基于PLC的煤矿井下监测系统设计.pdf

第38卷第6期 敏檢』PT8 2020 年 6 月 MACHINERY / ELECTRONICS June 2020 基于PLC的煤矿井下监测系统设计 董青青董青青 陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳712000 摘 要摘 要为实现对煤矿井下恶劣工况环境的监测，针对其监测系统确定控制需求，提出了基于PLC的煤 矿井下监测系统设计方案。利用安川模块化硬件搭建控制系统硬件平台，满足控制器与上位机、其他控制 器节点及不同接口形式传感器的硬件兼容与扩展，为系统功能实现奠定基r。。基于Visua l St ud io集成开发 环境建立上位机人机交互界面，通过以太网实现与PLC的通信，不同PLC节点可通过内部总线进行数据交 互，各PLC节点可触发传感器工作并获取反馈数据。。建立了非实时系统与实时PLC间的数据同步交互机 制，确保控制器与上位机数据交互的准确性和可靠性，并利用模拟工况环境试验验证了方案的正确性和可 行性。 。 关键词关键词监测系统；上位机；控制器；传感器 中图分类号中图分类号TP277 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1001 - 2257202006 - 0046-04 Design of Underground Coal Mine Monitoring System Based on PLC DONG Qingqing Sh a a nxi Energ y Inst it ut e，Xia nya ng 712000，Ch ina Abstract A mo nit o ring syst em ba sed o n PLC wa s d esig ned t o rea lize t h e mo nit o ring in t h e ba d wo rk ing c o nd it io n o f c o a l mine a nd t h e syst ema t ic a l mo nit o ring d ema nd . Wit h t h e Ya ska wa mo d ula r h a rd wa re， ， a h a rd wa re pla t f o rm o f c o nt ro ller syst em wa s built t o mee t t h e h a rd wa re c o mpa t ibilit y a nd expa nsio n wit h h ec o n roler h euppe rc o mpu era nd o h erc o n rolerno d esa nd senso rswi h d iferen in erf a c ef o rms wh ic h h elps t h e rea liza t io n o f t h e syst em f unc t io ns. Th e h uma n - c o mput er int erf a c e o f t h e upper c o mput er wa sest a blish e d ba se d o nt h e int e g ra t ed d eve lo pment enviro nment o f visua lst ud ioa nd t h e c o mmunic a t io n wit h PLC wa srea lize d t h ro ug h Et h ernet .Difere nt PLCno d esint era c t ed wit h d a t a t h ro ug h int erna lbus a nd ea c h PLCno d et rig g ere d t h ese nso rwo rka nd o bt a ined f e ed ba c kd a t a .Int h ispa pert h ed a t a sync h ro - no us int era c t io n mec h a nism bet ween no n rea l t ime syst em a nd rea l - t ime PLC wa s est a blish ed t o ensure t h e a c c ura c y a nd relia bilit