煤炭作为我国的重要基础能源，为我国的经济基础建设提供了重要保障，在未来30年内，煤炭在我国一次消耗能源中所占比例依旧会超过50%[1]。针对煤矿过去发生的重大事故进行分析，主要原因除了归咎于操作不规范、安全意识不到位以外，还包括信息采集不全面、安全生产监控数据缺失等，造成救援时决策缺乏科学依据，耽误救援工作的推进[2-3]。传统的安全监控系统采用有线传输的方式，因设备负载及线路损耗导致监测数据传输距离有限，无法满足系统功能要求，随着信息技术的发展，无线通讯技术逐渐成熟，衍生出一种基于无线传感网络的安全监控系统[4]。本文设计了一种基于PLC与无线传感网络的煤矿安全生产监控系统，以实现井下瓦斯、火灾、压力与工人位置等数据的采集功能，并通过PLC控制通风机调节井下数据参数，满足矿井的安全生产要求[5]。
1监控系统总体方案
1.1监控系统工作原理
煤矿井下监测监控系统主要由井上地面中心站与井下无线传感网络组成，井上监视中心包括监控主机、PLC控制器、变频器与主通风机等，井下无线传感网络包括无线节点设备、矿工安全设备与信号采集设备等[6]。监控系统主要实现功能有井下环境信号采集功能、矿工考勤及人员定位功能与通风功能，具体如下。(1)井下环境信号采集。功能本系统采集的环境信号主要为井下的瓦斯浓度、温度与湿度等，系统通过各类型传感器测量，信号通过无线通信的方式传输到协调器，通过有线传输到井上监控主机。(2)矿工考勤定位功能。矿工随身携带的安全设备，通过无线传感网络与路由器进行通信，信号最终传输到监控主机中，系统通过无线路由的准确位置，大概估算出员工的位置，实现考勤定位功能。(3)通风功能。系统监测到井下瓦斯浓度、温度与湿度信号超过限定值，通过PLC控制器调节矿井的主通风机，增加井下有害气体的排除量，确保井下工作环境的安全性。
1.2无线通信技术
本文的无线通讯网络采用ZigBee技术，以各独立的网络节点为基础，通过无线通信，组成星状、网状的通讯网络。系统选用ZigBee无线通讯网络的主要原因有：ZigBee通讯的传输速度在20~250kb/s，适合传感器数据的传输;ZigBee无线适合应用于低速率、低功耗、网络复杂的环境，满足煤矿安全系统需求;ZigBee技术可组建规模庞大的网络体系，可覆盖煤矿井下的所有位置;终端设备的功耗较小，方便煤矿工人携带。ZigBee网络以IEEE的无线标准为基础，有利于系统与其他设备的兼容性[7]。
2基于ZigBee的监测网络设计
2.1监测系统硬件
监测网络终端设备需要工人携带，所以本文选用ARM处理器作为系统的核心计算单元。监测系统的硬件结构如图2所示，具体包括ARM处理器及外围电路、报警蜂鸣器、ZigBee无线单元、语音交流单元、键盘与各信号测量单元等。外围电路包括电源电路、有源晶振电路、复位电路、JTAG电路与I2C通信电路等。键盘设有各种功能按键，可控制系统的工作状态。ZigBee无线单元采用嵌入式无线模块。包含电源接口、天线接口、控制接口与数据接口等，通过TTL收发接口与ARM处理器实现信息的传输功能。当发生瓦斯超标等预警或事故时，语音交流单元负责向工人传达撤离信息，维护疏散秩序等。本系统CPU选用基于ARM的LPC2103微控制器，LPC2103控制器支持系统的实时仿真，可用于小型系统，内置较多通信接口，32条高速GPIO通道，8kb片内闪存，满足本系统的监控要求。LPC2103内核与外设分别需要1.8V与3.3V电压供电，电路板需5V电压供电[8]。
2.2瓦斯检测单元
本文选用TGS6812瓦斯传感器测量井下的瓦斯浓度信号，该传感器通过检测碳氢与氢氧化物等可燃气体的浓度，来解决瓦斯浓度信号的监测，具有测量精度高、测定结果稳定可靠的优点。由于传感器输出的电压较小，无法直接被ARM处理器使用，所以本文设计了一个瓦斯浓度信号测量电路，如图3所示，放大器件AD623与TGS6812都采用3V电压源供电。测量电路主要采用AD623放大传感器输出的模拟信号，其中电阻R5决定了电路的放大倍数。传感器在投入使用前，应用精密仪器校准并进行定期调校。
3基于PLC的通风控制选型设计
矿井通风系统采用变频调速控制，调节电机转速实现井下通风量的变化，进而保证井下温度、湿度与瓦斯浓度等环境参数在一个安全范围内。本节在安全生产监控系统的基础上，设计了一种基于PLC控制器的通风系统，其具体硬件包括PLC控制器、变频器与人机交互等设备。本文选用S7-200PLC作为系统控制器，由CPU、输入输出模块、通信模块与存储器等组成，具有体积小、响应速度快、灵活性高、应用范围广等优点，可满足系统各控制要求;控制器运用一定的抗干扰技术，与传统继电控制相比，可有效隔离外部电流带来的扰动;扩展维护方便简单，技术人员操作时减少了很多麻烦。系统选用MM440变频器，可靠性高，节能效果优良，具有一定的电机保护功能，降低了过电压、欠电压等故障下对设备的损害。控制系统的数据参考全部来源于监测系统，PLC与监控主机通过RS485串口通信方式连接，实现数据的实时传输共享。控制系统通过数据的计算分析，控制风机转速，实现井下参数调节，通过监测系统的数据反馈，实时调整转速变化，形成闭环负反馈控制。本文所设计的煤矿安全生产监控系统通过结合利用PLC控制技术与ZigBee无线通信技术，将煤矿的环境监测系统、人员考勤定位系统与通风机变频调速系统融合为一，节约了井下空间与网络资源。
4结束语
本文设计了一种基于PLC与无线传感网络的煤矿安全生产监控系统，利用微小型ARM处理器，将终端设备设计为便携式，方便工人的考勤定位，为监控系统提供了环境数据的参考。系统通过无线传感网络实现了井下环境的全覆盖、实时监测功能，保障煤矿生产系统的安全性与稳定性。
参考文献：
[1]李恩,蔡丽,梁自泽,等.一种适用于煤矿安全监控系统的CAN总线应用层通讯协议[J].计算机应用,2006,26(9):2178-2181.
[2]刘圆,朱华.基于Zigbee技术的煤矿安全监控系统[J].工矿自动化,2007(04):1-3.
[3]周霞,魏臻,胡晓健.基于CAN总线的煤矿安全监控系统网络通信设计[J].工矿自动化,2005(03):39-41.
[4]蔡崇.煤矿安全监控系统风电瓦斯闭锁实现方式的探讨[J].工矿自动化,2010(7):75-78.
[5]王伟,马小军,王健,等.基于光纤以太环网和现场总线的煤矿安全监控系统的应用[J].测控技术,2013,32(05):82-84.
[6]罗心,罗可.基于GPRS和CAN总线的煤矿安全监控系统[J].仪表技术与传感器,2008(5):77-78.
[7]宋楠楠,陈岩.一种基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统[J].食品科学技术学报,2010,28(2):47-49.
[8]广州周立功单片机发展有限公司.基于ZigBee技术的煤矿安全监控系统[J].电子产品世界,2009,16(06):67.
《煤矿安全生产监控系统设计研究》来源：《机电工程技术》，作者：周帅
