矿井排水自控系统升级改造_章盼梅.pdf

2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:国家金属材料近净成形工程技术研究中心开放基金(2019012)收稿日期:20220831基于物联网的矿井排水自控系统升级改造章盼梅(广州城市理工学院机械工程学院，广东广州510800)摘要:为解决当前矿井排水系统机电设备线路老化、自动化程度低、不能远程控制的难题，开发了一套基于物联网的矿井排水远程控制系统，对原自控系统进行升级改造。改造后的自控系统上位机选用手机 APP 为监控软件，下位机选用 S7300 PLC 为中央控制器，现场执行元件由液位计、流量计等组成。系统工作时，PLC 采集现场液位计、流量计发送的信号，经 PLC 内部预设程序处理后发送给智能工业网关 TU;TU 数据处理后，利用 5G 物联网技术把数据上传到云服务器，手机 APP 监控软件与云服务器相连，最终实现了设备的远程监控。试运行结果显示，改造后的系统能实时远程监控矿井机电设备，达到了预期的目标。关键词:物联网;矿井;排水系统;PLC;控制系统;升级改造中图分类号:TP272文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02005004Upgrade and Transformation of Mine Drainage Automatic ControlSystem Based on Internet of ThingsZHANG Pan-mei(School of Mechanical Engineering，Guangzhou City University of Technology，Guangzhou 510800，China)Abstract:In order to solve the problems of aging electromechanical equipment lines，low degree of automation，and inabilityto remotely control the current mine drainage system，a remote-control system for mine drainage based on the Internet of Thingswas developed to upgrade the original automatic control systemAfter the transformation，the upper computer of the system adoptedmobile APP as the monitoring software，and the lower computer adopted S7300 PLC as the central controller，the actuating ele-ment consisted of liquid level meter，flowmeter and so onWhen the system was working，the PLC collected the signals sent by theon-site level gauge and flow meter，and sent it to the intelligent industrial gateway TU after being processed by the PLC s inter-nal preset programAfter the TU processed the data，it used the 5G Internet of Things technology to upload the data to the cloudserverThe mobile APP monitoring software was connected to the cloud server，and finally the remote monitoring of the device wasrealizedThe results of the trial operation show that the transformed system can remotely monitor the equipment in real time and a-chieves the expected goalKeywords:IoT;mine;drainage system;PLC;control system;upgrade and transformation0引言矿井排水系统是煤矿企业的重要系统之一，它把矿井内的水及时的排出井外，为井下工作人员提供安全的工作环境。近年来，煤矿企业为进一步提高井下工作人员的安全工作环境，对原矿井排水进行升级改造。自控系统是矿井排水系统的重要组成部分，它的性能直接影响矿井排水的质量。当前国内外学者对矿井排水自控系统技术进行研究，以寻求更稳定可靠、更先进精确的技术来实施自动控制。文献 1为提高煤矿行业的安全生产水平，开发了一套智能矿井排水监控软件。该系统上位机由 iFIx 组态软件二次开发监控系统，能实时监控排水泵等机电设备的运行状态;下位机以 PLC 为中央控制器，实时采集水泵流量、电压、电流等参数。文献 2 设计了一套无人值守的智能高效的排水系统。该系统采用 PLC 控制水泵、电动阀门等机电设备运行，现场设备采用触摸屏作为上位机实现设备的就地控制，远程设备通过工业以太网与 PLC 相连，实现对排水系统机电设备运行数据的集中监控。文献 3 为解决矿井排水系统自动化程度低、劳动强度大的难题，开发了一套基于 DSP 的矿井自动排水系统。文中分析了排水系统的结构和工作原理，设计了串口通信电路、继电器控制启停电路、上位机监控软件等，最后用MATLAB 软件进行仿真实验。