y o f d a t a int era c t io n，，a nd t h e a c c ura c y a nd f ea sibilit y o f t h e sc h eme were verif ied byt h eenviro nme nt a lt ePt und erPimula t e d wo rking c o nd it io nP. Key words mo nit o ring syst e m； h o st c o mput er； c o nt ro ller； senso r 0 资源丰富，高效安全的 是钢铁、电力、 化工等工业生产和居民生活的有力保障1 然而， ， 煤矿资源是重要的常规能源和战略资源，中国 ， ， 瓦斯等易燃易爆气 收稿日期2020 - 03 - 09 作者简介董青青（19 8 2 ）女，陕西咸阳人，副教授，研究方向为机电一体化、煤矿机械设备电气控制等。 ・・46・ ・ 董青青基于PLC的煤矿井下监测系统设计自动控制检测 体，严重威胁着操作人员的生命安全，且矿难事故 的发生 成巨额 失，安 效地 对 资 行 是工程机械实现的重点，同时 也是学术研究的热点。。随着工程机械、集成电路和 电子信息等行业的发展，煤矿开采技术 推陈岀 新，通过对 各 理参数的实时准 控，以确保 的安全杨宁等4 80C51 机设计了 式瓦斯浓度检测仪， ， 实时检测 瓦斯 ， ， 超过阈 实 现报警功能。。王雄旧基 式控制系统设计了煤 探测机器人，可通过视 、环境信息采 集及运动控制模块实现对 理参数的实 控。 。 成电路及电子信息技术实现对煤 的准确监控，是保证安全开发和利用煤 气资源的重要方法，然而 制，通 工作人 作业 ，监控设 对功耗、作业 及信号传输稳定性等具有很高 要求。 。 ，有效利用现代电力电子技术优化 测系统， ， 保证 控 运行的 性、 、 理参数 的准确性和数据传输的稳定性，是推 进煤矿行业健康 发展的 。 。 1 控制系统需求设计 为实现对煤矿井下环境相关物理参数的准确 采集和监控，首先，对本文所涉及的控制系统需求 行分析，系统应具备对煤矿井下瓦斯、一氧化碳、 二氧化碳、 及其 气体等物理参数的 实时准确采集。其次，由 需要实现对 险 行同步实时监控， ， 要求被监测数据能 、准确地 程监控 平台。 。 ，用户能 控制系统把握 井 工作环境，且针对 特殊危险的工况状态能够 做岀 理预案。 。 ，针对监控系统整 r ，将 对控制系统的 如下 a .分布式控制系统d isc ret e c o nt ro l syst e m， ， DCS。。根据 工况条件可知，其需要实现不 的 理参数 ， ， 对数据 理 和决策，所以利用DCS也称为离散控制系统可以 实现上述要求。 。 b.控制器级实时数据传输手段。。DCS系统能 够实现多节点数据的 和处理，但各节点无法直 接将数据分别传 程监控平台，所以需要总控 制 实现对各 点数据的 将数据传 至远程监控平台。。由此可见，实时的控制器级数据 传输手段是实现 测系统的 之一■ c. 通过DCS控制系统可以获取通信网络中各 节点的实时数据，控制器总机需要 数据 准 确地传输 程监控平台，以保证位 作室的用 及时准确地掌握 实 理数据，且可以 根据现场数据指导 作人员的作业。 。 d. 系统 的柔性和可扩展性。。目前， ， 要监控的物理参数包括温度湿度、瓦 斯、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等气体的 ，传 感器与控制器间接口固化。。随着电力电子和传感 器 技术的发展，传感器与控制器间接口可能有 所变化，因此为保证系统对传感器技术的兼容性， ， 要控制节点 的柔性和可扩展性。 。 根据 上对 测系统控制 ， ， 设计了 测系统总体架构，如图1所示。 。 其中，上位机控制器即远程监控平台的 作终 端，通过网络传输媒介实现与下位机控制器的通 信， ， 位机控制器通 传 器信 接口 实现 的 理参数 ， ， 各控制 点 要 数据通信功能， ， 将各 点的数据 与 操作终端 理连接的控制器节点中，以满足远程 控平台对各节点工 的监测。 。 |上颐控制器J J 协Mf w器屮”下a t f wj器2卜-----► 网络传输 內部总线 內部总线 Wf专感器| T 鏑 T 专感器| T 一 T 硫］ T温度湿度传勰| 冷灯阳删模 I Wf专感器| 鏑 rMWf专勰| 一氧| 硫| 温度湿度传勰| 灯阳空制艇| 图1煤矿井下监测系统总体架构 2 基于PLC的控制系统实现 根据 测系统 架 ， ， 要实现系 统 和 计，完成监测系统功能。。