一種具有PLC功能的礦用監控分站

曹利波

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

在國內煤礦行業，運行著數以千計的安全監測監控系統[1]，以及其它各類監控系統，由于是各個制造廠各自設計各自生產，沒有統一的設計要求，功能各異，也沒有統一的通信接口和軟件協議，造成類型眾多，接口不一，使得系統復雜，維修不便，是目前數據難以融合和共享的主要障礙。

針對目前監控分站的現狀，設計了一種基于現場可編程（PLC）的監控分站，其能夠方便的接入各類傳感器，并將傳感器的數據上傳至主站。又能夠根據現場需要，編制數據處理和控制流程，實現分布式PLC[2]控制，也能夠根據上位機指令實行遠程控制。

1 分站的硬件結構和接口

分站的微處理器采用STM32F427[3]，其處理速度快、程序空間和數據空間足夠大，能夠滿足程序解釋執行PLC語句的需要。硬件結構和接口圖如圖1。

圖1 硬件結構和接口圖

分站有8/16個開關量型或脈沖信號型和頻率型信號接口，使用時通過屬性設置，使其成為開關量接口、脈沖頻率接口或者累加量接口，以適應不同傳感器要求[4-5]。接口用光電隔離，能抑制現場干擾。

分站能接入16個傳感器類設備的RS485信號，信號通過一個隔離式RS485口接入。傳感器通過地址編碼識別，通過監控分站輪詢來傳輸數據[6]。每個傳感器分站支持4個數據量，這樣使得分站數據量大幅增加。同時，可加入1個或多個執行分站，遠程執行監控分站下達的控制指令，實現遠程控制。

分站具有8個控制量隔離輸出，用于控制執行器，通過內部PLC設置，實現諸如風電瓦斯閉鎖、風機排瓦斯自動控制、水倉水位的控制等功能。

分站有1個RS485和以太網接口[7]，用于與主站的通信，滿足各類通信要求。分站有聲光報警。

2 分站的模塊

1）模塊1：開關量和頻率量采集模塊。該模塊以6N137高速光耦作為隔離器件，以2.5萬次/s的采樣速率采集輸入接口的信號變化，根據接口屬性將數據存入對應變量單元。根據奈奎斯特采樣定理[8],2.5萬次/s的采樣速率能保證1.2萬次信號變化不失真，保證了采樣精度的實現。經過實測，在10 kHz下，監控分站能夠實現穩定的采樣，不丟失1 Hz數據。目前煤礦使用頻率型信號的傳感器主要為200～1 000 Hz，也有 200～2 000 Hz，個別的也有 10 kHz，足以滿足此類傳感器的需要。

2）模塊2：智能傳感器RS485接口模塊。該模塊用隔離RS485電路，保證主電路與傳感器電路的電氣隔離，并保證數據能夠互通。軟件采用監控分站輪詢方式對傳感器進行數據采集[9]，采集到的數據放置到對應的數據單元。

3）模塊3：輸出控制模塊。該模塊在電路上對輸出信號進行光電隔離后輸出到接口，保證與主電路的電氣隔離。在核心軟件監控分站內部PLC運算結果輸出后，接口能夠驅動外部設備，比如執行器，用于控制相應設備。

4）模塊4：顯示和鍵盤接口。本監控分站使用128×64點陣的液晶顯示數據，漢字英文均可顯示。監控分站使用遙控器發出鍵盤操作指令，紅外方式接收鍵盤指令后驅動顯示模塊顯示相關數據，所有采集的數據均可實現原碼和實時數據的就地顯示。

5）模塊5：RS485與以太網的主站通信[10]模塊。模塊可以接收主站的數據采集指令，輸出返回數據；可以接收主站的指令控制對應設備，實現遠程閉鎖。同時根據生產需要可以改變監控分站的PLC設置，實現監控分站的遠程維護[10]。

6）模塊6：電源模塊。監控分站使用18 V直流本安電源，隔離開關電源DC/DC，通過2路分別供向主電路5 V和其它傳感器以及控制電路（含有電流限制路）。

7）模塊7：PLC模塊[11]。該模塊是監控分站的核心模塊，PLC模塊數據結構圖如圖2。

圖2 PLC模塊數據結構圖

3 PLC模塊數據接口定義及相關PLC執行程序

PLC模塊數據接口定義主要有：①部計數器：00-T99；②內部信號寄存器：01-x99；③信號數據：對于8信號頻率、開關輸入型監控分站定義為A，信號1～信號11為開關量或頻率量，信號12～信號19為輸出控制量，B1為智能1號傳感器的第1模擬量，B2為智能1號傳感器的第2模擬量，以下類推……，C1為智能2號傳感器的第1模擬量，C2為智能2號傳感器的第2模擬量，以下類推。

