基于PLC的煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董青青

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤礦資源是重要的常規(guī)能源和戰(zhàn)略資源，中國煤炭資源豐富，高效安全的煤礦開采是鋼鐵、電力、化工等工業(yè)生產(chǎn)和居民生活的有力保障[1]。然而，煤礦開采環(huán)境惡劣，常含有大量瓦斯等易燃易爆氣體，嚴(yán)重威脅著操作人員的生命安全，且礦難事故的發(fā)生會造成巨額經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，安全有效地對煤礦資源進(jìn)行開采是工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)，同時(shí)也是學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。隨著工程機(jī)械、集成電路和電子信息等行業(yè)的發(fā)展，煤礦開采技術(shù)不斷推陳出新，通過對煤礦開采環(huán)境中各種物理參數(shù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控，以確保煤礦開采環(huán)境的安全[3]。楊寧等[4]利用80C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了便攜式瓦斯?jié)舛葯z測儀，實(shí)時(shí)檢測環(huán)境瓦斯?jié)舛龋耶?dāng)濃度超過閾值時(shí)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。王雄[5]基于分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了煤礦井下探測機(jī)器人，可通過視頻采集、環(huán)境信息采集及運(yùn)動控制模塊實(shí)現(xiàn)對煤礦井下物理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用集成電路及電子信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對煤礦開采環(huán)境的準(zhǔn)確監(jiān)控，是保證安全開發(fā)和利用煤氣資源的重要方法，然而受限于煤礦開采環(huán)境限制，通常煤礦工作人員井下作業(yè)時(shí)間較長，監(jiān)控設(shè)備對功耗、作業(yè)時(shí)間及信號傳輸穩(wěn)定性等具有很高要求。因此，有效利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)，保證監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的可靠性、物理參數(shù)采集的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，是推進(jìn)煤礦行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 控制系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對煤礦井下環(huán)境相關(guān)物理參數(shù)的準(zhǔn)確采集和監(jiān)控，首先，對本文所涉及的控制系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，系統(tǒng)應(yīng)具備對煤礦井下瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、溫度濕度及其他有害氣體等物理參數(shù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集。其次，由于煤礦井下空間范圍廣，需要實(shí)現(xiàn)對若干典型危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行同步實(shí)時(shí)監(jiān)控，要求被監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠快速、準(zhǔn)確地反饋至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。最后，用戶能夠利用本控制系統(tǒng)把握煤礦井下工作環(huán)境，且針對某些特殊危險(xiǎn)的工況狀態(tài)能夠做出應(yīng)急處理預(yù)案。因此，針對監(jiān)控系統(tǒng)整體需求，將設(shè)備對控制系統(tǒng)的具體需求歸納如下：

a.分布式控制系統(tǒng)(discrete control system,DCS)。根據(jù)煤礦井下工況條件可知，其需要實(shí)現(xiàn)不同典型空間范圍內(nèi)的物理參數(shù)采集，并對數(shù)據(jù)處理和決策，所以利用DCS(也稱為離散控制系統(tǒng))可以實(shí)現(xiàn)上述要求。

b.控制器級實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸手段。DCS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理，但各節(jié)點(diǎn)無法直接將數(shù)據(jù)分別傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，所以需要總控制單元實(shí)現(xiàn)對各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取后再將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。由此可見，實(shí)時(shí)的控制器級數(shù)據(jù)傳輸手段是實(shí)現(xiàn)煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。

c.通過DCS控制系統(tǒng)可以獲取通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制器總機(jī)需要全部數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，以保證位于操作室的用戶及時(shí)準(zhǔn)確地掌握煤礦井下實(shí)時(shí)物理數(shù)據(jù)，且可以根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)指導(dǎo)煤礦井下操作人員的作業(yè)。

d.系統(tǒng)需具有良好的柔性和可擴(kuò)展性。目前,煤礦井下需要監(jiān)控的物理參數(shù)包括溫度濕度、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫等氣體的濃度，傳感器與控制器間接口固化。隨著電力電子和傳感器采集技術(shù)的發(fā)展，傳感器與控制器間接口可能有所變化，因此為保證系統(tǒng)對傳感器技術(shù)的兼容性，需要控制節(jié)點(diǎn)具有良好的柔性和可擴(kuò)展性。

