矿山物联网M2M环境下控制系统改造新方法

赵贯喜　薛保卫　李建　张申

摘 要：矿山物联网构建了矿山M2M相联的环境，这种环境为矿山控制系统的改造提供了新的思路。以矿山斜井绞车控制改造为例，来论述在矿山物联网中利用M2M的理念，通过构建逻辑系统，进行传统控制系统改造的方法。实践证明，M2M概念非常有利于对矿山己有控制系统进行改造和升级换代。

关键词：矿山物联网；逻辑系统；绞车；工业以太网

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）10-00-02

0 引 言

白庄煤矿综合自动化于2007年开始建设，系统传输网络采用1 000M工业以太网，建设内容包括：调度指挥中心建设、综合自动化网络建设、-430主排水泵房（9台泵）、井下-430变电所（53面柜子）、皮带运输线、斜井绞车监控、地面压风机监控、35 kV地面变电所、主副井提升机、主扇风机等系统监测接入环网运行。实现井下和地面各个生产系统和大型机电设备、供电系统、管网等的监控，实现全矿井的各种数据采集，使生产调度、经营管理、决策指挥网络化、信息化、科学化[1]。综合自动化的建设为矿山物联网建设打下了良好的基础，但综合自动化中以子系统接入的方式并不能完全满足矿山对传统控制系统进行改进的要求，需要用矿山物联网的概念来拓展煤矿综合自动化系统的应用[2-3]。

本文以矿山斜井绞车控制改造为例，来论述矿山物联网中M2M（物与物）的概念，并通过逻辑系统的构建，介绍进行传统控制系统改造的新方法。实践证明，物联网中M2M的概念非常有利于矿山己有控制系统的改造。

1 子系统接入与逻辑系统构建

图1所示是白庄煤矿综合自动化系统构成，基本实现的是子系统接入，而不是物的接入。在控制系统中，“物”包括传感器、执行器、控制器、被控对象以及系统中各种监测量等。所谓子系统接入就是当将某个控制系统中的所有这些“物”，联接成一个子系统（如通常的PLC控制系统），再接入到总体网络实现网络化的集控，这就称为子系统接入[3]。目前，煤矿综合自动化系统中绝大部分控制系统均采用的这种子系统接入方式。特点是系统结构简单，相对独立，应用比较广泛。但当需要进行系统改造或扩展时，需要对整个子系统进行升级、扩容，如增加PLC的I/O模块、扩展接线端子、扩大控制箱空间等。当受到子系统扩容能力的限制时，不得不推翻原控制系统重新设计。

与子系统接入相对应，矿山物联网强调“物”与“物”相联，即传感器、执行器、控制器等以某种方式直接接入主干传输网络，而不需要通过子系统控制器。这样的“物”布置灵活，适合快速布置、移动应用等场合，所构成的系统称作逻辑子系统[3]。

按照物联网M2M的理念，对原有矿山控制系统进行改造的问题，就是将新的“物”与原有的子系统如何相联接，并参与到控制逻辑中去的问题。白庄煤矿原有绞车控制系统比较简单，系统主要由主机（S7-200PLC）、张紧装置、梭车、尾轮、压绳轮、托绳轮、转向装置等组成。绞车操作工与信号工及沿线安全设施（挡车门、阻车器、道岔）操作工之间联系方式只有打点器及调度电话，信号相互独立，缺乏必要的联动和闭锁的功能，安全性差，地面与井下人员的信息沟通不及时，难以及时动态掌握绞车运行及巷道人员分布情况。

为了提高绞车运行的安全性，需要对原绞车控制系统进行改造，依照绞车运行轨迹及方向，新增传感器及执行器，实现防跑车安全设备、道岔指示信号、打点信号、行人信号等与绞车的运行联动控制和闭锁，并辅以语音通信与视频监控，确保斜巷绞车安全运行。

2 物联网环境下绞车控制系统改造方案

原绞车是用PLC控制的，新改造方案理所当然首先考虑按传统的PLC系统改造扩容方式，即增加I/O模块等。但原绞车控制系统过于简单，采用CPU 222：本机8DI/6DO，没有模拟量模块。新增的三道测速传感器及防跑车安全设备、道岔信号、打点信号、四道行人信号等需与绞车的运行实现联动控制和闭锁，I/O点远远超过原设计的扩容量，且需要模拟量模块，原控制箱空间不够，计算量也比较大。在原PLC控制系统基础上进行改造实际相当于推翻原控制系统，重新设计新的PLC控制系统，显然改造量较大，经济上也不合适，且影响生产时间较长。

图2 基于矿山物联网的绞车控制系统改造方案

利用矿山物联网M2M的概念，将原绞车PLC控制系统作为“物”的一个子集，新增传感器、执行器、控制器等直接接入主干传输网络，而不需要通过原PLC控制系统。在物联网的传输层和应用层实现物与物相联，构成新的控制系统。新的绞车控制系统方案如图2所示，矿山物联网的三层结构为：感知层，传输层，应用层。其中传输层采用综合自动化系统的1 000M工业以太主干传输网络。

