基于PLC與無線傳感網絡的煤礦安全生產監控系統設計

畢志霖

（大同煤礦集團同生精通興旺煤業有限公司，山西大同 037000）

0 引言

煤礦安全生產監控系統在煤炭開采、運輸過程中扮演著非常重要的作用，穩定可靠的監控系統可以保障煤礦高效、安全、有序地運轉。目前煤礦安全監控系統檢測的信息大多通過各種總線方式進行傳輸，有線網絡的布設依然是主流方式，但是煤礦井下環境相當復雜，巷道來回交叉，要求總線跟隨巷道的變化進行安裝，增加了布線成本，可擴展性低，監控節點往往不能覆蓋礦井的每個角落，存在一定的盲區；同時，電纜經常會遭受拉、壓、擠、砸等情況，一旦發生故障，對于煤礦是極大的威脅[1-2]。本文針對上述問題與不足，基于PLC控制技術、ZIGBEE無線傳感技術、傳感器檢測技術、上位機組態技術，提出一種新型的煤礦安全生產監控系統，可將礦井下各種環境參數、設備運行參數通過無線傳感網絡傳輸到地面，并根據監測到的數據控制井下的設備運行，有效解決了上述問題。

1 煤礦安全生產監控系統總體方案設計

設計的基于PLC與ZIGBEE無線傳感網絡的煤礦安全生產監控系統總體方案如圖1所示。整個監控系統主要由地面監控中心、PLC控制系統、ZIGBEE協調器、數據采集分節點、控制執行機構組成。其中，數據采集分節點負責檢測礦井下的溫度、CO濃度、風速等環境信息以及設備開停狀態并進行實時顯示、報警，并通過ZIGBEE網絡與協調器通信；PLC控制系統主要實現各類檢測信息的上傳以及控制指令的下達，起著承上啟下的作用；ZIGBEE協調器主節點主要負責匯聚數據采集分節點的信息，并將信息傳送給PLC控制系統，其與PLC控制系統通過RS232轉RS485通信方式進行連接[3]；控制執行機構主要是當礦井下發生緊急情況時，使某些電器設備斷電，停止運行；地面監控中心主要完成對PLC控制系統傳來的檢測信息的參數顯示、報警，并進行故障分析，執行相應的設備保護操作。

圖1 煤礦安全生產監控系統總體方案設計

2 硬件方案設計與選型

2.1 PLC控制器選型

煤礦安全生產監控系統把從協調器主節點收集到的礦井環境參數以及設備運行參數傳輸給PLC控制系統，PLC將信息上傳給上位機并根據預設參數對相應的控制執行機構進行控制。根據本系統的輸入和輸出需求，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，并配合一個輸入量擴展模塊，型號為EM221。CPU226模塊擁有16個數字輸出口和24個數字量輸入口，配合EM221的8個輸入口，完全可以滿足監控系統的需求[4]。

2.2 煤礦數據采集節點硬件設計

煤礦數據采集節點方案如圖2所示。數據采集節點主要由液晶顯示模塊、各類礦用傳感器、無線通信模塊、電源管理模塊組成，主要實現對礦井的溫度、煙霧、壓力等環境參數以及設備運行工況信息的無線遠程傳輸。無線通信模塊選用TI公司生產的CC2530芯片實現ZIGBEE組網通信。CC2530是一個真正用于IEEE 802.15.4的ZigBee片上系統解決方案，能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點[5]，協調器主節點同樣選擇CC2530芯片。PLC與CC2530之間通過CP340模塊進行串口通信，電源管理模塊主要為各類礦用傳感器，液晶顯示模塊和無線通信模塊提供電源。