根據(jù)以上對煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)控制需求分析，設(shè)計(jì)了煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。其中，上位機(jī)控制器即遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的用戶操作終端，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)控制器的通信，下位機(jī)控制器通過傳感器信息采集接口實(shí)現(xiàn)煤礦井下環(huán)境的物理參數(shù)獲取，各控制節(jié)點(diǎn)間需要具有數(shù)據(jù)通信功能，可將各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總至與用戶操作終端有物理連接的控制器節(jié)點(diǎn)中，以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺對各節(jié)點(diǎn)工況環(huán)境的監(jiān)測。

圖1 煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 基于PLC的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)，需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，完成監(jiān)測系統(tǒng)功能。針對遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，本文利用基于Windows操作系統(tǒng)的Microsoft Visual Studio應(yīng)用軟件，建立上位機(jī)控制器用戶端監(jiān)控界面：基于Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的可擴(kuò)展性、兼容性和移植性較高，便于功能新增和變更；利用Microsoft Visual Studio應(yīng)用軟件可實(shí)現(xiàn)對本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡的訪問，通過TCP/IP協(xié)議與其他具有相同協(xié)議接口的網(wǎng)絡(luò)通信裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；此種模式下上位機(jī)控制器能夠?qū)Λ@取的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，通過圖形用戶界面直觀地反映物理參數(shù)的變化規(guī)律，有利于遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的操作人員觀察和處理數(shù)據(jù)，并對突發(fā)、異常工況環(huán)境做出及時(shí)響應(yīng)。

在此遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺基礎(chǔ)上，采用基于安川的MP2200控制器，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)各節(jié)點(diǎn)對工況環(huán)境的物理參數(shù)監(jiān)控。MP2200控制器具有良好的可擴(kuò)展性，能夠利用模塊化硬件板卡配置實(shí)現(xiàn)不同功能需求，依照板載功能可將其分為通信類板卡(如RS232、RS422、RS485和TCP/IP以太網(wǎng)通信板卡等)、通用數(shù)字輸入輸出板卡(如DIO板卡)、模擬量輸入輸出板卡(如AI、AO板卡)和脈沖輸入輸出板卡(如PO、CNTR板卡)；除此之外，其具有出色的節(jié)點(diǎn)間通信能力，可利用SVB通信板卡實(shí)現(xiàn)M II總線(MECHETROLINK II)或M III總線(MECHETROLINK III)。M II總線是基于485總線開發(fā)的總線通信技術(shù)，最大傳輸速率為10 Mbit/s；M III總線是基于以太網(wǎng)的總線通信技術(shù)，最大傳輸速率為100 Mbit/s。因此，根據(jù)煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)需求，基于MP2200控制器及其相關(guān)模塊化硬件板卡，構(gòu)建了圖2所示的基于安川PLC的煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺。

圖2 煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺

根據(jù)圖2可知，首先，利用LIO和AO模塊實(shí)現(xiàn)燈光開關(guān)和亮度的控制，利用AI模塊能夠完成對二氧化碳、一氧化碳及瓦斯氣體的濃度檢測；利用PO模塊可觸發(fā)煙霧報(bào)警傳感器、硫化氫氣體濃度傳感器和溫濕度傳感器反饋數(shù)據(jù)，再利用CNTR模塊讀取上述傳感器反饋的脈沖數(shù)量及寬度，據(jù)此可獲取各節(jié)點(diǎn)傳感器反饋數(shù)據(jù)。其次，SVB模塊可將各節(jié)點(diǎn)獲取的傳感器反饋數(shù)據(jù)，匯總至與用戶操作終端有物理連接的控制器節(jié)點(diǎn)中。最后，CPU模塊再將外設(shè)通道采集的各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，得到具有物理意義的傳感器數(shù)據(jù)，并通過定時(shí)傳輸送方式將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)控制器。至此，本文所述硬件系統(tǒng)具備了采集多節(jié)點(diǎn)不同傳感器數(shù)據(jù)的可能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)基于PLC的控制系統(tǒng)硬件平臺配置信息，系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)控制器軟件和下位機(jī)控制器軟件。上位機(jī)控制器軟件基于Windows操作系統(tǒng)，采用Microsoft Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行圖形用戶界面設(shè)計(jì)，利用軟件自帶的控件庫搭建界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件的核心TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信功能，基于開發(fā)環(huán)境自帶庫函數(shù)操作計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡，利用Socket機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)軟件的控制流程如圖3所示。軟件啟動后首先進(jìn)行數(shù)據(jù)和內(nèi)存管理初始化；其次建立遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)與下位機(jī)控制器的網(wǎng)絡(luò)通信；接著實(shí)時(shí)采集煤礦井下各節(jié)點(diǎn)所處工況環(huán)境物理參數(shù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，判斷是否有異常情況發(fā)生；最后根據(jù)異常情況的狀態(tài)提示用戶操作導(dǎo)向信息。