针对远程 控平 ， ， 基 Wind o ws 作系统的 Mi c ro so f t Visua l St ud io应用软件，建立上位机控制器 用户端监控界面基于Wind o ws操作系统的应用软 的可扩展性、兼容性和移植性较高，便于功能新 增和变更；利用Mic ro so f t Visua l St ud io应用软件 实现对本地计算机网卡的访问，通过TCP/IP协 议与其 接口的网络通信装置进行 数据交互；此种模式下上位机控制器能够对获取的 ・・47・ ・ 20206 数据进行批量处理，通过图形用户界面直观地反映 理参数的变化规律, , 程监控平台的操作 人 和处理数据，并对突发、异常工 做 出及时响应。 程监控平台基础上，采用基于安川的 MP2200控制器，实现下位机各节点对工 的 物理参数监控。。MP2200控制器 的可扩 展性，能 化 置实现 功 能 ， ， 载功能可将其分为通信 （如 RS232、RS422、RS485和TCP/IP以太网通信板卡 等）、通用数字输入输岀板卡（如DIO ）、模拟 量输入输出板卡（如AI、AO板卡）和脉冲输入输 出 （如PO、CNTR板卡）；除此之外，其 出 色的节点间通信能力， ， SVB通信 实现 M II 总线（MECHETROLINK II）或 M III 总线 （MECHETROLINK III）。。M II 总线是基于 485 线开发的总线通信技术, , 传输速率为 10 Mbit /s；M III总线是基于以太网的总线通信技 术，最大传输速率为100 Mbit/s。 。 ，根据 测系统 架构需求，基于MP2200控制 器及其 化 ，构建了图2所示的 基于安川PLC的 测系统 平台。 。 根据图2可知，首先，利用LIO和AO 实 现灯光 和亮度的控制，利用AI模块能够完成 对二氧化碳、一氧化碳及瓦斯气体的浓度检测；利 用PO模块可触发烟雾报警传感器、硫化氢气体浓 传 器和 传 器 数据， ， CNTR 上述传感器反馈的脉冲数量及宽度，据此 各节点传感器 数据。。其次，SVB 匕可 将各节点获取的传感器 数据，汇总至与用户操 作终端有物理连接的控制器节点中。最后，CPU模 将外设通 的各传感器数据进行实时计 算和转换，得到 理意义的传感器数据，并通 定时传输送方式将相关数据实时传输至上位机 控制器。至此，本文所述硬件系统具备了采集多节 点 传感器数据的可能。 。 3 系统软件设计 根据基 PLC 的控制系统 平 置信 ， ， 系统软件主要包括上位机控制器软件和下位机控 制器 。。上位机控制器 基于Wind o ws操作 系 统， ， Mic ro so f t Visua l St ud io 成 发 行图形 面设计，利用软件自带的控 搭 建界面，实现人机交互。。为实现上位机 的核心 TCP/IP网络通信功能，基于开发 自 函数 操作计算机网卡，利用So c ket机制实现网络数据通 信。。上位机 的控制流程如图3所示。 。 启动 行数据和 理初始化；其次建 程 控制计算机与下位机控制器的网络通信；接着实时 各 点 所 工 理参数， ， 根 据 的数据实时处理，判断是 发 生；最后根据 的状态提示 作导向 信息。 。 图3上位机软件控制流程 下位机控制器 安川提供的MPE720集成 开发环境编制软件，其编程原理与通用PLC编程环 ，采用梯形图实现对各 的操作。。综 合考虑 和通信 对控制器实时性的需 ，本文将控制器实 新周期定为50 ms， ，即每 50 ms控制器对各节点数据进行 MP2200拽制器MP2200拽制器 MP2200拽制器 MP2220 MBU-01 CPU-01VB-121 ■ IF-01 □ LIC-01 n AC-01 n AI-01AI-01PC-01 n CNTR-1 S 1 MII-CN1 Mli2 RS 232 Et hernet I CN1 五 CN1 □ CN1 图2煤矿井下监测系统硬件平台 ・・48・ ・ 董青青基于PLC的煤矿井下监测系统设计自动控制检测 作终端 理连接的控制器节点中，再通过此 节点控制器将数据传 计算机应用软件。众所 周知，传统的Wind o ws操作系统为非实 作系 统， 针对非实时人机 面和实时控制 器的通信问题，在控制器中建立了数据 和刷新 机制， 控制器中的数据 网报文 ，控制器 释 数据，以此保证上位机 面与下位机控制器 通信的功能 。 