礦山物聯網M2M環境下控制系統改造新方法

趙貫喜　薛保衛　李建　張申

摘 要：礦山物聯網構建了礦山M2M相聯的環境，這種環境為礦山控制系統的改造提供了新的思路。以礦山斜井絞車控制改造為例，來論述在礦山物聯網中利用M2M的理念，通過構建邏輯系統，進行傳統控制系統改造的方法。實踐證明，M2M概念非常有利于對礦山己有控制系統進行改造和升級換代。

關鍵詞：礦山物聯網；邏輯系統；絞車；工業以太網

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）10-00-02

0 引 言

白莊煤礦綜合自動化于2007年開始建設，系統傳輸網絡采用1 000M工業以太網，建設內容包括：調度指揮中心建設、綜合自動化網絡建設、-430主排水泵房（9臺泵）、井下-430變電所（53面柜子）、皮帶運輸線、斜井絞車監控、地面壓風機監控、35 kV地面變電所、主副井提升機、主扇風機等系統監測接入環網運行。實現井下和地面各個生產系統和大型機電設備、供電系統、管網等的監控，實現全礦井的各種數據采集，使生產調度、經營管理、決策指揮網絡化、信息化、科學化[1]。綜合自動化的建設為礦山物聯網建設打下了良好的基礎，但綜合自動化中以子系統接入的方式并不能完全滿足礦山對傳統控制系統進行改進的要求，需要用礦山物聯網的概念來拓展煤礦綜合自動化系統的應用[2-3]。

本文以礦山斜井絞車控制改造為例，來論述礦山物聯網中M2M（物與物）的概念，并通過邏輯系統的構建，介紹進行傳統控制系統改造的新方法。實踐證明，物聯網中M2M的概念非常有利于礦山己有控制系統的改造。

1 子系統接入與邏輯系統構建

圖1所示是白莊煤礦綜合自動化系統構成，基本實現的是子系統接入，而不是物的接入。在控制系統中，“物”包括傳感器、執行器、控制器、被控對象以及系統中各種監測量等。所謂子系統接入就是當將某個控制系統中的所有這些“物”，聯接成一個子系統（如通常的PLC控制系統），再接入到總體網絡實現網絡化的集控，這就稱為子系統接入[3]。目前，煤礦綜合自動化系統中絕大部分控制系統均采用的這種子系統接入方式。特點是系統結構簡單，相對獨立，應用比較廣泛。但當需要進行系統改造或擴展時，需要對整個子系統進行升級、擴容，如增加PLC的I/O模塊、擴展接線端子、擴大控制箱空間等。當受到子系統擴容能力的限制時，不得不推翻原控制系統重新設計。

與子系統接入相對應，礦山物聯網強調“物”與“物”相聯，即傳感器、執行器、控制器等以某種方式直接接入主干傳輸網絡，而不需要通過子系統控制器。這樣的“物”布置靈活，適合快速布置、移動應用等場合，所構成的系統稱作邏輯子系統[3]。

按照物聯網M2M的理念，對原有礦山控制系統進行改造的問題，就是將新的“物”與原有的子系統如何相聯接，并參與到控制邏輯中去的問題。白莊煤礦原有絞車控制系統比較簡單，系統主要由主機（S7-200PLC）、張緊裝置、梭車、尾輪、壓繩輪、托繩輪、轉向裝置等組成。絞車操作工與信號工及沿線安全設施（擋車門、阻車器、道岔）操作工之間聯系方式只有打點器及調度電話，信號相互獨立，缺乏必要的聯動和閉鎖的功能，安全性差，地面與井下人員的信息溝通不及時，難以及時動態掌握絞車運行及巷道人員分布情況。

為了提高絞車運行的安全性，需要對原絞車控制系統進行改造，依照絞車運行軌跡及方向，新增傳感器及執行器，實現防跑車安全設備、道岔指示信號、打點信號、行人信號等與絞車的運行聯動控制和閉鎖，并輔以語音通信與視頻監控，確保斜巷絞車安全運行。

2 物聯網環境下絞車控制系統改造方案

原絞車是用PLC控制的，新改造方案理所當然首先考慮按傳統的PLC系統改造擴容方式，即增加I/O模塊等。但原絞車控制系統過于簡單，采用CPU 222：本機8DI/6DO，沒有模擬量模塊。新增的三道測速傳感器及防跑車安全設備、道岔信號、打點信號、四道行人信號等需與絞車的運行實現聯動控制和閉鎖，I/O點遠遠超過原設計的擴容量，且需要模擬量模塊，原控制箱空間不夠，計算量也比較大。在原PLC控制系統基礎上進行改造實際相當于推翻原控制系統，重新設計新的PLC控制系統，顯然改造量較大，經濟上也不合適，且影響生產時間較長。

