基于CP1E與礦用變送器的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

田志勇 黃忠慧

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310053)

基于CP1E與礦用變送器的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

田志勇 黃忠慧

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310053)

闡述了礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)，針對(duì)礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)，基于CP1E與相關(guān)礦用變送器，提出了礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法，構(gòu)建了礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了智能傳感模塊和CP1E的硬件接口連接方式，并給出了采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程。該系統(tǒng)的硬件和軟件具有較強(qiáng)的通用性和穩(wěn)定性，信號(hào)采集精度高。運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)可靠，適合于工況復(fù)雜的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)，在礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

礦井 安全監(jiān)測(cè) CP1E 變送器

礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下巷道中CO、瓦斯、風(fēng)速、氣壓等重要環(huán)境參數(shù)的變化，是礦井的重要組成部分。目前運(yùn)行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多為封閉系統(tǒng)，主要采集單一參數(shù)并進(jìn)行分析，這會(huì)造成重復(fù)鋪設(shè)井下通信電纜、通信協(xié)議互不兼容、監(jiān)測(cè)軟件重復(fù)設(shè)計(jì)等弊端，影響礦井安全監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主要功能

根據(jù)當(dāng)前礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的弊端，結(jié)合福建某金銀伴生礦的狀況，構(gòu)建了基于CP1E與礦用變送器的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)基于PLC技術(shù)，集中采集各種環(huán)境參數(shù)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)機(jī)組與備份機(jī)組的數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖1中，根據(jù)井下巷道分布，設(shè)置了5個(gè)采集箱，每個(gè)采集箱以PLC、模擬量采集擴(kuò)展模塊以及相關(guān)測(cè)量變送器組成，采集CO、風(fēng)速、氣壓等各個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在1#、3#2個(gè)采集箱采集通風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)。5個(gè)采集箱采用485通信方式實(shí)現(xiàn)PC-LINK數(shù)據(jù)鏈接通信，通過光纖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變送器模塊

變送器模塊由風(fēng)速傳感器、氣壓傳感器與CO傳感器組成。風(fēng)速傳感器采用礦用GFW15型風(fēng)速傳感器，氣壓傳感器器采用礦用兩線輸出制ND-5型氣壓變送器，CO變送器采用礦用ND-1型CO變送器，如圖2所示。

圖2 礦用變送器模塊

變送器的技術(shù)指標(biāo)如表1、表2、表3所示。

表1 GFW15型風(fēng)速變送器主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 變送器輸出接線

兩線制變送器與三線制變送器的供電與輸出接線如圖3所示。圖3中，AIx+、AIx-分別接采集模塊的信號(hào)輸入端，信號(hào)傳輸距離超過1 000 m。

表2 ND-5型氣壓變送器主要技術(shù)指標(biāo)

表3 ND-1型CO變送器主要技術(shù)指標(biāo)

圖3 變送器接線

2.3 信號(hào)采集模塊

基于PLC技術(shù)，設(shè)計(jì)信號(hào)采集模塊。與常規(guī)的采集系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。采用內(nèi)置2路模擬量輸入的可編程序控制器CP1E-NA20-A，模擬量轉(zhuǎn)換精度為1/6 000，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 ms，可以同同類終端進(jìn)行485通信，通信距離可達(dá)1 200 m，滿足系統(tǒng)要求。CP1E最多可以擴(kuò)展3塊CP1W-AD041，即1個(gè)CP1E加擴(kuò)展模塊最多可以提供14路模擬量輸入，14路模擬量輸入采集模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采集模塊結(jié)構(gòu)

CP1E-NA20接口電路如圖5、圖6所示。在圖5中，05、11分別接主扇或局扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)KM2與KM1，2路(90、91)模擬量輸入通道分別接2路傳感器信號(hào)AI1與AI2。由于傳感器輸出信號(hào)為電流信號(hào)，故90通道的IIN0與VIN0短接之后接AI1+，COM0接AI1-，91通道亦相同方式接AI2。在圖6中，利用CP1E內(nèi)置的24 V電源為開關(guān)量輸入口供電，并在輸出口提供現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信號(hào)。