文献 4 针对寺河煤矿井下排水设备自动化程度低的难题，开发了一套智能第 2 期章盼梅:基于物联网的矿井排水自控系统升级改造51井下排水系统。该监控系统由上位机、仪表等组成，实现了设备的在线监测，保障井下工作人员的安全。当前学者对矿井水泵的监控方式的研究，总结起来共有 3 种:第 1 种是以继电器为主要电器元件的水泵控制系统，该系统虽然价格低，但自动化水平低，早期在小型矿井中使用，现已逐渐被淘汰;第2 种是以单片机为控制核心的排水系统，如文献 3 所述，但由于单片机较难控制水泵、电动阀门等大型机电设备，且控制系统对单片机外围电路要求较高，因此在实际应用中不常见;第 3 种是采用 PLC 和上位机相结合控制系统，该系统稳定可靠，现已广泛应用于矿井排水中，但该系统不能实现设备的远程监控。早期的国内外学者对矿井排水系统的研究，为前期矿井排水系统的发展做出了一定的贡献。但随着物联网技术的发展，前期的排水自控系统已不能满足当前矿井安全生产的需要。因此，为实现矿井排水系统的远程监控，本文利用物联网、智能工业网关 TU 等技术，对原自控系统进行升级改造。1工程概况某煤矿矿井排水系统投入使用已久，建设初期采用传统的继电器控制方式，后因安全生产需要进行过一次监控系统升级改造。当前的矿井排水系统是由PLC 和上位机组成，已运行十几年，存在机电设备故障率高、线路老化、水泵出水排量小等问题。随着我国煤矿工业的发展，部分煤矿对老旧排水系统进行升级改造，以满足安全生产的要求。矿井排水系统是利用水泵把矿井的水抽到地面，防止矿井水位过高造成安全生产事故。11原矿井排水自控系统原自控系统上位机由国产组态软件二次开发的监控系统构成，下位机由 S7200 PLC 构成。原系统机电设备包括水泵 3 台(其中 1 台为备用)、液位计、流量计、电控阀门等，各机电设备与 PLC、监控主机通过以太网相连接。系统工作时，液位计把液位高度转化为电信号，通过以太网发送给 PLC，PLC 经预设的程序处理后，实时把信号参数显示到组态软件中，操作人员通过组态软件控制设备的运行，原监控系统架构如图 1 所示。12存在问题原矿井排水监控系统建设时间长，设备线路老化现象严重，控制方式落后。近年来，我国煤矿产能的增大，原矿井排水控制软硬件不能满足监管要求，当前存在以下问题:(1)由于原自控系统机电设备运行时间长，系统故障频率较高、线路老化现象严重，存在较大的安全图 1原监控系统总体架构隐患。(2)原矿井排水自控系统设计的流量已不能满足当前安全生产的需要。由于系统建设时间长，当时煤矿产量较小，设计的泵房流量较小。(3)原系统由上位机、仪表等组成。组态软件控制方式简单，只能手动控制设备，自动运行方式已损坏，且系统不能根据液位自控控制设备的启停;原系统不能实现对井内机电设备的远程控制，只能短距离的控制。2自控系统改造虽然由 PLC 和组态软件构成的监控系统具有稳定可靠、价格低等优点，前期在工业控制领域得到了广泛的应用，但它不能实现机电设备的远程监控，已不能满足当前生产的需要。随着工业物联网、云计算、计算机软硬件等技术的快速发展，工业物联网等技术已开始逐渐应用了智慧矿山及相关领域的建设。文献 5 为实现“碳中和”和“碳达峰”的目标，根据山西省煤矿企业的特点，提出利用物联网、大数据、云计算等技术对煤矿企业进行升级改造。文献 6 提出了一种 Lora 技术的物联网，研究了物联网技术在煤矿火灾监控软件中的应用。文献 7 为解决煤矿行业增速放缓、产能过剩等问题，提出一种利用新一代信息技术的智慧矿山建设思路。设计了智慧矿山建设的框架、网络传输的方式，研究了工业物联网、大数据、云计算、矿用 5G 通信等技术，为建设智慧矿山提供设计方案。前期学者对物联网等技术的研究，为矿井排水自控系统升级改造提供一定的技术基础。因此，本项目采用 PLC、手机 APP 软件、智能 TU 网关、5G 物联网等技术，对原自控系统进行升级改造。21改造后自控系统总体架构改造后的自控系统以 S7300 PLC 为中央控制器，它与智能工业网关 TU、物联网共同组成系统的中间层，主要负责处理信号和转发信号。水泵、流量计等机电仪表设备组成系统的现场层，仪表主要负责把现场的物理量转换为电信号，机电设备则负责执行PLC 发送的命令。云服务器、手机 APP 监控软件和平板电脑组成系统的应用层，通过物联网跟智能网关52Instrument Technique and SensorFeb2023TU 交换数据，最终实现手机 APP 远程控制系统的运行，改造后的系统总体架构如图 2 所示。图 2改造后系统总体架构图22改造后水泵控制架构原水泵房设备落后、线路老化、控制方式较简单。虽然原水泵控制系统具有 PLC 和上位机，但监控系统经常失效，操作人员需手动控制水泵的运行。改造后的矿井总共有 2 个泵房，每个泵房有 3 台工作水泵和1 台备用水泵。在监控软件上，每台水泵对应有就地/远控、手动运行、自动运行、综合故障、启动/停止、频率反馈和频率设定控制命令按钮。水泵启动时，为防止启动电流过大对电网和电气控制设备造成影响，全部水泵采用变频启动控制方式。系统工作时，每台水泵对应连接一台变频器，变频器再与 PLC 相连。水泵房配置 2 台液位计，其中 1 台液位计备用。系统工作时，液位计实时检测泵房的液面高度，把它转换为电信号发送给 PLC，PLC 根据预设的程序，自动选择启停的水泵，从而实现水泵的智能运行。水泵控制原理如图 3 所示。图 3水泵控制架构图23改造后水泵控制程序改造后的水泵总共有 4 种控制模式，分别为远程手动控制模式、现场手动控制模式、智能自动运行模式和根据液位自动运行模式。远程手动控制模式是通过手机 APP 或中控室远距离控制设备的启停;现场手动控制模式是通过操作控制柜实现设备的运行;智能自动运行模式依据 PLC 预设的程序，主要根据“避峰就谷”用电方式、水泵的运行总时长、水泵的功率和效率等参数，自动计算并选择启停的水泵。通过水泵的智