董青青

(陜西能源職業(yè)技術學院，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)生會造成巨額經濟損失[2]。因此，安全有效地對煤礦資源進行開采是工程機械實現的重點，同時也是學術研究的熱點。隨著工程機械、集成電路和電子信息等行業(yè)的發(fā)展，煤礦開采技術不斷推陳出新，通過對煤礦開采環(huán)境中各種物理參數的實時準確監(jiān)控，以確保煤礦開采環(huán)境的安全[3]。楊寧等[4]利用80C51單片機設計了便攜式瓦斯?jié)舛葯z測儀，實時檢測環(huán)境瓦斯?jié)舛龋耶敐舛瘸^閾值時可實現報警功能。王雄[5]基于分布式控制系統(tǒng)設計了煤礦井下探測機器人，可通過視頻采集、環(huán)境信息采集及運動控制模塊實現對煤礦井下物理參數的實時監(jiān)控。利用集成電路及電子信息技術實現對煤礦開采環(huán)境的準確監(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)時間較長，監(jiān)控設備對功耗、作業(yè)時間及信號傳輸穩(wěn)定性等具有很高要求。因此，有效利用現代電力電子技術優(yōu)化改進煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)，保證監(jiān)控設備運行的可靠性、物理參數采集的準確性和數據傳輸的穩(wěn)定性，是推進煤礦行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的關鍵。

1 控制系統(tǒng)需求設計

為實現對煤礦井下環(huán)境相關物理參數的準確采集和監(jiān)控，首先，對本文所涉及的控制系統(tǒng)需求進行分析，系統(tǒng)應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的實時準確采集。其次，由于煤礦井下空間范圍廣，需要實現對若干典型危險區(qū)域進行同步實時監(jiān)控，要求被監(jiān)測數據能夠快速、準確地反饋至遠程監(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的工況狀態(tài)能夠做出應急處理預案。因此，針對監(jiān)控系統(tǒng)整體需求，將設備對控制系統(tǒng)的具體需求歸納如下：

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

b.控制器級實時數據傳輸手段。DCS系統(tǒng)能夠實現多節(jié)點數據的采集和處理，但各節(jié)點無法直接將數據分別傳送至遠程監(jiān)控平臺，所以需要總控制單元實現對各節(jié)點數據的獲取后再將數據傳送至遠程監(jiān)控平臺。由此可見，實時的控制器級數據傳輸手段是實現煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵因素之一。

c.通過DCS控制系統(tǒng)可以獲取通信網絡中各節(jié)點的實時數據，控制器總機需要全部數據快速準確地傳輸至遠程監(jiān)控平臺，以保證位于操作室的用戶及時準確地掌握煤礦井下實時物理數據，且可以根據現場數據指導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展性。目前,煤礦井下需要監(jiān)控的物理參數包括溫度濕度、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)對傳感器技術的兼容性，需要控制節(jié)點具有良好的柔性和可擴展性。

根據以上對煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)控制需求分析，設計了煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)總體架構，如圖1所示。其中，上位機控制器即遠程監(jiān)控平臺的用戶操作終端，通過網絡傳輸媒介實現與下位機控制器的通信，下位機控制器通過傳感器信息采集接口實現煤礦井下環(huán)境的物理參數獲取，各控制節(jié)點間需要具有數據通信功能，可將各節(jié)點的數據匯總至與用戶操作終端有物理連接的控制器節(jié)點中，以滿足遠程監(jiān)控平臺對各節(jié)點工況環(huán)境的監(jiān)測。

圖1 煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)總體架構

2 基于PLC的控制系統(tǒng)實現

根據煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)總體架構，需要實現系統(tǒng)硬件和軟件設計，完成監(jiān)測系統(tǒng)功能。針對遠程監(jiān)控平臺，本文利用基于Windows操作系統(tǒng)的Microsoft Visual Studio應用軟件，建立上位機控制器用戶端監(jiān)控界面：基于Windows操作系統(tǒng)的應用軟件的可擴展性、兼容性和移植性較高，便于功能新增和變更；利用Microsoft Visual Studio應用軟件可實現對本地計算機網卡的訪問，通過TCP/IP協議與其他具有相同協議接口的網絡通信裝置進行數據交互；此種模式下上位機控制器能夠對獲取的數據進行批量處理，通過圖形用戶界面直觀地反映物理參數的變化規(guī)律，有利于遠程監(jiān)控平臺的操作人員觀察和處理數據，并對突發(fā)、異常工況環(huán)境做出及時響應。