圖5 CP1E-NA20輸入接口電路

圖6 CP1E-NA20輸出接口電路

CP1W-AD041接口電路如圖7所示。CP1W-AD041是CP1H系列PLC的4路模擬量輸入擴(kuò)展單元，轉(zhuǎn)換精度為1/6 000。CP1W-AD041接線如表4所示，在表4中，“+”表示短接。

圖7 CP1W-AD041輸入接口電路

模塊端子VIN1+IIN1COM1VIN2+IIN2COM2VIN3+IIN3COM3VIN4+IIN4COM4傳感器端子AI3+AI3-AI4+AI4-AI5+AI5-AI6+AI6-

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為正確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要包括CP1E內(nèi)置模擬量的設(shè)置、CP1W-AD041的設(shè)置以及相關(guān)程序的編寫。

3.1 設(shè)置CP1E內(nèi)置模擬量

CP1E內(nèi)置模擬量設(shè)置如圖8所示，在PLC的設(shè)置—內(nèi)置AD/DA中勾選AD0CH、AD1CH，量程選擇4～20 mA。設(shè)置完畢，下載并重新上電使設(shè)置生效。AD0CH、AD1CH對(duì)應(yīng)90、91通道。

圖8 設(shè)置CP1E內(nèi)置模擬量

3.2 設(shè)置CP1W-AD041

圖4中，1#、2#、3#CP1W-AD041的模擬量輸入地址是1CH-3CH、4CH-7CH與8CH-9CH。為了使CP1W-AD041能夠轉(zhuǎn)換模擬量必須設(shè)定量程控制字，通過將量程控制字寫入到模擬量輸入單元的輸出通道內(nèi)來實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)范圍的設(shè)定。量程控制字設(shè)定如表5所示。CP1W-AD041通過連接適當(dāng)?shù)亩俗觼磉x擇電壓/電流輸入，在程序執(zhí)行的第1個(gè)掃描周期將量程控制字寫入到模擬量輸入單元的輸出通道(n+1，n+2)中，設(shè)置要求如表5、表6所示。根據(jù)表6以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求，設(shè)置字應(yīng)為#80EE。

表5 CP1W-AD041設(shè)置字通道

表6 CP1W-AD041控制字

3.3 程序設(shè)計(jì)

采集程序(部分)如圖9所示。圖9(a)所示程序?yàn)榘言O(shè)置字#80EE寫入101、102通道中，設(shè)置1#CP1W-AD041，把設(shè)置字#80EE寫入103、104通道中，設(shè)置2#CP1W-AD041，把設(shè)置字#80EE寫入105、106通道中，設(shè)置3#CP1W-AD041。圖9(b)所示程序?yàn)閿嗑€檢測(cè)，當(dāng)對(duì)應(yīng)輸入端的信號(hào)斷線時(shí)，該通道轉(zhuǎn)換值為#8000，則相應(yīng)標(biāo)志位為1。詳細(xì)程序不再贅述。

圖9 采集程序(部分)

4 系統(tǒng)運(yùn)行分析與結(jié)論

基于PLC技術(shù)，構(gòu)建分布式礦井環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，集中采集礦井中測(cè)點(diǎn)分散的不同參數(shù)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采樣精度高、速度快，并能在線進(jìn)行線路故障監(jiān)測(cè)，適合于工況復(fù)雜的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)，性價(jià)比較高。該集中式參數(shù)采集方法也是一種智能化的通用方法，對(duì)其他的監(jiān)測(cè)類系統(tǒng)同樣適用。

[1] 王冬梅.基于PLC和智能傳感模塊的礦井安全參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].礦山機(jī)械,2010(38)：67-69. Wang Dongmei.Monitoring system for mine safety parameters based on PLC and intelligent sensor module[J].Mining & Processing Equipment2010(38):67-69.

