集群智能控制井下監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王 政

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

1 引言

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的煤礦企業(yè)主要以自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煤炭生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和集約化生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)了礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，以文本、圖像、視頻于一體，兼容監(jiān)測(cè)、控制和通信技術(shù)的專(zhuān)用安檢系統(tǒng)。可以實(shí)現(xiàn)礦井下通風(fēng)、運(yùn)輸、排水、供電和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)等功能。坦白講，系統(tǒng)綜合性已經(jīng)非常完善。但是，無(wú)論是國(guó)內(nèi)，還是國(guó)外安檢系統(tǒng)都是屬于以監(jiān)測(cè)、報(bào)警為主的一體化的設(shè)計(jì)，屬于“被動(dòng)式”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

井下監(jiān)控一直存在較為困難和復(fù)雜的問(wèn)題，一般來(lái)講，監(jiān)控系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在煤礦安監(jiān)中應(yīng)用也是比較廣泛，但在主動(dòng)監(jiān)測(cè)、防御方面還是達(dá)不到預(yù)想的要求，本文采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在極少的布線(xiàn)情況下，以“分布式監(jiān)控+集群智能控制”將監(jiān)控獲取的信息傳送到系統(tǒng)服務(wù)器中，系統(tǒng)服務(wù)器根據(jù)信號(hào)點(diǎn)，實(shí)時(shí)發(fā)送控制信號(hào)給集群智能控制系統(tǒng)中，根據(jù)“就近原則”，由“被動(dòng)”預(yù)防式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變?yōu)椤爸鲃?dòng)”將礦井下危險(xiǎn)或安全隱患進(jìn)行自動(dòng)清除，以保證礦井生命財(cái)產(chǎn)的安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)主要涉及兩個(gè)方面，分別是監(jiān)測(cè)氣體主動(dòng)防御控制和礦下塌方安全防御控制。

2.1 監(jiān)測(cè)氣體主動(dòng)防御控制

通常情況下，井下時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)有害氣體，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、二氧化氮、氨氣、氫氣、氡氣、氮?dú)獾仁N氣體。因此，氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于礦下安全防護(hù)是極其重要的安全保障。本課題采用基于工業(yè)以太網(wǎng)和總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，依托工業(yè)控制器集成一套主動(dòng)防御系統(tǒng)，氣體監(jiān)測(cè)防御管理系統(tǒng)總體架構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1 氣體監(jiān)測(cè)防御管理系統(tǒng)總體架構(gòu)及工作原理圖

在系統(tǒng)中會(huì)在礦下分段布局檢測(cè)氣體的傳感器探頭(采用PRODUCTS的氣體檢測(cè)傳感器)，當(dāng)檢測(cè)到氣體密度達(dá)到警報(bào)值時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳輸?shù)焦I(yè)控制器1(采用西門(mén)子S7-1200PLC)，工業(yè)控制器得到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過(guò)布設(shè)的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)中(上位機(jī)包含服務(wù)端電腦、手機(jī)、平板電腦等)，系統(tǒng)得到報(bào)警后，會(huì)提醒安全管理人員，同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)防御控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即：將控制信號(hào)發(fā)送給工業(yè)控制器2(采用西門(mén)子S7-1200PLC)，工業(yè)控制器2得到指示命令后，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)區(qū)域的防御控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有效保證礦下安全區(qū)域。

2.2 礦下塌方安全防御控制

當(dāng)?shù)V下出現(xiàn)塌方等安全事故時(shí)，為了保證人員的安全，課題設(shè)計(jì)了一套機(jī)電一體的支撐支架，由于塌方區(qū)域的不確定性，因此系統(tǒng)采用了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊模式，移動(dòng)式控制支撐支架的防御，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 移動(dòng)式控制支撐支架設(shè)計(jì)圖

