基于PLC的煤矿井下监测系统设计

董青青

(陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

0 引言

煤矿资源是重要的常规能源和战略资源，中国煤炭资源丰富，高效安全的煤矿开采是钢铁、电力、化工等工业生产和居民生活的有力保障[1]。然而，煤矿开采环境恶劣，常含有大量瓦斯等易燃易爆气体，严重威胁着操作人员的生命安全，且矿难事故的发生会造成巨额经济损失[2]。因此，安全有效地对煤矿资源进行开采是工程机械实现的重点，同时也是学术研究的热点。随着工程机械、集成电路和电子信息等行业的发展，煤矿开采技术不断推陈出新，通过对煤矿开采环境中各种物理参数的实时准确监控，以确保煤矿开采环境的安全[3]。杨宁等[4]利用80C51单片机设计了便携式瓦斯浓度检测仪，实时检测环境瓦斯浓度，且当浓度超过阈值时可实现报警功能。王雄[5]基于分布式控制系统设计了煤矿井下探测机器人，可通过视频采集、环境信息采集及运动控制模块实现对煤矿井下物理参数的实时监控。利用集成电路及电子信息技术实现对煤矿开采环境的准确监控，是保证安全开发和利用煤气资源的重要方法，然而受限于煤矿开采环境限制，通常煤矿工作人员井下作业时间较长，监控设备对功耗、作业时间及信号传输稳定性等具有很高要求。因此，有效利用现代电力电子技术优化改进煤矿井下监测系统，保证监控设备运行的可靠性、物理参数采集的准确性和数据传输的稳定性，是推进煤矿行业健康持续发展的关键。

1 控制系统需求设计

为实现对煤矿井下环境相关物理参数的准确采集和监控，首先，对本文所涉及的控制系统需求进行分析，系统应具备对煤矿井下瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、温度湿度及其他有害气体等物理参数的实时准确采集。其次，由于煤矿井下空间范围广，需要实现对若干典型危险区域进行同步实时监控，要求被监测数据能够快速、准确地反馈至远程监控平台。最后，用户能够利用本控制系统把握煤矿井下工作环境，且针对某些特殊危险的工况状态能够做出应急处理预案。因此，针对监控系统整体需求，将设备对控制系统的具体需求归纳如下：

a.分布式控制系统(discrete control system,DCS)。根据煤矿井下工况条件可知，其需要实现不同典型空间范围内的物理参数采集，并对数据处理和决策，所以利用DCS(也称为离散控制系统)可以实现上述要求。

b.控制器级实时数据传输手段。DCS系统能够实现多节点数据的采集和处理，但各节点无法直接将数据分别传送至远程监控平台，所以需要总控制单元实现对各节点数据的获取后再将数据传送至远程监控平台。由此可见，实时的控制器级数据传输手段是实现煤矿井下监测系统的关键因素之一。

c.通过DCS控制系统可以获取通信网络中各节点的实时数据，控制器总机需要全部数据快速准确地传输至远程监控平台，以保证位于操作室的用户及时准确地掌握煤矿井下实时物理数据，且可以根据现场数据指导煤矿井下操作人员的作业。

d.系统需具有良好的柔性和可扩展性。目前,煤矿井下需要监控的物理参数包括温度湿度、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等气体的浓度，传感器与控制器间接口固化。随着电力电子和传感器采集技术的发展，传感器与控制器间接口可能有所变化，因此为保证系统对传感器技术的兼容性，需要控制节点具有良好的柔性和可扩展性。

根据以上对煤矿井下监测系统控制需求分析，设计了煤矿井下监测系统总体架构，如图1所示。其中，上位机控制器即远程监控平台的用户操作终端，通过网络传输媒介实现与下位机控制器的通信，下位机控制器通过传感器信息采集接口实现煤矿井下环境的物理参数获取，各控制节点间需要具有数据通信功能，可将各节点的数据汇总至与用户操作终端有物理连接的控制器节点中，以满足远程监控平台对各节点工况环境的监测。

图1 煤矿井下监测系统总体架构

2 基于PLC的控制系统实现

根据煤矿井下监测系统总体架构，需要实现系统硬件和软件设计，完成监测系统功能。针对远程监控平台，本文利用基于Windows操作系统的Microsoft Visual Studio应用软件，建立上位机控制器用户端监控界面：基于Windows操作系统的应用软件的可扩展性、兼容性和移植性较高，便于功能新增和变更；利用Microsoft Visual Studio应用软件可实现对本地计算机网卡的访问，通过TCP/IP协议与其他具有相同协议接口的网络通信装置进行数据交互；此种模式下上位机控制器能够对获取的数据进行批量处理，通过图形用户界面直观地反映物理参数的变化规律，有利于远程监控平台的操作人员观察和处理数据，并对突发、异常工况环境做出及时响应。