圖2 煤礦數據采集節點方案

2.3 礦用傳感器選型

監控系統離不開各類礦用傳感器，需采集各種環境參數以及設備運行工況，本系統需檢測的參數較多，具體選型如下。（1） 甲烷傳感器。選用型號為GJC4的甲烷傳感器，它可以自動將井下沼氣濃度連續轉換成標準電信號輸送給數據采集節點，并具有報警功能。（2） 溫度傳感器。選用型號為KGW5的溫度傳感器，用于檢測煤礦井下的環境溫度，能與各種監控系統配套使用。（3） 煙霧傳感器。選擇型號為GQQ5礦井煙霧傳感器，用于檢測礦井下因機械磨擦、電纜發熱、煤層自燃等原因引起的煙霧。（4） 設備開停傳感器。選擇型號為GKT18的設備開停傳感器，用來監測供電電流大于5 A的各種交流驅動機電設備。（5） CO傳感器。選擇型號為KGA3的電化學式CO傳感器，該傳感器穩定性高，靈敏度好，測量范圍寬，可與煤礦安全監控系統配套使用。（6） 水位傳感器。選擇型號為KGU9的水位傳感器，該傳感器是一種投入式傳感器，可用于檢測礦井下水倉、管道等地方的水位。（7） 壓力傳感器。選擇型號為KGY4的壓力傳感器，可對礦井風機、風門密閉、通風巷道等地進行差壓連續監測。（8） 風速傳感器。選擇型號為GFY15的風速傳感器，主要用于連續監測礦井通風總回風巷、井下主要測風站、扇風機等處的風速。（9） 風門開閉傳感器。選擇型號為KG1012的風門開閉傳感器，該傳感器是一種檢測煤礦井下風門開、關狀態的裝置。該系統設計選用的所有的井下礦用傳感器均為本質安全兼隔爆型設備，供電電源都是本質安全電源[6]。

3 軟件方案設計

3.1 下位機程序設計

下位機程序設計主要包括主程序設計和中斷服務程序設計兩部分。其中，主程序主要負責對礦井下的各種環境參數以及設備運行工況進行檢測、信息采集，并將采集的信息通過無線傳感網絡傳輸給PLC控制器，進而上傳給地面監控主站。礦井監控分站下位機主程序流程圖如圖3所示。主程序又包含一系列子程序，包括聲光報警程序、液晶顯示程序、無線通信收發程序、CAN總線收發程序、A/D采樣轉換程序、執行機構控制程序等；中斷服務程序主要為了應對地面監控主站而而設計，當地面監控主站發出控制指令時，中斷服務程序便會啟動[7]。

圖3 礦井監控分站下位機主程序流程圖

3.2 上位機監控系統設計

地面監控主站是基于計算機技術、組態軟件技術、數據庫技術經過二次開發形成的。組態軟件是工業數據采集與過程控制的專用開發平臺，其采用圖形化界面，用戶可以根據項目需求任意組態，就可以實現項目功能[8]。監控軟件的設計采用了模塊化的設計思想，整個軟件由多個監控模塊組成：數據處理模塊、控制模塊、報表模塊、曲線模塊、報警模塊、參數設置模塊等。另外，組態軟件與SQL Server連接，系統可將檢測信息存儲在數據庫中，數據庫可保存歷史數據。

煤礦安全監控軟件提供一套完整的煤礦監控功能，可對甲烷濃度、風速、CO濃度、溫度、風壓、水位差、設備開停等參數進行監控，并提供數據分析，數據顯示，打印結果，查詢分析，提供實時數據存儲，報警，顯示，打印井下安全狀況等功能。監控軟件主界面示意圖如圖4所示。

圖4 監控軟件主界面示意圖

4 結束語

本文在分析傳統煤礦安全生產監控系統存在諸多不足的基礎上，借助無線傳感網絡技術、PLC控制技術、傳感器檢測技術、組態軟件技術等，設計了一種基于PLC與ZIGBEE無線傳感網絡的煤礦安全生產監控系統。本系統將各種礦用傳感器和無線傳感網絡相結合，實現對井下傳感器檢測信息的無線傳輸，有效避免了有線布設繁瑣、電纜傳輸故障多的問題；設計的上位機監控軟件可對井下的環境參數及設備運行狀況進行實時監控，當礦井環境及設備出現異常時，實現自動報警，滿足了煤礦企業對煤礦安全生產監控系統的需求。