其中原PLC控制系统在白庄煤矿综合自动化建设中己用CP243-1以太网模块联接到以太网，其他新增传感器、控制器等均通过RS 485转以太网接入到1 000M工业以太网，语音和视频分别通过相应的语音、视频网关接入以太网。

3 主要集成过程技术实现

新增传感器与控制器等通过NPort5150串口通信模块（RS 485转以太网模块）挂接到工业以太网将现场信号上行，由上位机KEPSERVER软件（OPCServer）进行数据采集和分析，传送至IFIX组态软件后通过工业以太网下行转发至现场S7-200PLC，从而实现整个数据采集、分析、传输、控制流程。

系统结构示意图如3所示，原理示意图如4所示。

4 绞车控制系统主要实现功能

改造后绞车控制系统主要实现以下功能：信号输入主要包含绞车去向、绞车位置、功能信号等部分。其中绞车信号包括上行、下行等信号。信号输出主要包含下行音响、显示信号，上行音响、显示信号，行人计数信号和电视显示器信号等。以下重点介绍行人监控、跑车捕捉和打点信号闭锁[5]。

图3 系统结构示意图

在上、下车场安装四个热释电红外行人传感器。以上车场为例：安装两个热释电红外行人探测器，根据两个探测器动作的先后判断人员是进入或走出巷道，同时对进出的人员进行统计，判断巷道中滞留的人数。此信号由数码管显示，并经网络送到PLC，进入闭锁控制逻辑。在绞车运行过程中，巷道入口的声音和灯光报警装置，提示行人禁止进入，如果有工人闯入巷道，行人信号会通过网络传输到PLC，主站将会发出语音报警，提示操作人员有人在绞车运行时闯入巷道，并在屏幕上显示出进入巷道的时间和位置，同时实现绞车停车闭锁。

图4 系统原理示意图

本次增加的跑车捕捉装置主要有雷达测速传感器、挡车栏，共设了三道测速与捕车装置。测速信号为模拟信号，能过网络传送到PLC，当测量到车辆超速时，判断为跑车，启动捕车控制器，拦阻车辆，有效防止造成危害矿井安全的事故。

斜井绞井通常是用打点信号进行现场人员与绞车司机之间的联络的。过去这种打点信号主要在人与人之间进行信息传递，并不参与到PLC控制逻辑中去，由于人的疏忽往往会造成操作错误，产生事故。通过网络传输，将这种打点信号变成PLC能理解的闭锁信号，参与到PLC控制逻辑中去，最大程度避免了绞车司机操作的人为失误。

5 结 语

M2M是物联网中非常重要的一个概念，用来实现物联网中物与物相联，而不管这个物是过去己经联接到物联网上，还是新加入到物联网中来的。充分利用好矿山物联网中M2M的概念，对矿山控制系统改造，体现矿山物联网服务性平台[6]的作用都是非常有意义的。本文以矿山斜井绞车控制改造为例，讨论了矿山物联网环境下，依照M2M的理念，通过逻辑系统的构建进行传统控制系统改造的方法，实现了绞车控制中的行人、捕车器及打点信号等的闭锁控制功能，提高了绞车运行的安全性，系统改造工作量小、经济、快速。实践证明，物联网中M2M的概念非常有利于对矿山己有控制系统进行改造和升级换代，也适应分布式网络化控制的发展趋势。

参考文献

[1]白庄煤矿. 白庄矿矿井安全生产自动化系统[R]. 2007.

[2]张申，丁恩杰，徐钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之二----感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化[J].工矿自动化，2010（11）：129-132.

[3]张申，丁恩杰，徐钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之三----感知矿山物联网的特征与关键技术[J].工矿自动化，2010（12）：117-121.

[4]西门子公司. S7-200中文编程手册[R].Siemens AG.2008.

[5]白庄煤矿项目课题组. 斜井轨道运输智能安全保护系统研究鉴定材料[R]. 2013

[6]张申，张滔.论矿山物联网的结构性平台与服务性平台[J].工矿自动化，2013，39（1）：34-38.

图3 系统结构示意图

在上、下车场安装四个热释电红外行人传感器。以上车场为例：安装两个热释电红外行人探测器，根据两个探测器动作的先后判断人员是进入或走出巷道，同时对进出的人员进行统计，判断巷道中滞留的人数。此信号由数码管显示，并经网络送到PLC，进入闭锁控制逻辑。在绞车运行过程中，巷道入口的声音和灯光报警装置，提示行人禁止进入，如果有工人闯入巷道，行人信号会通过网络传输到PLC，主站将会发出语音报警，提示操作人员有人在绞车运行时闯入巷道，并在屏幕上显示出进入巷道的时间和位置，同时实现绞车停车闭锁。