在此远程监控平台基础上，采用基于安川的MP2200控制器，实现下位机各节点对工况环境的物理参数监控。MP2200控制器具有良好的可扩展性，能够利用模块化硬件板卡配置实现不同功能需求，依照板载功能可将其分为通信类板卡(如RS232、RS422、RS485和TCP/IP以太网通信板卡等)、通用数字输入输出板卡(如DIO板卡)、模拟量输入输出板卡(如AI、AO板卡)和脉冲输入输出板卡(如PO、CNTR板卡)；除此之外，其具有出色的节点间通信能力，可利用SVB通信板卡实现M II总线(MECHETROLINK II)或M III总线(MECHETROLINK III)。M II总线是基于485总线开发的总线通信技术，最大传输速率为10 Mbit/s；M III总线是基于以太网的总线通信技术，最大传输速率为100 Mbit/s。因此，根据煤矿井下监测系统总体架构需求，基于MP2200控制器及其相关模块化硬件板卡，构建了图2所示的基于安川PLC的煤矿井下监测系统硬件平台。

图2 煤矿井下监测系统硬件平台

根据图2可知，首先，利用LIO和AO模块实现灯光开关和亮度的控制，利用AI模块能够完成对二氧化碳、一氧化碳及瓦斯气体的浓度检测；利用PO模块可触发烟雾报警传感器、硫化氢气体浓度传感器和温湿度传感器反馈数据，再利用CNTR模块读取上述传感器反馈的脉冲数量及宽度，据此可获取各节点传感器反馈数据。其次，SVB模块可将各节点获取的传感器反馈数据，汇总至与用户操作终端有物理连接的控制器节点中。最后，CPU模块再将外设通道采集的各传感器数据进行实时计算和转换，得到具有物理意义的传感器数据，并通过定时传输送方式将相关数据实时传输至上位机控制器。至此，本文所述硬件系统具备了采集多节点不同传感器数据的可能。

3 系统软件设计

根据基于PLC的控制系统硬件平台配置信息，系统软件主要包括上位机控制器软件和下位机控制器软件。上位机控制器软件基于Windows操作系统，采用Microsoft Visual Studio集成开发环境进行图形用户界面设计，利用软件自带的控件库搭建界面，实现人机交互。为实现上位机软件的核心TCP/IP网络通信功能，基于开发环境自带库函数操作计算机网卡，利用Socket机制实现网络数据通信。上位机软件的控制流程如图3所示。软件启动后首先进行数据和内存管理初始化；其次建立远程控制计算机与下位机控制器的网络通信；接着实时采集煤矿井下各节点所处工况环境物理参数，并根据采集的数据实时处理，判断是否有异常情况发生；最后根据异常情况的状态提示用户操作导向信息。

图3 上位机软件控制流程

下位机控制器采用安川提供的MPE720集成开发环境编制软件，其编程原理与通用PLC编程环境类似，采用梯形图实现对各硬件板卡的操作。综合考虑外设单元和通信单元对控制器实时性的需求，本文将控制器实时刷新周期定为50 ms，即每50 ms控制器对各节点数据进行采集，并汇总至用户操作终端有物理连接的控制器节点中，再通过此节点控制器将数据传送至计算机应用软件。众所周知，传统的Windows操作系统为非实时操作系统，因此本文针对非实时人机用户界面和实时控制器的通信问题，在控制器中建立了数据存储和刷新机制，当且仅当控制器中的数据添加至以太网报文中后，控制器才会释放相应数据，以此保证上位机界面与下位机控制器同步通信的功能需求。

下位机控制软件流程如图4所示。下位机控制器首先建立网络连接、内部总线并初始化内存管理单元；其次通过CPU模块操作外设接口获取本单元节点的传感器数据；再通过内部总线获取其他节点单元的传感器数据，若内部总线数据传输失败，则反馈报警代码并结束控制器程序，若内部总线数据传输成功，则建立内存同步机制；接着将下位机数据传送至上位机远程监控平台，若以太网通信失败，则反馈报警代码并结束控制器程序，若以太网通信成功，则继续获取本单元节点的传感器数据，并重复执行数据传输步骤。

图4 下位机控制器软件流程

4 试验验证

针对本文所述的基于PLC的煤矿井下监测系统，以MP2200控制器为基础搭建试验平台进行试验。表1为试验环境下所使用的传感器品牌、型号、类别及测量范围和单位。所选传感器是基于测量元件实现控制交互接口的模组，通常其控制交互接口为4～20 mA,0～5 V,0～10 V或脉冲形式。

通过基于PLC的控制系统硬件配置和上位机、下位机控制器软件操作流程，实现对煤矿井下模拟工况环境的实时物理参数传输和监控。图5为其工况环境的物理参数实时监控结果。由图5可知，监控数据显示在表1传感器的量程范围内，基于PLC的煤矿井下检测系统能够准确有效地实现数据监测。

表1 传感器选型

图5 工况环境物理参数实时监控结果

5 结束语

本文对煤矿井下工况条件进行分析，确定监测系统的控制需求，并根据需求论证系统的硬件和软件架构。采用基于PLC的模块化硬件配置，利用其网络通信、总线通信、模拟量输入输出、通用数字输入输出,以及脉冲输出和检测等模块，实现控制系统与远程监控平台、传感器及控制器的物理连接。通过Visual Studio集成开发环境编写上位机软件，通过PLC程序实现控制器与传感器的数据交互，最终通过试验验证所提方案的正确性。