基于PLC與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢志霖

（大同煤礦集團(tuán)同生精通興旺煤業(yè)有限公司，山西大同 037000）

0 引言

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸過(guò)程中扮演著非常重要的作用，穩(wěn)定可靠的監(jiān)控系統(tǒng)可以保障煤礦高效、安全、有序地運(yùn)轉(zhuǎn)。目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)的信息大多通過(guò)各種總線方式進(jìn)行傳輸，有線網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)依然是主流方式，但是煤礦井下環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，巷道來(lái)回交叉，要求總線跟隨巷道的變化進(jìn)行安裝，增加了布線成本，可擴(kuò)展性低，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)往往不能覆蓋礦井的每個(gè)角落，存在一定的盲區(qū)；同時(shí)，電纜經(jīng)常會(huì)遭受拉、壓、擠、砸等情況，一旦發(fā)生故障，對(duì)于煤礦是極大的威脅[1-2]。本文針對(duì)上述問(wèn)題與不足，基于PLC控制技術(shù)、ZIGBEE無(wú)線傳感技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、上位機(jī)組態(tài)技術(shù)，提出一種新型的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，可將礦井下各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛?，并根?jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)控制井下的設(shè)備運(yùn)行，有效解決了上述問(wèn)題。

1 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于PLC與ZIGBEE無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心、PLC控制系統(tǒng)、ZIGBEE協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)采集分節(jié)點(diǎn)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中，數(shù)據(jù)采集分節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測(cè)礦井下的溫度、CO濃度、風(fēng)速等環(huán)境信息以及設(shè)備開(kāi)停狀態(tài)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警，并通過(guò)ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器通信；PLC控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)各類檢測(cè)信息的上傳以及控制指令的下達(dá)，起著承上啟下的作用；ZIGBEE協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)匯聚數(shù)據(jù)采集分節(jié)點(diǎn)的信息，并將信息傳送給PLC控制系統(tǒng)，其與PLC控制系統(tǒng)通過(guò)RS232轉(zhuǎn)RS485通信方式進(jìn)行連接[3]；控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是當(dāng)?shù)V井下發(fā)生緊急情況時(shí)，使某些電器設(shè)備斷電，停止運(yùn)行；地面監(jiān)控中心主要完成對(duì)PLC控制系統(tǒng)傳來(lái)的檢測(cè)信息的參數(shù)顯示、報(bào)警，并進(jìn)行故障分析，執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)備保護(hù)操作。

圖1 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2 硬件方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 PLC控制器選型

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)把從協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)收集到的礦井環(huán)境參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)傳輸給PLC控制系統(tǒng)，PLC將信息上傳給上位機(jī)并根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)相應(yīng)的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。根據(jù)本系統(tǒng)的輸入和輸出需求，在滿足功能要求的前提下，選用了綜合性價(jià)比較高的西門子S7-200系列PLC控制器，中央處理單元為CPU226模塊，并配合一個(gè)輸入量擴(kuò)展模塊，型號(hào)為EM221。CPU226模塊擁有16個(gè)數(shù)字輸出口和24個(gè)數(shù)字量輸入口，配合EM221的8個(gè)輸入口，完全可以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需求[4]。

2.2 煤礦數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

煤礦數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)方案如圖2所示。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由液晶顯示模塊、各類礦用傳感器、無(wú)線通信模塊、電源管理模塊組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的溫度、煙霧、壓力等環(huán)境參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行工況信息的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。無(wú)線通信模塊選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片實(shí)現(xiàn)ZIGBEE組網(wǎng)通信。CC2530是一個(gè)真正用于IEEE 802.15.4的ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[5]，協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)同樣選擇CC2530芯片。PLC與CC2530之間通過(guò)CP340模塊進(jìn)行串口通信，電源管理模塊主要為各類礦用傳感器，液晶顯示模塊和無(wú)線通信模塊提供電源。