圖2 基于礦山物聯網的絞車控制系統改造方案

利用礦山物聯網M2M的概念，將原絞車PLC控制系統作為“物”的一個子集，新增傳感器、執行器、控制器等直接接入主干傳輸網絡，而不需要通過原PLC控制系統。在物聯網的傳輸層和應用層實現物與物相聯，構成新的控制系統。新的絞車控制系統方案如圖2所示，礦山物聯網的三層結構為：感知層，傳輸層，應用層。其中傳輸層采用綜合自動化系統的1 000M工業以太主干傳輸網絡。

其中原PLC控制系統在白莊煤礦綜合自動化建設中己用CP243-1以太網模塊聯接到以太網，其他新增傳感器、控制器等均通過RS 485轉以太網接入到1 000M工業以太網，語音和視頻分別通過相應的語音、視頻網關接入以太網。

3 主要集成過程技術實現

新增傳感器與控制器等通過NPort5150串口通信模塊（RS 485轉以太網模塊）掛接到工業以太網將現場信號上行，由上位機KEPSERVER軟件（OPCServer）進行數據采集和分析，傳送至IFIX組態軟件后通過工業以太網下行轉發至現場S7-200PLC，從而實現整個數據采集、分析、傳輸、控制流程。

系統結構示意圖如3所示，原理示意圖如4所示。

4 絞車控制系統主要實現功能

改造后絞車控制系統主要實現以下功能：信號輸入主要包含絞車去向、絞車位置、功能信號等部分。其中絞車信號包括上行、下行等信號。信號輸出主要包含下行音響、顯示信號，上行音響、顯示信號，行人計數信號和電視顯示器信號等。以下重點介紹行人監控、跑車捕捉和打點信號閉鎖[5]。

圖3 系統結構示意圖

在上、下車場安裝四個熱釋電紅外行人傳感器。以上車場為例：安裝兩個熱釋電紅外行人探測器，根據兩個探測器動作的先后判斷人員是進入或走出巷道，同時對進出的人員進行統計，判斷巷道中滯留的人數。此信號由數碼管顯示，并經網絡送到PLC，進入閉鎖控制邏輯。在絞車運行過程中，巷道入口的聲音和燈光報警裝置，提示行人禁止進入，如果有工人闖入巷道，行人信號會通過網絡傳輸到PLC，主站將會發出語音報警，提示操作人員有人在絞車運行時闖入巷道，并在屏幕上顯示出進入巷道的時間和位置，同時實現絞車停車閉鎖。

圖4 系統原理示意圖

本次增加的跑車捕捉裝置主要有雷達測速傳感器、擋車欄，共設了三道測速與捕車裝置。測速信號為模擬信號，能過網絡傳送到PLC，當測量到車輛超速時，判斷為跑車，啟動捕車控制器，攔阻車輛，有效防止造成危害礦井安全的事故。

斜井絞井通常是用打點信號進行現場人員與絞車司機之間的聯絡的。過去這種打點信號主要在人與人之間進行信息傳遞，并不參與到PLC控制邏輯中去，由于人的疏忽往往會造成操作錯誤，產生事故。通過網絡傳輸，將這種打點信號變成PLC能理解的閉鎖信號，參與到PLC控制邏輯中去，最大程度避免了絞車司機操作的人為失誤。

5 結 語

M2M是物聯網中非常重要的一個概念，用來實現物聯網中物與物相聯，而不管這個物是過去己經聯接到物聯網上，還是新加入到物聯網中來的。充分利用好礦山物聯網中M2M的概念，對礦山控制系統改造，體現礦山物聯網服務性平臺[6]的作用都是非常有意義的。本文以礦山斜井絞車控制改造為例，討論了礦山物聯網環境下，依照M2M的理念，通過邏輯系統的構建進行傳統控制系統改造的方法，實現了絞車控制中的行人、捕車器及打點信號等的閉鎖控制功能，提高了絞車運行的安全性，系統改造工作量小、經濟、快速。實踐證明，物聯網中M2M的概念非常有利于對礦山己有控制系統進行改造和升級換代，也適應分布式網絡化控制的發展趨勢。

參考文獻

[1]白莊煤礦. 白莊礦礦井安全生產自動化系統[R]. 2007.

[2]張申，丁恩杰，徐釗，等.物聯網與感知礦山專題講座之二----感知礦山與數字礦山、礦山綜合自動化[J].工礦自動化，2010（11）：129-132.

[3]張申，丁恩杰，徐釗，等.物聯網與感知礦山專題講座之三----感知礦山物聯網的特征與關鍵技術[J].工礦自動化，2010（12）：117-121.

[4]西門子公司. S7-200中文編程手冊[R].Siemens AG.2008.

[5]白莊煤礦項目課題組. 斜井軌道運輸智能安全保護系統研究鑒定材料[R]. 2013

[6]張申，張滔.論礦山物聯網的結構性平臺與服務性平臺[J].工礦自動化，2013，39（1）：34-38.