在此遠程監(jiān)控平臺基礎上，采用基于安川的MP2200控制器，實現下位機各節(jié)點對工況環(huán)境的物理參數監(jiān)控。MP2200控制器具有良好的可擴展性，能夠利用模塊化硬件板卡配置實現不同功能需求，依照板載功能可將其分為通信類板卡(如RS232、RS422、RS485和TCP/IP以太網通信板卡等)、通用數字輸入輸出板卡(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)點間通信能力，可利用SVB通信板卡實現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，最大傳輸速率為10 Mbit/s；M III總線是基于以太網的總線通信技術，最大傳輸速率為100 Mbit/s。因此，根據煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)總體架構需求，基于MP2200控制器及其相關模塊化硬件板卡，構建了圖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

根據圖2可知，首先，利用LIO和AO模塊實現燈光開關和亮度的控制，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)煙霧報警傳感器、硫化氫氣體濃度傳感器和溫濕度傳感器反饋數據，再利用CNTR模塊讀取上述傳感器反饋的脈沖數量及寬度，據此可獲取各節(jié)點傳感器反饋數據。其次，SVB模塊可將各節(jié)點獲取的傳感器反饋數據，匯總至與用戶操作終端有物理連接的控制器節(jié)點中。最后，CPU模塊再將外設通道采集的各傳感器數據進行實時計算和轉換，得到具有物理意義的傳感器數據，并通過定時傳輸送方式將相關數據實時傳輸至上位機控制器。至此，本文所述硬件系統(tǒng)具備了采集多節(jié)點不同傳感器數據的可能。

3 系統(tǒng)軟件設計

根據基于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控制器軟件和下位機控制器軟件。上位機控制器軟件基于Windows操作系統(tǒng)，采用Microsoft Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境進行圖形用戶界面設計，利用軟件自帶的控件庫搭建界面，實現人機交互。為實現上位機軟件的核心TCP/IP網絡通信功能，基于開發(fā)環(huán)境自帶庫函數操作計算機網卡，利用Socket機制實現網絡數據通信。上位機軟件的控制流程如圖3所示。軟件啟動后首先進行數據和內存管理初始化；其次建立遠程控制計算機與下位機控制器的網絡通信；接著實時采集煤礦井下各節(jié)點所處工況環(huán)境物理參數，并根據采集的數據實時處理，判斷是否有異常情況發(fā)生；最后根據異常情況的狀態(tài)提示用戶操作導向信息。

圖3 上位機軟件控制流程

下位機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，采用梯形圖實現對各硬件板卡的操作。綜合考慮外設單元和通信單元對控制器實時性的需求，本文將控制器實時刷新周期定為50 ms，即每50 ms控制器對各節(jié)點數據進行采集，并匯總至用戶操作終端有物理連接的控制器節(jié)點中，再通過此節(jié)點控制器將數據傳送至計算機應用軟件。眾所周知，傳統(tǒng)的Windows操作系統(tǒng)為非實時操作系統(tǒng)，因此本文針對非實時人機用戶界面和實時控制器的通信問題，在控制器中建立了數據存儲和刷新機制，當且僅當控制器中的數據添加至以太網報文中后，控制器才會釋放相應數據，以此保證上位機界面與下位機控制器同步通信的功能需求。

下位機控制軟件流程如圖4所示。下位機控制器首先建立網絡連接、內部總線并初始化內存管理單元；其次通過CPU模塊操作外設接口獲取本單元節(jié)點的傳感器數據；再通過內部總線獲取其他節(jié)點單元的傳感器數據，若內部總線數據傳輸失敗，則反饋報警代碼并結束控制器程序，若內部總線數據傳輸成功，則建立內存同步機制；接著將下位機數據傳送至上位機遠程監(jiān)控平臺，若以太網通信失敗，則反饋報警代碼并結束控制器程序，若以太網通信成功，則繼續(xù)獲取本單元節(jié)點的傳感器數據，并重復執(zhí)行數據傳輸步驟。

圖4 下位機控制器軟件流程

4 試驗驗證

針對本文所述的基于PLC的煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)，以MP2200控制器為基礎搭建試驗平臺進行試驗。表1為試驗環(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現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、下位機控制器軟件操作流程，實現對煤礦井下模擬工況環(huán)境的實時物理參數傳輸和監(jiān)控。圖5為其工況環(huán)境的物理參數實時監(jiān)控結果。由圖5可知，監(jiān)控數據顯示在表1傳感器的量程范圍內，基于PLC的煤礦井下檢測系統(tǒng)能夠準確有效地實現數據監(jiān)測。

表1 傳感器選型

圖5 工況環(huán)境物理參數實時監(jiān)控結果

5 結束語

本文對煤礦井下工況條件進行分析，確定監(jiān)測系統(tǒng)的控制需求，并根據需求論證系統(tǒng)的硬件和軟件架構。采用基于PLC的模塊化硬件配置，利用其網絡通信、總線通信、模擬量輸入輸出、通用數字輸入輸出,以及脈沖輸出和檢測等模塊，實現控制系統(tǒng)與遠程監(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)境編寫上位機軟件，通過PLC程序實現控制器與傳感器的數據交互，最終通過試驗驗證所提方案的正確性。