毕志霖

（大同煤矿集团同生精通兴旺煤业有限公司，山西大同 037000）

0 引言

煤矿安全生产监控系统在煤炭开采、运输过程中扮演着非常重要的作用，稳定可靠的监控系统可以保障煤矿高效、安全、有序地运转。目前煤矿安全监控系统检测的信息大多通过各种总线方式进行传输，有线网络的布设依然是主流方式，但是煤矿井下环境相当复杂，巷道来回交叉，要求总线跟随巷道的变化进行安装，增加了布线成本，可扩展性低，监控节点往往不能覆盖矿井的每个角落，存在一定的盲区；同时，电缆经常会遭受拉、压、挤、砸等情况，一旦发生故障，对于煤矿是极大的威胁[1-2]。本文针对上述问题与不足，基于PLC控制技术、ZIGBEE无线传感技术、传感器检测技术、上位机组态技术，提出一种新型的煤矿安全生产监控系统，可将矿井下各种环境参数、设备运行参数通过无线传感网络传输到地面，并根据监测到的数据控制井下的设备运行，有效解决了上述问题。

1 煤矿安全生产监控系统总体方案设计

设计的基于PLC与ZIGBEE无线传感网络的煤矿安全生产监控系统总体方案如图1所示。整个监控系统主要由地面监控中心、PLC控制系统、ZIGBEE协调器、数据采集分节点、控制执行机构组成。其中，数据采集分节点负责检测矿井下的温度、CO浓度、风速等环境信息以及设备开停状态并进行实时显示、报警，并通过ZIGBEE网络与协调器通信；PLC控制系统主要实现各类检测信息的上传以及控制指令的下达，起着承上启下的作用；ZIGBEE协调器主节点主要负责汇聚数据采集分节点的信息，并将信息传送给PLC控制系统，其与PLC控制系统通过RS232转RS485通信方式进行连接[3]；控制执行机构主要是当矿井下发生紧急情况时，使某些电器设备断电，停止运行；地面监控中心主要完成对PLC控制系统传来的检测信息的参数显示、报警，并进行故障分析，执行相应的设备保护操作。

图1 煤矿安全生产监控系统总体方案设计

2 硬件方案设计与选型

2.1 PLC控制器选型

煤矿安全生产监控系统把从协调器主节点收集到的矿井环境参数以及设备运行参数传输给PLC控制系统，PLC将信息上传给上位机并根据预设参数对相应的控制执行机构进行控制。根据本系统的输入和输出需求，在满足功能要求的前提下，选用了综合性价比较高的西门子S7-200系列PLC控制器，中央处理单元为CPU226模块，并配合一个输入量扩展模块，型号为EM221。CPU226模块拥有16个数字输出口和24个数字量输入口，配合EM221的8个输入口，完全可以满足监控系统的需求[4]。

2.2 煤矿数据采集节点硬件设计

煤矿数据采集节点方案如图2所示。数据采集节点主要由液晶显示模块、各类矿用传感器、无线通信模块、电源管理模块组成，主要实现对矿井的温度、烟雾、压力等环境参数以及设备运行工况信息的无线远程传输。无线通信模块选用TI公司生产的CC2530芯片实现ZIGBEE组网通信。CC2530是一个真正用于IEEE 802.15.4的ZigBee片上系统解决方案，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点[5]，协调器主节点同样选择CC2530芯片。PLC与CC2530之间通过CP340模块进行串口通信，电源管理模块主要为各类矿用传感器，液晶显示模块和无线通信模块提供电源。

图2 煤矿数据采集节点方案

2.3 矿用传感器选型

监控系统离不开各类矿用传感器，需采集各种环境参数以及设备运行工况，本系统需检测的参数较多，具体选型如下。（1） 甲烷传感器。选用型号为GJC4的甲烷传感器，它可以自动将井下沼气浓度连续转换成标准电信号输送给数据采集节点，并具有报警功能。（2） 温度传感器。选用型号为KGW5的温度传感器，用于检测煤矿井下的环境温度，能与各种监控系统配套使用。（3） 烟雾传感器。选择型号为GQQ5矿井烟雾传感器，用于检测矿井下因机械磨擦、电缆发热、煤层自燃等原因引起的烟雾。（4） 设备开停传感器。选择型号为GKT18的设备开停传感器，用来监测供电电流大于5 A的各种交流驱动机电设备。（5） CO传感器。选择型号为KGA3的电化学式CO传感器，该传感器稳定性高，灵敏度好，测量范围宽，可与煤矿安全监控系统配套使用。（6） 水位传感器。选择型号为KGU9的水位传感器，该传感器是一种投入式传感器，可用于检测矿井下水仓、管道等地方的水位。（7） 压力传感器。选择型号为KGY4的压力传感器，可对矿井风机、风门密闭、通风巷道等地进行差压连续监测。（8） 风速传感器。选择型号为GFY15的风速传感器，主要用于连续监测矿井通风总回风巷、井下主要测风站、扇风机等处的风速。（9） 风门开闭传感器。选择型号为KG1012的风门开闭传感器，该传感器是一种检测煤矿井下风门开、关状态的装置。该系统设计选用的所有的井下矿用传感器均为本质安全兼隔爆型设备，供电电源都是本质安全电源[6]。

3 软件方案设计

3.1 下位机程序设计

下位机程序设计主要包括主程序设计和中断服务程序设计两部分。其中，主程序主要负责对矿井下的各种环境参数以及设备运行工况进行检测、信息采集，并将采集的信息通过无线传感网络传输给PLC控制器，进而上传给地面监控主站。矿井监控分站下位机主程序流程图如图3所示。主程序又包含一系列子程序，包括声光报警程序、液晶显示程序、无线通信收发程序、CAN总线收发程序、A/D采样转换程序、执行机构控制程序等；中断服务程序主要为了应对地面监控主站而而设计，当地面监控主站发出控制指令时，中断服务程序便会启动[7]。

图3 矿井监控分站下位机主程序流程图

3.2 上位机监控系统设计

地面监控主站是基于计算机技术、组态软件技术、数据库技术经过二次开发形成的。组态软件是工业数据采集与过程控制的专用开发平台，其采用图形化界面，用户可以根据项目需求任意组态，就可以实现项目功能[8]。监控软件的设计采用了模块化的设计思想，整个软件由多个监控模块组成：数据处理模块、控制模块、报表模块、曲线模块、报警模块、参数设置模块等。另外，组态软件与SQL Server连接，系统可将检测信息存储在数据库中，数据库可保存历史数据。

煤矿安全监控软件提供一套完整的煤矿监控功能，可对甲烷浓度、风速、CO浓度、温度、风压、水位差、设备开停等参数进行监控，并提供数据分析，数据显示，打印结果，查询分析，提供实时数据存储，报警，显示，打印井下安全状况等功能。监控软件主界面示意图如图4所示。

图4 监控软件主界面示意图

4 结束语

本文在分析传统煤矿安全生产监控系统存在诸多不足的基础上，借助无线传感网络技术、PLC控制技术、传感器检测技术、组态软件技术等，设计了一种基于PLC与ZIGBEE无线传感网络的煤矿安全生产监控系统。本系统将各种矿用传感器和无线传感网络相结合，实现对井下传感器检测信息的无线传输，有效避免了有线布设繁琐、电缆传输故障多的问题；设计的上位机监控软件可对井下的环境参数及设备运行状况进行实时监控，当矿井环境及设备出现异常时，实现自动报警，满足了煤矿企业对煤矿安全生产监控系统的需求。