PLC的基本語句格式為：邏輯指令寄存器或繼電器操作符操作數據或狀態。

邏輯指令：求分站PLC執行的動作。要有6種，D、AND、OR、XOR、OUT、END。

操作符：要對寄存器或繼電器進行的比對、賦值等操作。主要有 6，即=、≠、≤、＜、≥、＞。

定值：V1～V20。

風電甲烷閉鎖的要求如下：①當甲烷濃度達到1.5%時，分站應能通過斷電執行器切斷動力電源并閉鎖，同時發出聲、光報警信號；②當甲烷濃度達到1.0%時，分站應能通過斷電執行器切斷動力電源并閉鎖，同時發出聲、光報警信號；③當甲烷濃度達到0.5%時，分站應能通過斷電執行器切斷動力電源并閉鎖，同時發出聲、光報警信號；④當甲烷濃度達到3.0%時，分站應能通過斷電執行器切斷動力電源并閉鎖，同時發出聲、光報警信號；⑤當局部通風筒信號斷開時，分站應能通過斷電執行器切斷動力電源并閉鎖。

完成這些功能的PLC執行程序如下：

第1行 LD A4 ＞＝ 中間變量 V1

第2行 OR X34 ＝ 立即數 1

第3行 OUT Z12 ＝ 立即數 1

第4行 OUT A12 ＝ 立即數 0

第5行 LD A4 ＜ 中間變量 V2

第6行 AND X34 ＝ 立即數 0

第7行 OUT Z12 ＝ 立即數 0

第8行 OUT A12 ＝ 立即數 1

第9行 LD A5 ＞＝ 中間變量 V3

第10行 OR X35 ＝ 立即數 1

第11行 OUT Z13 ＝ 立即數 1

第12行 OUT A13 ＝ 立即數 0

第13行 LD A5 ＜ 中間變量 V4

第14行 AND X35 ＝ 立即數 0

第15行 OUT Z13 ＝ 立即數 0

第16行 OUT A13 ＝ 立即數 1

第17行 LD A6 ＞＝ 中間變量 V5

第18行 OR X36 ＝ 立即數 1

第19行 OUT Z14 ＝ 立即數 1

第20行 OUT A14 ＝ 立即數 0

第21行 LD A6 ＜ 中間變量 V6

第22行 AND X36 ＝ 立即數 0

第23行 OUT Z14 ＝ 立即數 0

第24行 OUT A14 ＝ 立即數 1

第25行 LD A6 ＞＝ 中間變量 V7

第26行 OR X36 ＝ 立即數 1

第27行 OUT A15 ＝ 立即數 0

第28行 LD A6 ＜ 中間變量 V8

第29行 AND X36 ＝ 立即數 0

第30行 OUT A15 ＝ 立即數 1

第31行 LD A8 ＝ 立即數 0

第32行 OUT A16 ＝ 立即數 1

第33行 LD A8 ＝ 立即數 1

第34行 OUT A16 ＝ 立即數 0

第35行 LD A9 ＝ 立即數 0

第36行 OUT A17 ＝ 立即數 1

第37行 LD A9 ＝ 立即數 1

第38行 OUT A17 ＝ 立即數 0

第39行 LD Z12 ＝ 立即數 1

第40行 OR Z13 ＝ 立即數 1

第41行 OR Z14 ＝ 立即數 1

第42行 OUT A20 ＝ 立即數 1

第43行 LD Z12 ＝ 立即數 0

第44行 AND Z13 ＝ 立即數 0

第45行 AND Z14 ＝ 立即數 0

第46行 OUT A20 ＝ 立即數 0

第47行 END

4 結語

設計了具有分布式PLC通用功能的監控分站，它既能夠采集開關和脈沖數據，也能夠通過RS485接口采集智能傳感器的數據；并將這些數據進行組合，用于通過監控分站控制開關量；分站融合了幾類傳感器的數據接入，滿足了數據共享的需求。