杜 震，劉 堯，李 偉，岳建忠，王 福

(府谷能源投資集團沙溝岔礦業(yè)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(huán)境極易導致機械設備的銹蝕，進而影響設備的正常運轉(zhuǎn)，危害井下安全生產(chǎn)[1-3]。傳統(tǒng)電鍍控制器由于點數(shù)的限制，無法實現(xiàn)對更復雜系統(tǒng)的控制，而使用網(wǎng)絡技術(shù)和PLC技術(shù)可以很好地解決此類問題。

目前，由于傳統(tǒng)電鍍控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)井下大規(guī)模機電設備的防銹蝕處理，從國外引進工業(yè)自動化儀表行業(yè)技術(shù)，并且通過合作組裝和生產(chǎn)的分布式控制系統(tǒng)，也逐步向本地化發(fā)展[4-6]。分布式控制系統(tǒng)擴展其功能，使用局域網(wǎng)技術(shù)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(xiàn)復雜的控制應用程序，從而不再需要對每個應用程序系統(tǒng)進行編程。開放式網(wǎng)絡功能可以輕松地有機連接到管理網(wǎng)絡的每一層，并形成一個綜合的集成網(wǎng)絡系統(tǒng)進行管理和控制[7-9]。電鍍工件質(zhì)量的好壞會受到電解質(zhì)配方和工作溫度的影響，也受到電解質(zhì)濃度、密度和電鍍時間的制約[10-12]。為了應對井下大規(guī)模機械設備的電鍍需求，確保電鍍質(zhì)量，就需要調(diào)整所使用的控制技術(shù)。因此，亟需研發(fā)一整套煤礦智能分布式電鍍控制系統(tǒng)，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(shù)電鍍生產(chǎn)線控制系統(tǒng)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(tǒng)，以期為煤礦大型機械設備的防銹蝕處理提供技術(shù)支持。

1 煤礦智能分布式電鍍控制系統(tǒng)概述

煤炭行業(yè)正在向現(xiàn)代化生產(chǎn)和信息管理邁進，建立完善的無線傳感器網(wǎng)絡煤礦監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡化，以計算機系統(tǒng)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(yè)控制系統(tǒng)通常采用微軟提供的MFC作為計算機平臺上的開發(fā)環(huán)境，通過數(shù)據(jù)庫和傳感器技術(shù)采集數(shù)據(jù)，采用計算機通信協(xié)議控制信息的傳輸。無線傳感器采用傳感器技術(shù)，計算機通信采用信息傳輸技術(shù)，主控系統(tǒng)采用計算機應用技術(shù)，各種技術(shù)的結(jié)合構(gòu)成了煤礦安全監(jiān)控的關鍵技術(shù)。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和傳感器節(jié)點類似，由3個模塊組成。一是中央控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸裝置和連接電纜；三是傳感器終端節(jié)點和設備。煤礦安全監(jiān)測的工作是監(jiān)測瓦斯、風量等關鍵環(huán)境參數(shù)指標，在超過警戒線時的基礎設施狀態(tài)是否在正常范圍內(nèi)，用中心控制系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，為指導生產(chǎn)部門提供參考，并對不良狀態(tài)進行預警，達到防患于未然的效果。安全監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)事件，盡可能減少和預防災害，為安全生產(chǎn)保駕護航。

電鍍生產(chǎn)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(nèi)的生產(chǎn)狀況可分為多條生產(chǎn)線。根據(jù)涂層類型的不同，每條生產(chǎn)線的處理工藝也不同，包括清洗、回收、發(fā)光、鈍化、抗變色、涂膜處理等。根據(jù)生產(chǎn)的具體要求結(jié)合上述相關內(nèi)容，本文主要采用基于PLC的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設計思想。PLC和DCS都有其明顯的優(yōu)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(jié)果見表1。