圖3 系統結構示意圖

在上、下車場安裝四個熱釋電紅外行人傳感器。以上車場為例：安裝兩個熱釋電紅外行人探測器，根據兩個探測器動作的先后判斷人員是進入或走出巷道，同時對進出的人員進行統計，判斷巷道中滯留的人數。此信號由數碼管顯示，并經網絡送到PLC，進入閉鎖控制邏輯。在絞車運行過程中，巷道入口的聲音和燈光報警裝置，提示行人禁止進入，如果有工人闖入巷道，行人信號會通過網絡傳輸到PLC，主站將會發出語音報警，提示操作人員有人在絞車運行時闖入巷道，并在屏幕上顯示出進入巷道的時間和位置，同時實現絞車停車閉鎖。

圖4 系統原理示意圖

本次增加的跑車捕捉裝置主要有雷達測速傳感器、擋車欄，共設了三道測速與捕車裝置。測速信號為模擬信號，能過網絡傳送到PLC，當測量到車輛超速時，判斷為跑車，啟動捕車控制器，攔阻車輛，有效防止造成危害礦井安全的事故。

斜井絞井通常是用打點信號進行現場人員與絞車司機之間的聯絡的。過去這種打點信號主要在人與人之間進行信息傳遞，并不參與到PLC控制邏輯中去，由于人的疏忽往往會造成操作錯誤，產生事故。通過網絡傳輸，將這種打點信號變成PLC能理解的閉鎖信號，參與到PLC控制邏輯中去，最大程度避免了絞車司機操作的人為失誤。

5 結 語

M2M是物聯網中非常重要的一個概念，用來實現物聯網中物與物相聯，而不管這個物是過去己經聯接到物聯網上，還是新加入到物聯網中來的。充分利用好礦山物聯網中M2M的概念，對礦山控制系統改造，體現礦山物聯網服務性平臺[6]的作用都是非常有意義的。本文以礦山斜井絞車控制改造為例，討論了礦山物聯網環境下，依照M2M的理念，通過邏輯系統的構建進行傳統控制系統改造的方法，實現了絞車控制中的行人、捕車器及打點信號等的閉鎖控制功能，提高了絞車運行的安全性，系統改造工作量小、經濟、快速。實踐證明，物聯網中M2M的概念非常有利于對礦山己有控制系統進行改造和升級換代，也適應分布式網絡化控制的發展趨勢。

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[6]張申，張滔.論礦山物聯網的結構性平臺與服務性平臺[J].工礦自動化，2013，39（1）：34-38.

圖3 系統結構示意圖

在上、下車場安裝四個熱釋電紅外行人傳感器。以上車場為例：安裝兩個熱釋電紅外行人探測器，根據兩個探測器動作的先后判斷人員是進入或走出巷道，同時對進出的人員進行統計，判斷巷道中滯留的人數。此信號由數碼管顯示，并經網絡送到PLC，進入閉鎖控制邏輯。在絞車運行過程中，巷道入口的聲音和燈光報警裝置，提示行人禁止進入，如果有工人闖入巷道，行人信號會通過網絡傳輸到PLC，主站將會發出語音報警，提示操作人員有人在絞車運行時闖入巷道，并在屏幕上顯示出進入巷道的時間和位置，同時實現絞車停車閉鎖。

圖4 系統原理示意圖

本次增加的跑車捕捉裝置主要有雷達測速傳感器、擋車欄，共設了三道測速與捕車裝置。測速信號為模擬信號，能過網絡傳送到PLC，當測量到車輛超速時，判斷為跑車，啟動捕車控制器，攔阻車輛，有效防止造成危害礦井安全的事故。

斜井絞井通常是用打點信號進行現場人員與絞車司機之間的聯絡的。過去這種打點信號主要在人與人之間進行信息傳遞，并不參與到PLC控制邏輯中去，由于人的疏忽往往會造成操作錯誤，產生事故。通過網絡傳輸，將這種打點信號變成PLC能理解的閉鎖信號，參與到PLC控制邏輯中去，最大程度避免了絞車司機操作的人為失誤。

5 結 語

M2M是物聯網中非常重要的一個概念，用來實現物聯網中物與物相聯，而不管這個物是過去己經聯接到物聯網上，還是新加入到物聯網中來的。充分利用好礦山物聯網中M2M的概念，對礦山控制系統改造，體現礦山物聯網服務性平臺[6]的作用都是非常有意義的。本文以礦山斜井絞車控制改造為例，討論了礦山物聯網環境下，依照M2M的理念，通過邏輯系統的構建進行傳統控制系統改造的方法，實現了絞車控制中的行人、捕車器及打點信號等的閉鎖控制功能，提高了絞車運行的安全性，系統改造工作量小、經濟、快速。實踐證明，物聯網中M2M的概念非常有利于對礦山己有控制系統進行改造和升級換代，也適應分布式網絡化控制的發展趨勢。

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