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)

周 帥

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤炭作為我國(guó)的重要基礎(chǔ)能源，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)提供了重要保障，在未來(lái)30年內(nèi)，煤炭在我國(guó)一次消耗能源中所占比例依舊會(huì)超過(guò)50%[1]。針對(duì)煤礦過(guò)去發(fā)生的重大事故進(jìn)行分析，主要原因除了歸咎于操作不規(guī)范、安全意識(shí)不到位以外，還包括信息采集不全面、安全生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)缺失等，造成救援時(shí)決策缺乏科學(xué)依據(jù)，耽誤救援工作的推進(jìn)[2-3]。傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用有線傳輸?shù)姆绞?，因設(shè)備負(fù)載及線路損耗導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸距離有限，無(wú)法滿足系統(tǒng)功能要求，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通訊技術(shù)逐漸成熟，衍生出一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)[4]。本文設(shè)計(jì)了一種基于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)，以實(shí)現(xiàn)井下瓦斯、火災(zāi)、壓力與工人位置等數(shù)據(jù)的采集功能，并通過(guò)PLC控制通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)井下數(shù)據(jù)參數(shù)，滿足礦井的安全生產(chǎn)要求[5]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由井上地面中心站與井下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組成，井上監(jiān)視中心包括監(jiān)控主機(jī)、PLC 控制器、變頻器與主通風(fēng)機(jī)等，井下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)包括無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備、礦工安全設(shè)備與信號(hào)采集設(shè)備等[6]。監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能有井下環(huán)境信號(hào)采集功能、礦工考勤及人員定位功能與通風(fēng)功能，具體如下。

（1）井下環(huán)境信號(hào)采集。功能本系統(tǒng)采集的環(huán)境信號(hào)主要為井下的瓦斯?jié)舛?、溫度與濕度等，系統(tǒng)通過(guò)各類型傳感器測(cè)量，信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信的方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，通過(guò)有線傳輸?shù)骄媳O(jiān)控主機(jī)。

（2）礦工考勤定位功能。礦工隨身攜帶的安全設(shè)備，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與路由器進(jìn)行通信，信號(hào)最終傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)中，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線路由的準(zhǔn)確位置，大概估算出員工的位置，實(shí)現(xiàn)考勤定位功能。

（3）通風(fēng)功能。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到井下瓦斯?jié)舛?、溫度與濕度信號(hào)超過(guò)限定值，通過(guò)PLC 控制器調(diào)節(jié)礦井的主通風(fēng)機(jī)，增加井下有害氣體的排除量，確保井下工作環(huán)境的安全性。

圖1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

1.2 無(wú)線通信技術(shù)

本文的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee 技術(shù)，以各獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)線通信，組成星狀、網(wǎng)狀的通訊網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)選用ZigBee 無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的主要原因有：ZigBee 通訊的傳輸速度在20～250 kb/s，適合傳感器數(shù)據(jù)的傳輸；ZigBee 無(wú)線適合應(yīng)用于低速率、低功耗、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的環(huán)境，滿足煤礦安全系統(tǒng)需求；ZigBee 技術(shù)可組建規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)體系，可覆蓋煤礦井下的所有位置；終端設(shè)備的功耗較小，方便煤礦工人攜帶。ZigBee網(wǎng)絡(luò)以IEEE的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，有利于系統(tǒng)與其他設(shè)備的兼容性[7]。

2 基于ZigBee的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件

監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備需要工人攜帶，所以本文選用ARM處理器作為系統(tǒng)的核心計(jì)算單元。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，具體包括ARM處理器及外圍電路、報(bào)警蜂鳴器、ZigBee 無(wú)線單元、語(yǔ)音交流單元、鍵盤與各信號(hào)測(cè)量單元等。外圍電路包括電源電路、有源晶振電路、復(fù)位電路、JTAG 電路與I2C 通信電路等。鍵盤設(shè)有各種功能按鍵，可控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。ZigBee 無(wú)線單元采用嵌入式無(wú)線模塊。包含電源接口、天線接口、控制接口與數(shù)據(jù)接口等，通過(guò)TTL收發(fā)接口與ARM處理器實(shí)現(xiàn)信息的傳輸功能。當(dāng)發(fā)生瓦斯超標(biāo)等預(yù)警或事故時(shí)，語(yǔ)音交流單元負(fù)責(zé)向工人傳達(dá)撤離信息，維護(hù)疏散秩序等。

