基于PLC與無線傳感網絡的煤礦安全生產監控系統設計

周 帥

（大同煤礦集團鐵峰煤業有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤炭作為我國的重要基礎能源，為我國的經濟基礎建設提供了重要保障，在未來30年內，煤炭在我國一次消耗能源中所占比例依舊會超過50%[1]。針對煤礦過去發生的重大事故進行分析，主要原因除了歸咎于操作不規范、安全意識不到位以外，還包括信息采集不全面、安全生產監控數據缺失等，造成救援時決策缺乏科學依據，耽誤救援工作的推進[2-3]。傳統的安全監控系統采用有線傳輸的方式，因設備負載及線路損耗導致監測數據傳輸距離有限，無法滿足系統功能要求，隨著信息技術的發展，無線通訊技術逐漸成熟，衍生出一種基于無線傳感網絡的安全監控系統[4]。本文設計了一種基于PLC與無線傳感網絡的煤礦安全生產監控系統，以實現井下瓦斯、火災、壓力與工人位置等數據的采集功能，并通過PLC控制通風機調節井下數據參數，滿足礦井的安全生產要求[5]。

1 監控系統總體方案

1.1 監控系統工作原理

煤礦井下監測監控系統主要由井上地面中心站與井下無線傳感網絡組成，井上監視中心包括監控主機、PLC 控制器、變頻器與主通風機等，井下無線傳感網絡包括無線節點設備、礦工安全設備與信號采集設備等[6]。監控系統主要實現功能有井下環境信號采集功能、礦工考勤及人員定位功能與通風功能，具體如下。

（1）井下環境信號采集。功能本系統采集的環境信號主要為井下的瓦斯濃度、溫度與濕度等，系統通過各類型傳感器測量，信號通過無線通信的方式傳輸到協調器，通過有線傳輸到井上監控主機。

（2）礦工考勤定位功能。礦工隨身攜帶的安全設備，通過無線傳感網絡與路由器進行通信，信號最終傳輸到監控主機中，系統通過無線路由的準確位置，大概估算出員工的位置，實現考勤定位功能。

（3）通風功能。系統監測到井下瓦斯濃度、溫度與濕度信號超過限定值，通過PLC 控制器調節礦井的主通風機，增加井下有害氣體的排除量，確保井下工作環境的安全性。

圖1 系統整體框架設計

1.2 無線通信技術

本文的無線通訊網絡采用ZigBee 技術，以各獨立的網絡節點為基礎，通過無線通信，組成星狀、網狀的通訊網絡。系統選用ZigBee 無線通訊網絡的主要原因有：ZigBee 通訊的傳輸速度在20～250 kb/s，適合傳感器數據的傳輸；ZigBee 無線適合應用于低速率、低功耗、網絡復雜的環境，滿足煤礦安全系統需求；ZigBee 技術可組建規模龐大的網絡體系，可覆蓋煤礦井下的所有位置；終端設備的功耗較小，方便煤礦工人攜帶。ZigBee網絡以IEEE的無線標準為基礎，有利于系統與其他設備的兼容性[7]。

2 基于ZigBee的監測網絡設計

2.1 監測系統硬件

監測網絡終端設備需要工人攜帶，所以本文選用ARM處理器作為系統的核心計算單元。監測系統的硬件結構如圖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、復位電路、JTAG 電路與I2C 通信電路等。鍵盤設有各種功能按鍵，可控制系統的工作狀態。ZigBee 無線單元采用嵌入式無線模塊。包含電源接口、天線接口、控制接口與數據接口等，通過TTL收發接口與ARM處理器實現信息的傳輸功能。當發生瓦斯超標等預警或事故時，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CPU 選用基于ARM 的LPC2103 微控制器，LPC2103 控制器支持系統的實時仿真，可用于小型系統，內置較多通信接口，32條高速GPIO通道，8 kb片內閃存，滿足本系統的監控要求。LPC2103 內核與外設分別需要1.8 V 與3.3 V電壓供電，電路板需5 V電壓供電[8]。

圖2 監測網絡終端硬件結構設計

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濃度信號，該傳感器通過檢測碳氫與氫氧化物等可燃氣體的濃度，來解決瓦斯濃度信號的監測，具有測量精度高、測定結果穩定可靠的優點。由于傳感器輸出的電壓較小，無法直接被ARM處理器使用，所以本文設計了一個瓦斯濃度信號測量電路，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。傳感器在投入使用前，應用精密儀器校準并進行定期調校。

圖3 瓦斯濃度信號測量電路

3 基于PLC的通風控制選型設計

礦井通風系統采用變頻調速控制，調節電機轉速實現井下通風量的變化，進而保證井下溫度、濕度與瓦斯濃度等環境參數在一個安全范圍內。本節在安全生產監控系統的基礎上，設計了一種基于PLC 控制器的通風系統，其具體硬件包括PLC控制器、變頻器與人機交互等設備。

本文選用S7-200PLC 作為系統控制器，由CPU、輸入輸出模塊、通信模塊與存儲器等組成，具有體積小、響應速度快、靈活性高、應用范圍廣等優點，可滿足系統各控制要求；控制器運用一定的抗干擾技術，與傳統繼電控制相比，可有效隔離外部電流帶來的擾動；擴展維護方便簡單，技術人員操作時減少了很多麻煩。系統選用MM440變頻器，可靠性高，節能效果優良，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備的損害。

控制系統的數據參考全部來源于監測系統，PLC 與監控主機通過RS485 串口通信方式連接，實現數據的實時傳輸共享?？刂葡到y通過數據的計算分析，控制風機轉速，實現井下參數調節，通過監測系統的數據反饋，實時調整轉速變化，形成閉環負反饋控制。

本文所設計的煤礦安全生產監控系統通過結合利用PLC控制技術與ZigBee 無線通信技術，將煤礦的環境監測系統、人員考勤定位系統與通風機變頻調速系統融合為一，節約了井下空間與網絡資源。

4 結束語

本文設計了一種基于PLC 與無線傳感網絡的煤礦安全生產監控系統，利用微小型ARM處理器，將終端設備設計為便攜式，方便工人的考勤定位，為監控系統提供了環境數據的參考。系統通過無線傳感網絡實現了井下環境的全覆蓋、實時監測功能，保障煤礦生產系統的安全性與穩定性。