下位机控制 程如图4所示。下位机控制 器首先建立网络连接其次通过CPU 作外设接口获勇 点的传感器数据；再通 线 其 点单元的传感器数据，若内部总线数据传输失败, 报警代 束控制器程序， 线数 据传输成功，则建 机制；接着将下位机 数据传送至上位机远程监控平台，若以太网通信失 ， 报 代 束控制器程 ， 网 通信成功, 点的传感器数据, 并重复执行数据传输步骤。 图4下位机控制器软件流程 4 试验验证 针对本文所述的基于PLC的煤矿井下监测系 统，以MP2200控制器为基础搭建 平 行 。表1为 所 的传感器 丰、 型号、类别及测 和单位。所选传感器是基 于测 实现控制交互接口的 ，通常其控 制交互接口为4〜20 mA,0〜5 V,0〜10 V或脉冲 形式。 通过基于PLC的控制系统硬件配置和上位机、 位机控制器 作 程， 实现对 工 的实 理参数传输和监控。图5为其工 况环境的物理参数实 控 。由图5可知，监 控数据 示 表1 传 器的 程 ， 基 PLC 的 检测系统能够准 效地实现数据 测 表表1传感器选型传感器选型 品牌型号类型测量范围 炜盛电子M Q-5瓦斯/mg m 3 0〜10000 瑞典 S enseAir S 8 0053二氧化碳/mg L 1400〜20000 精讯畅通JXM- CO一氧化碳/mg L 1 0〜1000 精讯畅通JXM-H2S 化 / mg L1 0〜1000 深圳R isym DS 18 B20 /j 0〜50 深圳R isymDHT11 湿度/20〜90 1. 0 m・書 、豊晝 瓦W 0123456789 10 0123456789 10 图5工况环境物理参数实时监控结果 5 本文对煤矿井下工况条件进行分析，确定监 测系统的控制 ，并根据 证系统的硬件 和 架构。 基于PLC的模块化 置, 其网络通信、总线通信 输入输岀、通 用数字输入输岀，以及脉冲输岀和检测等 ，实 现控制系统与远程监控平台、传感器及控制器的 物理连接。通过Visua l St ud io集成开发环境编写 上位机 ，通过PLC程序实现控制器与传感器 的数据交互，最终通 证所提方案的正 确性。 参考文献参考文献 [1]齐帅，李宝林，程岩.煤矿救援机器人研究应用现状和 需解决的问题[J].矿山机械,2012, 4067 - 10. 下转第54页 49 * 20206 制算法可以有效抑制二维跟踪雷达伺服系统的跟 差，显著提高 系统的 。 为对上述 行更多的验证，另选取2 的输入条 行对 ，结果如表1所示。 表表1 2种控制算法下的跟踪效果种控制算法下的跟踪效果 控制算法 跟踪 误差 类型 第1组 R 5 a30 030 第2 R 8 a 60。 022. 5 单轴独立 Y 轴/ 0.07 8 00.07 17 无耦合Z 轴/ 0.0239 0.07 20 控制 系统跟踪误差/ 0.07 19 0.08 17 变增益 Y 轴/ 0.0506 0.0653 模糊交叉Z 轴/ 0.0012 0.0342 耦合控制 系统跟踪误差/ 0.0348 0.0435 由表1可知，采用变增益模糊交叉耦合控制算 法时，各单轴及整个系统的 差 程度 的减小，表明系统的跟踪性能得到有效改善，这和 前面的 一致。 4 工程验证 为验证所设计控制算法的工程可实现性,在某型 跟踪雷达上进行了工程试验验证。其中，天线车单元 主要包括天线阵面、方位-俯仰型天线座、汇流环和伺 服控制分系统等 ，主要 成如图10所示。 图10某型跟踪雷达主要设备组成 在PCC可编程逻辑控制器中，将本文所设计的 耦合控制算 到运动控制程 序。 ，设定 系统方位轴和俯仰轴都发岀 相同的阶跃输入指令30。，得到单轴独立无耦合控 制时的系统 差为0.093。，而 耦合控制时的系统跟踪误差仅为0.045。。对比 发现， 所提岀 的 控制 算 实 效 系 统 差， 提高 ， 对 的 工 程 计 一定的参 。 5 结束语 针对精密跟踪雷达伺服系统中跟踪误差的问 题，提岀 计了 一 雷达的变增 耦合控制算法， 搭建基于 的 雷 系统的 ，对比验 证了该算法的有效性， 雷达平台上 验证了该算法的工程可实现性。 表明，所设计 的控制算 能 效 系 统 差， 提高雷 系统的 ， 雷 系统 的 。 参考文献参考文献 [1] 昊凤高.天线座结构设计[M].西安西北电讯工程学 院出出版社，1986. 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