本系統(tǒng)CPU 選用基于ARM 的LPC2103 微控制器，LPC2103 控制器支持系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真，可用于小型系統(tǒng)，內(nèi)置較多通信接口，32條高速GPIO通道，8 kb片內(nèi)閃存，滿足本系統(tǒng)的監(jiān)控要求。LPC2103 內(nèi)核與外設(shè)分別需要1.8 V 與3.3 V電壓供電，電路板需5 V電壓供電[8]。

圖2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 瓦斯檢測(cè)單元

本文選用TGS6812 瓦斯傳感器測(cè)量井下的瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，該傳感器通過(guò)檢測(cè)碳?xì)渑c氫氧化物等可燃?xì)怏w的濃度，來(lái)解決瓦斯?jié)舛刃盘?hào)的監(jiān)測(cè)，具有測(cè)量精度高、測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。由于傳感器輸出的電壓較小，無(wú)法直接被ARM處理器使用，所以本文設(shè)計(jì)了一個(gè)瓦斯?jié)舛刃盘?hào)測(cè)量電路，如圖3所示，放大器件AD623與TGS6812都采用3 V電壓源供電。測(cè)量電路主要采用AD623 放大傳感器輸出的模擬信號(hào)，其中電阻R5決定了電路的放大倍數(shù)。傳感器在投入使用前，應(yīng)用精密儀器校準(zhǔn)并進(jìn)行定期調(diào)校。

圖3 瓦斯?jié)舛刃盘?hào)測(cè)量電路

3 基于PLC的通風(fēng)控制選型設(shè)計(jì)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)井下通風(fēng)量的變化，進(jìn)而保證井下溫度、濕度與瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)在一個(gè)安全范圍內(nèi)。本節(jié)在安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于PLC 控制器的通風(fēng)系統(tǒng)，其具體硬件包括PLC控制器、變頻器與人機(jī)交互等設(shè)備。

本文選用S7-200PLC 作為系統(tǒng)控制器，由CPU、輸入輸出模塊、通信模塊與存儲(chǔ)器等組成，具有體積小、響應(yīng)速度快、靈活性高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可滿足系統(tǒng)各控制要求；控制器運(yùn)用一定的抗干擾技術(shù)，與傳統(tǒng)繼電控制相比，可有效隔離外部電流帶來(lái)的擾動(dòng)；擴(kuò)展維護(hù)方便簡(jiǎn)單，技術(shù)人員操作時(shí)減少了很多麻煩。系統(tǒng)選用MM440變頻器，可靠性高，節(jié)能效果優(yōu)良，具有一定的電機(jī)保護(hù)功能，降低了過(guò)電壓、欠電壓等故障下對(duì)設(shè)備的損害。

控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參考全部來(lái)源于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，PLC 與監(jiān)控主機(jī)通過(guò)RS485 串口通信方式連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸共享?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)調(diào)節(jié)，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速變化，形成閉環(huán)負(fù)反饋控制。

本文所設(shè)計(jì)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合利用PLC控制技術(shù)與ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)，將煤礦的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員考勤定位系統(tǒng)與通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)融合為一，節(jié)約了井下空間與網(wǎng)絡(luò)資源。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于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)，利用微小型ARM處理器，將終端設(shè)備設(shè)計(jì)為便攜式，方便工人的考勤定位，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了環(huán)境數(shù)據(jù)的參考。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了井下環(huán)境的全覆蓋、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，保障煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。