支架驅(qū)動(dòng)采用直流伺服電機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)情況，將該支架支撐到需要防備塌方的區(qū)域，支架由直流伺服電機(jī)進(jìn)行升降位置調(diào)節(jié)，保證了支架的柔性使用。由于塌方區(qū)域的不確定性，因此防御系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信模式，在支架上安裝有壓力傳感器，當(dāng)出現(xiàn)塌方時(shí)，壓力傳感器接收到信號(hào)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信發(fā)送到服務(wù)器中，服務(wù)器根據(jù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)支架進(jìn)行防御。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本文采用了西門(mén)子博圖V15軟件系統(tǒng)(英文簡(jiǎn)稱(chēng)：TIA V15)進(jìn)行控制部分的硬件及軟件平臺(tái)的構(gòu)架，客戶(hù)端采用HMI可視化監(jiān)控和基于Web Service服務(wù)的APP設(shè)計(jì)。力求達(dá)到國(guó)家較為先進(jìn)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。圖3為基于西門(mén)子博圖V15軟件平臺(tái)下安全監(jiān)控平臺(tái)的硬件組態(tài)設(shè)計(jì)。

圖3 博圖V15軟件平臺(tái)下安全監(jiān)控平臺(tái)的硬件組態(tài)設(shè)計(jì)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本文軟件平臺(tái)分兩個(gè)方面，一個(gè)方面是采用ASP.NET+SQL SERVER2008系統(tǒng)，基于B/S架構(gòu)，易于網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)以及異構(gòu)性良好的特點(diǎn)。根據(jù)前端傳感器的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺(tái)中，為數(shù)據(jù)的獲取、保存、統(tǒng)計(jì)、分析提供良好的幫助，為未來(lái)的識(shí)別數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)提供有益的前瞻性研究。

TIA采用此新型、統(tǒng)一的軟件框架，可在同一開(kāi)發(fā)環(huán)境中組態(tài)西門(mén)子的所有可編程控制器、人機(jī)界面和驅(qū)動(dòng)裝置。在控制器、驅(qū)動(dòng)裝置和人機(jī)界面之間建立通信時(shí)的共享任務(wù)，可大大降低連接和組態(tài)成本。針對(duì)井下氣體監(jiān)測(cè)做了仿真測(cè)試，如圖4所示是某礦井下監(jiān)測(cè)組態(tài)監(jiān)控界面。

圖4 井下某區(qū)域檢測(cè)控制畫(huà)面

系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域進(jìn)行劃分，根據(jù)不同區(qū)域構(gòu)架不同的組態(tài)界面，分布層級(jí)，做相關(guān)隔離區(qū)域，各個(gè)區(qū)域都有相關(guān)檢測(cè)傳感器，根據(jù)不同區(qū)域，分布不同類(lèi)型的檢測(cè)傳感器，并且系統(tǒng)采用組網(wǎng)式連接，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)多區(qū)域及時(shí)提示報(bào)警，大大提升了系統(tǒng)的有效性和實(shí)時(shí)性。另外，系統(tǒng)采用了友好的上位機(jī)系統(tǒng)和手機(jī)APP(安卓系統(tǒng))兩種模式，為使用人員提供友好、方便的操作界面。網(wǎng)絡(luò)通信采用無(wú)線(xiàn)WIFI或4G網(wǎng)絡(luò)，保障系統(tǒng)多種復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程協(xié)助服務(wù)，使系統(tǒng)擴(kuò)展性更優(yōu)良。

圖5是礦下機(jī)架的驅(qū)動(dòng)軸程序模塊，本模塊是通過(guò)PLC程序驅(qū)動(dòng)一個(gè)伺服電機(jī)，當(dāng)發(fā)生安全事故時(shí)，根據(jù)感知傳感器的反饋信號(hào)，PLC執(zhí)行該程序，啟動(dòng)機(jī)架運(yùn)行，保證事故發(fā)生區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)大的事故。

圖5 機(jī)架的驅(qū)動(dòng)軸程序

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦安監(jiān)系統(tǒng)的研究方向很多。近幾年，大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)人員開(kāi)始嘗試大數(shù)據(jù)下，利用感知技術(shù)來(lái)檢測(cè)安全隱患，以可視化技術(shù)將煤礦安全隱患信息映射成可交互圖表的形式展現(xiàn)出來(lái)。