周 帥

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤炭作為我國的重要基礎(chǔ)能源，為我國的經(jīng)濟基礎(chǔ)建設(shè)提供了重要保障，在未來30年內(nèi)，煤炭在我國一次消耗能源中所占比例依舊會超過50%[1]。針對煤礦過去發(fā)生的重大事故進行分析，主要原因除了歸咎于操作不規(guī)范、安全意識不到位以外，還包括信息采集不全面、安全生產(chǎn)監(jiān)控數(shù)據(jù)缺失等，造成救援時決策缺乏科學(xué)依據(jù)，耽誤救援工作的推進[2-3]。傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用有線傳輸?shù)姆绞剑蛟O(shè)備負載及線路損耗導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸距離有限，無法滿足系統(tǒng)功能要求，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無線通訊技術(shù)逐漸成熟，衍生出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)[4]。本文設(shè)計了一種基于PLC與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)井下瓦斯、火災(zāi)、壓力與工人位置等數(shù)據(jù)的采集功能，并通過PLC控制通風機調(diào)節(jié)井下數(shù)據(jù)參數(shù)，滿足礦井的安全生產(chǎn)要求[5]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要由井上地面中心站與井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成，井上監(jiān)視中心包括監(jiān)控主機、PLC 控制器、變頻器與主通風機等，井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括無線節(jié)點設(shè)備、礦工安全設(shè)備與信號采集設(shè)備等[6]。監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能有井下環(huán)境信號采集功能、礦工考勤及人員定位功能與通風功能，具體如下。

（1）井下環(huán)境信號采集。功能本系統(tǒng)采集的環(huán)境信號主要為井下的瓦斯?jié)舛取囟扰c濕度等，系統(tǒng)通過各類型傳感器測量，信號通過無線通信的方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，通過有線傳輸?shù)骄媳O(jiān)控主機。

（2）礦工考勤定位功能。礦工隨身攜帶的安全設(shè)備，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)與路由器進行通信，信號最終傳輸?shù)奖O(jiān)控主機中，系統(tǒng)通過無線路由的準確位置，大概估算出員工的位置，實現(xiàn)考勤定位功能。

（3）通風功能。系統(tǒng)監(jiān)測到井下瓦斯?jié)舛?、溫度與濕度信號超過限定值，通過PLC 控制器調(diào)節(jié)礦井的主通風機，增加井下有害氣體的排除量，確保井下工作環(huán)境的安全性。

圖1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

1.2 無線通信技術(shù)

本文的無線通訊網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee 技術(shù)，以各獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為基礎(chǔ)，通過無線通信，組成星狀、網(wǎng)狀的通訊網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)選用ZigBee 無線通訊網(wǎng)絡(luò)的主要原因有：ZigBee 通訊的傳輸速度在20～250 kb/s，適合傳感器數(shù)據(jù)的傳輸；ZigBee 無線適合應(yīng)用于低速率、低功耗、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的環(huán)境，滿足煤礦安全系統(tǒng)需求；ZigBee 技術(shù)可組建規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)體系，可覆蓋煤礦井下的所有位置；終端設(shè)備的功耗較小，方便煤礦工人攜帶。ZigBee網(wǎng)絡(luò)以IEEE的無線標準為基礎(chǔ)，有利于系統(tǒng)與其他設(shè)備的兼容性[7]。

2 基于ZigBee的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備需要工人攜帶，所以本文選用ARM處理器作為系統(tǒng)的核心計算單元。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，具體包括ARM處理器及外圍電路、報警蜂鳴器、ZigBee 無線單元、語音交流單元、鍵盤與各信號測量單元等。外圍電路包括電源電路、有源晶振電路、復(fù)位電路、JTAG 電路與I2C 通信電路等。鍵盤設(shè)有各種功能按鍵，可控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。ZigBee 無線單元采用嵌入式無線模塊。包含電源接口、天線接口、控制接口與數(shù)據(jù)接口等，通過TTL收發(fā)接口與ARM處理器實現(xiàn)信息的傳輸功能。當發(fā)生瓦斯超標等預(yù)警或事故時，語音交流單元負責向工人傳達撤離信息，維護疏散秩序等。

本系統(tǒng)CPU 選用基于ARM 的LPC2103 微控制器，LPC2103 控制器支持系統(tǒng)的實時仿真，可用于小型系統(tǒng)，內(nèi)置較多通信接口，32條高速GPIO通道，8 kb片內(nèi)閃存，滿足本系統(tǒng)的監(jiān)控要求。LPC2103 內(nèi)核與外設(shè)分別需要1.8 V 與3.3 V電壓供電，電路板需5 V電壓供電[8]。

圖2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 瓦斯檢測單元

本文選用TGS6812 瓦斯傳感器測量井下的瓦斯?jié)舛刃盘?，該傳感器通過檢測碳氫與氫氧化物等可燃氣體的濃度，來解決瓦斯?jié)舛刃盘柕谋O(jiān)測，具有測量精度高、測定結(jié)果穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。由于傳感器輸出的電壓較小，無法直接被ARM處理器使用，所以本文設(shè)計了一個瓦斯?jié)舛刃盘枩y量電路，如圖3所示，放大器件AD623與TGS6812都采用3 V電壓源供電。測量電路主要采用AD623 放大傳感器輸出的模擬信號，其中電阻R5決定了電路的放大倍數(shù)。傳感器在投入使用前，應(yīng)用精密儀器校準并進行定期調(diào)校。

圖3 瓦斯?jié)舛刃盘枩y量電路

3 基于PLC的通風控制選型設(shè)計

礦井通風系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)井下通風量的變化，進而保證井下溫度、濕度與瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)在一個安全范圍內(nèi)。本節(jié)在安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于PLC 控制器的通風系統(tǒng)，其具體硬件包括PLC控制器、變頻器與人機交互等設(shè)備。

本文選用S7-200PLC 作為系統(tǒng)控制器，由CPU、輸入輸出模塊、通信模塊與存儲器等組成，具有體積小、響應(yīng)速度快、靈活性高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，可滿足系統(tǒng)各控制要求；控制器運用一定的抗干擾技術(shù)，與傳統(tǒng)繼電控制相比，可有效隔離外部電流帶來的擾動；擴展維護方便簡單，技術(shù)人員操作時減少了很多麻煩。系統(tǒng)選用MM440變頻器，可靠性高，節(jié)能效果優(yōu)良，具有一定的電機保護功能，降低了過電壓、欠電壓等故障下對設(shè)備的損害。

控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參考全部來源于監(jiān)測系統(tǒng)，PLC 與監(jiān)控主機通過RS485 串口通信方式連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸共享。控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的計算分析，控制風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)井下參數(shù)調(diào)節(jié)，通過監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋，實時調(diào)整轉(zhuǎn)速變化，形成閉環(huán)負反饋控制。

本文所設(shè)計的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)通過結(jié)合利用PLC控制技術(shù)與ZigBee 無線通信技術(shù)，將煤礦的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、人員考勤定位系統(tǒng)與通風機變頻調(diào)速系統(tǒng)融合為一，節(jié)約了井下空間與網(wǎng)絡(luò)資源。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于PLC 與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，利用微小型ARM處理器，將終端設(shè)備設(shè)計為便攜式，方便工人的考勤定位，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了環(huán)境數(shù)據(jù)的參考。系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了井下環(huán)境的全覆蓋、實時監(jiān)測功能，保障煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。