图4 系统原理示意图

本次增加的跑车捕捉装置主要有雷达测速传感器、挡车栏，共设了三道测速与捕车装置。测速信号为模拟信号，能过网络传送到PLC，当测量到车辆超速时，判断为跑车，启动捕车控制器，拦阻车辆，有效防止造成危害矿井安全的事故。

斜井绞井通常是用打点信号进行现场人员与绞车司机之间的联络的。过去这种打点信号主要在人与人之间进行信息传递，并不参与到PLC控制逻辑中去，由于人的疏忽往往会造成操作错误，产生事故。通过网络传输，将这种打点信号变成PLC能理解的闭锁信号，参与到PLC控制逻辑中去，最大程度避免了绞车司机操作的人为失误。

5 结 语

M2M是物联网中非常重要的一个概念，用来实现物联网中物与物相联，而不管这个物是过去己经联接到物联网上，还是新加入到物联网中来的。充分利用好矿山物联网中M2M的概念，对矿山控制系统改造，体现矿山物联网服务性平台[6]的作用都是非常有意义的。本文以矿山斜井绞车控制改造为例，讨论了矿山物联网环境下，依照M2M的理念，通过逻辑系统的构建进行传统控制系统改造的方法，实现了绞车控制中的行人、捕车器及打点信号等的闭锁控制功能，提高了绞车运行的安全性，系统改造工作量小、经济、快速。实践证明，物联网中M2M的概念非常有利于对矿山己有控制系统进行改造和升级换代，也适应分布式网络化控制的发展趋势。

参考文献

[1]白庄煤矿. 白庄矿矿井安全生产自动化系统[R]. 2007.

[2]张申，丁恩杰，徐钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之二----感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化[J].工矿自动化，2010（11）：129-132.

[3]张申，丁恩杰，徐钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之三----感知矿山物联网的特征与关键技术[J].工矿自动化，2010（12）：117-121.

[4]西门子公司. S7-200中文编程手册[R].Siemens AG.2008.

[5]白庄煤矿项目课题组. 斜井轨道运输智能安全保护系统研究鉴定材料[R]. 2013

[6]张申，张滔.论矿山物联网的结构性平台与服务性平台[J].工矿自动化，2013，39（1）：34-38.

图3 系统结构示意图

在上、下车场安装四个热释电红外行人传感器。以上车场为例：安装两个热释电红外行人探测器，根据两个探测器动作的先后判断人员是进入或走出巷道，同时对进出的人员进行统计，判断巷道中滞留的人数。此信号由数码管显示，并经网络送到PLC，进入闭锁控制逻辑。在绞车运行过程中，巷道入口的声音和灯光报警装置，提示行人禁止进入，如果有工人闯入巷道，行人信号会通过网络传输到PLC，主站将会发出语音报警，提示操作人员有人在绞车运行时闯入巷道，并在屏幕上显示出进入巷道的时间和位置，同时实现绞车停车闭锁。

图4 系统原理示意图

本次增加的跑车捕捉装置主要有雷达测速传感器、挡车栏，共设了三道测速与捕车装置。测速信号为模拟信号，能过网络传送到PLC，当测量到车辆超速时，判断为跑车，启动捕车控制器，拦阻车辆，有效防止造成危害矿井安全的事故。

斜井绞井通常是用打点信号进行现场人员与绞车司机之间的联络的。过去这种打点信号主要在人与人之间进行信息传递，并不参与到PLC控制逻辑中去，由于人的疏忽往往会造成操作错误，产生事故。通过网络传输，将这种打点信号变成PLC能理解的闭锁信号，参与到PLC控制逻辑中去，最大程度避免了绞车司机操作的人为失误。

5 结 语

M2M是物联网中非常重要的一个概念，用来实现物联网中物与物相联，而不管这个物是过去己经联接到物联网上，还是新加入到物联网中来的。充分利用好矿山物联网中M2M的概念，对矿山控制系统改造，体现矿山物联网服务性平台[6]的作用都是非常有意义的。本文以矿山斜井绞车控制改造为例，讨论了矿山物联网环境下，依照M2M的理念，通过逻辑系统的构建进行传统控制系统改造的方法，实现了绞车控制中的行人、捕车器及打点信号等的闭锁控制功能，提高了绞车运行的安全性，系统改造工作量小、经济、快速。实践证明，物联网中M2M的概念非常有利于对矿山己有控制系统进行改造和升级换代，也适应分布式网络化控制的发展趋势。

参考文献

[1]白庄煤矿. 白庄矿矿井安全生产自动化系统[R]. 2007.

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[3]张申，丁恩杰，徐钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之三----感知矿山物联网的特征与关键技术[J].工矿自动化，2010（12）：117-121.

[4]西门子公司. S7-200中文编程手册[R].Siemens AG.2008.

[5]白庄煤矿项目课题组. 斜井轨道运输智能安全保护系统研究鉴定材料[R]. 2013

[6]张申，张滔.论矿山物联网的结构性平台与服务性平台[J].工矿自动化，2013，39（1）：34-38.