圖3 上位機(jī)軟件控制流程

下位機(jī)控制器采用安川提供的MPE720集成開發(fā)環(huán)境編制軟件，其編程原理與通用PLC編程環(huán)境類似，采用梯形圖實(shí)現(xiàn)對各硬件板卡的操作。綜合考慮外設(shè)單元和通信單元對控制器實(shí)時(shí)性的需求，本文將控制器實(shí)時(shí)刷新周期定為50 ms，即每50 ms控制器對各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并匯總至用戶操作終端有物理連接的控制器節(jié)點(diǎn)中，再通過此節(jié)點(diǎn)控制器將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件。眾所周知，傳統(tǒng)的Windows操作系統(tǒng)為非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因此本文針對非實(shí)時(shí)人機(jī)用戶界面和實(shí)時(shí)控制器的通信問題，在控制器中建立了數(shù)據(jù)存儲和刷新機(jī)制，當(dāng)且僅當(dāng)控制器中的數(shù)據(jù)添加至以太網(wǎng)報(bào)文中后，控制器才會釋放相應(yīng)數(shù)據(jù)，以此保證上位機(jī)界面與下位機(jī)控制器同步通信的功能需求。

下位機(jī)控制軟件流程如圖4所示。下位機(jī)控制器首先建立網(wǎng)絡(luò)連接、內(nèi)部總線并初始化內(nèi)存管理單元；其次通過CPU模塊操作外設(shè)接口獲取本單元節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)；再通過內(nèi)部總線獲取其他節(jié)點(diǎn)單元的傳感器數(shù)據(jù)，若內(nèi)部總線數(shù)據(jù)傳輸失敗，則反饋報(bào)警代碼并結(jié)束控制器程序，若內(nèi)部總線數(shù)據(jù)傳輸成功，則建立內(nèi)存同步機(jī)制；接著將下位機(jī)數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，若以太網(wǎng)通信失敗，則反饋報(bào)警代碼并結(jié)束控制器程序，若以太網(wǎng)通信成功，則繼續(xù)獲取本單元節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)，并重復(fù)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸步驟。

圖4 下位機(jī)控制器軟件流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對本文所述的基于PLC的煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)，以MP2200控制器為基礎(chǔ)搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)。表1為試驗(yàn)環(huán)境下所使用的傳感器品牌、型號、類別及測量范圍和單位。所選傳感器是基于測量元件實(shí)現(xiàn)控制交互接口的模組，通常其控制交互接口為4～20 mA,0～5 V,0～10 V或脈沖形式。

通過基于PLC的控制系統(tǒng)硬件配置和上位機(jī)、下位機(jī)控制器軟件操作流程，實(shí)現(xiàn)對煤礦井下模擬工況環(huán)境的實(shí)時(shí)物理參數(shù)傳輸和監(jiān)控。圖5為其工況環(huán)境的物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果。由圖5可知，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示在表1傳感器的量程范圍內(nèi)，基于PLC的煤礦井下檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測。

表1 傳感器選型

圖5 工況環(huán)境物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果

5 結(jié)束語

本文對煤礦井下工況條件進(jìn)行分析，確定監(jiān)測系統(tǒng)的控制需求，并根據(jù)需求論證系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)。采用基于PLC的模塊化硬件配置，利用其網(wǎng)絡(luò)通信、總線通信、模擬量輸入輸出、通用數(shù)字輸入輸出,以及脈沖輸出和檢測等模塊，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺、傳感器及控制器的物理連接。通過Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境編寫上位機(jī)軟件，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)控制器與傳感器的數(shù)據(jù)交互，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證所提方案的正確性。