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

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制要求

系統(tǒng)需監(jiān)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(chǎn)參數(shù)的運行狀態(tài)及重要設備運行狀態(tài)參數(shù)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(shù)的采集顯示、數(shù)據(jù)報表的分析、報表的圖像曲線顯示、數(shù)據(jù)庫生成、預警信息統(tǒng)計和報表生成、報表輸出等功能。其中一些主機可以實現(xiàn)局域網(wǎng)連接互聯(lián)網(wǎng)，利用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)局域網(wǎng)與中心站之間的實時數(shù)據(jù)傳輸和實時數(shù)據(jù)檢索。數(shù)據(jù)采集自動化是將移動傳感器節(jié)點收集的數(shù)據(jù)定期發(fā)送到固定傳感器節(jié)點，然后通過固定節(jié)點組成的骨干網(wǎng)絡傳送到地面監(jiān)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(tǒng)會自動報警，并自動開啟通風設備或關閉電源，停止生產(chǎn)，直至氣體體積分數(shù)降至安全值。地面監(jiān)控中心需要了解所有重要的安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便了解礦井下的安全生產(chǎn)情況，信息發(fā)布自動化的要求就是將井下采集的數(shù)據(jù)能夠安全、可靠、及時地以簡單快捷的方式傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，從而可以根據(jù)這些信息做出相應的管理決策。

2.2 系統(tǒng)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(jié)點睡眠、更新和激活3種工作狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，無線收發(fā)器處于睡眠狀態(tài)，控制器和參數(shù)內(nèi)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(tài)更新中，控制器和無線收發(fā)器打開，參數(shù)內(nèi)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(fā)器、參數(shù)內(nèi)容檢測器和控制器都處于打開狀態(tài)。此時，傳感器一方面輸出采樣數(shù)據(jù)，另一方面使用無線收發(fā)器接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。通過對煤礦井下大型機電設備的研究，傳感器節(jié)點采集的信息從內(nèi)部傳輸?shù)皆O備表面，然后通過巷道口的節(jié)點傳輸?shù)降孛娴耐ㄐ藕凸芾碓O備。這種結(jié)構(gòu)使得這套智能監(jiān)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(qū)域，一旦部署了傳感器節(jié)點，將很難獲得能量供應，所以要優(yōu)先延長網(wǎng)絡壽命。應采用多路徑機制來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目沙掷m(xù)性。數(shù)據(jù)實時顯示模塊通過表格、條形圖、折線圖等直觀方式呈現(xiàn)井下傳感器從數(shù)據(jù)庫中采集的信息，并顯示當前時刻的實時數(shù)據(jù)和最近一段時間的數(shù)據(jù)變化趨勢，以便管理人員及時解決生產(chǎn)情況。

2.3 可靠性設計

2.3.1 電磁兼容性設計

系統(tǒng)在環(huán)境條件相對惡劣的工業(yè)場所工作，并直接連接到測試設備和受控對象，因此現(xiàn)場各種電磁干擾對系統(tǒng)的正常運行影響很大，甚至會引起故障，造成嚴重的經(jīng)濟損失。為了使控制器穩(wěn)定工作并提高控制系統(tǒng)的可靠性，在設計PLC控制系統(tǒng)以消除各種電磁噪聲時采取一些適當?shù)目垢蓴_措施非常重要。電磁兼容性(EMC)和抑制電子系統(tǒng)干擾的能力極大地決定了系統(tǒng)的可靠性。電磁兼容性意味著該設備可以在其電磁環(huán)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(tǒng)干擾的能力是指該產(chǎn)品對其他產(chǎn)品的電磁干擾的抵抗力，也稱為抗干擾。構(gòu)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(fā)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(tǒng)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(chǎn)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(huán)路。地面設計的質(zhì)量會影響PLC噪聲抑制的效果。通常，系統(tǒng)的信號環(huán)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(jié)語

煤礦智能分布式電鍍監(jiān)控控制系統(tǒng)的基本要求是可靠性強，而提高系統(tǒng)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(yè)控制微型計算機技術(shù)，其優(yōu)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(yè)的基本生產(chǎn)狀況進行分析，結(jié)合傳統(tǒng)電鍍和現(xiàn)代電鍍的發(fā)展狀況，經(jīng)過分析比較，最好采用PLC改造生產(chǎn)線，最終提高整個控制系統(tǒng)的可靠性。