圖2 煤礦數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)方案

2.3 礦用傳感器選型

監(jiān)控系統(tǒng)離不開(kāi)各類礦用傳感器，需采集各種環(huán)境參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行工況，本系統(tǒng)需檢測(cè)的參數(shù)較多，具體選型如下。（1） 甲烷傳感器。選用型號(hào)為GJC4的甲烷傳感器，它可以自動(dòng)將井下沼氣濃度連續(xù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸送給數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，并具有報(bào)警功能。（2） 溫度傳感器。選用型號(hào)為KGW5的溫度傳感器，用于檢測(cè)煤礦井下的環(huán)境溫度，能與各種監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。（3） 煙霧傳感器。選擇型號(hào)為GQQ5礦井煙霧傳感器，用于檢測(cè)礦井下因機(jī)械磨擦、電纜發(fā)熱、煤層自燃等原因引起的煙霧。（4） 設(shè)備開(kāi)停傳感器。選擇型號(hào)為GKT18的設(shè)備開(kāi)停傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)供電電流大于5 A的各種交流驅(qū)動(dòng)機(jī)電設(shè)備。（5） CO傳感器。選擇型號(hào)為KGA3的電化學(xué)式CO傳感器，該傳感器穩(wěn)定性高，靈敏度好，測(cè)量范圍寬，可與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。（6） 水位傳感器。選擇型號(hào)為KGU9的水位傳感器，該傳感器是一種投入式傳感器，可用于檢測(cè)礦井下水倉(cāng)、管道等地方的水位。（7） 壓力傳感器。選擇型號(hào)為KGY4的壓力傳感器，可對(duì)礦井風(fēng)機(jī)、風(fēng)門密閉、通風(fēng)巷道等地進(jìn)行差壓連續(xù)監(jiān)測(cè)。（8） 風(fēng)速傳感器。選擇型號(hào)為GFY15的風(fēng)速傳感器，主要用于連續(xù)監(jiān)測(cè)礦井通風(fēng)總回風(fēng)巷、井下主要測(cè)風(fēng)站、扇風(fēng)機(jī)等處的風(fēng)速。（9） 風(fēng)門開(kāi)閉傳感器。選擇型號(hào)為KG1012的風(fēng)門開(kāi)閉傳感器，該傳感器是一種檢測(cè)煤礦井下風(fēng)門開(kāi)、關(guān)狀態(tài)的裝置。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的所有的井下礦用傳感器均為本質(zhì)安全兼隔爆型設(shè)備，供電電源都是本質(zhì)安全電源[6]。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)和中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)兩部分。其中，主程序主要負(fù)責(zé)對(duì)礦井下的各種環(huán)境參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行檢測(cè)、信息采集，并將采集的信息通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸給PLC控制器，進(jìn)而上傳給地面監(jiān)控主站。礦井監(jiān)控分站下位機(jī)主程序流程圖如圖3所示。主程序又包含一系列子程序，包括聲光報(bào)警程序、液晶顯示程序、無(wú)線通信收發(fā)程序、CAN總線收發(fā)程序、A/D采樣轉(zhuǎn)換程序、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制程序等；中斷服務(wù)程序主要為了應(yīng)對(duì)地面監(jiān)控主站而而設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)孛姹O(jiān)控主站發(fā)出控制指令時(shí)，中斷服務(wù)程序便會(huì)啟動(dòng)[7]。

圖3 礦井監(jiān)控分站下位機(jī)主程序流程圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面監(jiān)控主站是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)形成的。組態(tài)軟件是工業(yè)數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其采用圖形化界面，用戶可以根據(jù)項(xiàng)目需求任意組態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能[8]。監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)軟件由多個(gè)監(jiān)控模塊組成：數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊、報(bào)表模塊、曲線模塊、報(bào)警模塊、參數(shù)設(shè)置模塊等。另外，組態(tài)軟件與SQL Server連接，系統(tǒng)可將檢測(cè)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)可保存歷史數(shù)據(jù)。

煤礦安全監(jiān)控軟件提供一套完整的煤礦監(jiān)控功能，可對(duì)甲烷濃度、風(fēng)速、CO濃度、溫度、風(fēng)壓、水位差、設(shè)備開(kāi)停等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并提供數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)顯示，打印結(jié)果，查詢分析，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，報(bào)警，顯示，打印井下安全狀況等功能。監(jiān)控軟件主界面示意圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控軟件主界面示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析傳統(tǒng)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)存在諸多不足的基礎(chǔ)上，借助無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一種基于PLC與ZIGBEE無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)將各種礦用傳感器和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下傳感器檢測(cè)信息的無(wú)線傳輸，有效避免了有線布設(shè)繁瑣、電纜傳輸故障多的問(wèn)題；設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控軟件可對(duì)井下的環(huán)境參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)?shù)V井環(huán)境及設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，滿足了煤礦企業(yè)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的需求。