[2] 何學(xué)文,孫 汗,曹清梅.金屬礦井無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].金屬礦山,2014(3):116-119. He Xuewen,Sun Han,Cao Qingmei.Design on wireless temperature and humidity monitoring system of metal mine[J].Metal Mine,2014(3)：116-119.

[3] 何 朋,宋衛(wèi)東,雷遠(yuǎn)坤,等.礦山地壓災(zāi)害應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].礦業(yè)工程,2013(1)：47-49. He Peng,Song Weidong,Lei Yuankun,et al.Research of application of earth pressure disaster on-line monitoring & alarming system[J].Mining Engineering,2013(1)：47-49.

[4] 陳永鋒,謝小明.礦山安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型研究[J].金屬礦山,2006(2)：69-71. Chen Yongfeng,Xie Xiaoming.Study on mine safety production monitoring system[J].Metal Mine,2006(2)：69-71.

[5] 唐海燕,余成波,張一萌.基于WSN的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011(5)：105-109. Tang Haiyan,Yu Chengbo，Zhang Yimeng.Environmental monitoring system for mine based on WSN[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2011(5)：105-109.

[6] 張平方.礦井監(jiān)控系統(tǒng)在安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2004(1)：50-51. Zhang Pingfang.Application of monitoring and control system in mine safety and production[J].Industry and Mine Automation,2004(1)：50-51.

[7] 付華科,任子暉,李偉濼.基于單片機(jī)的礦井瓦斯?jié)舛燃皽囟缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010(7)：87-91. Fu Huake,Ren Zihui,Li Weiluo.Design of coal mine gas concentration and temperature monitoring system based on microcomputer[J].Instrument Technique and Sensor,2010(7)：87-91.

[8] 石進(jìn)水,王益軍.基于 S7-300 PLC 的礦井主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].礦山機(jī)械,2011(1):33-35. Shi Jinshui,Wang Yijun.Intelligent monitoring system for main fans in mines based on S7-300 PLC[J].Mining & Processing Equipment,2011(1)：33-35.

[9] 謝賢平,段在鵬.多風(fēng)機(jī)多級(jí)機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局優(yōu)化研究[J].金屬礦山,2009(7)：147-150. Xie Xianping,Duan Zaipeng.Optimization of the layout of monitoring points for multi-ventilator and multi-fan station ventilation system[J].Metal Mine,2009(7)：147-150.

[10] 石 零,余新明,楊偉忠,等.礦山井下環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2012(3)：48-50. Shi Ling,Yu Xinming,Yang Weizhong,et al.Mine underground environment quality monitoring[J].Industrial Safety and Environmental Protection,2012(3):48-50.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Data Acquisition System for Mine Environment Based on CP1E and Mine Transmitter

Tian Zhiyong Huang Zhonghui

(InstituteofElectricalandElectronicsEngineering,ZhejiangInstituteofMechanicalandElectricalEngineering，Hangzhou310053,China)

The work principle and character of mine environment monitoring system are described．Aiming at the mine environment monitoring,the design thought and realization method of hardware and software for the data acquisition system for mine environment are proposed based on CP1E and related mine transmitter module,and data acquisition system for mine environment is built.The hardware interface connection of intelligent sensor module and CP1E is introduced in detail，and the software design process for the system is given．The hardware and software of this system has strong versatility and stability with a high accuracy grade of data acquisition.The practice shows that the system runs stably and data acquisition in real time by this system is reliable.So it is suitable for complicated mine environment monitor,and has a certain application value in mine environment monitoring.

Mine,Safety monitoring,CP1E,Transmitter

2014-10-18

浙江省科技廳公益技術(shù)研究社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(編號(hào)：2014C33035)，浙江省滑動(dòng)軸承工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(編號(hào)：2012E10028)。

田志勇(1976—)，男，副教授，碩士。

TD76

A

1001-1250(2015)-03-152-04