礦山物聯(lián)網(wǎng)M2M環(huán)境下控制系統(tǒng)改造新方法

引言

白莊煤礦綜合自動(dòng)化于2007年開始建設(shè)，系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò) 采用1 000M工業(yè)以太網(wǎng)，建設(shè)內(nèi)容包括：調(diào)度指揮中心建設(shè)、 綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、-430主排水泵房（9臺(tái)泵）、井下-430 變電所（53面柜子）、皮帶運(yùn)輸線、斜井絞車監(jiān)控、地面壓風(fēng) 機(jī)監(jiān)控、35 kV地面變電所、主副井提升機(jī)、主扇風(fēng)機(jī)等系統(tǒng) 監(jiān)測(cè)接入環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)井下和地面各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)和大型機(jī)電 設(shè)備、供電系統(tǒng)、管網(wǎng)等的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)全礦井的各種數(shù)據(jù)采集， 使生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理、決策指揮網(wǎng)絡(luò)化、信息化、科學(xué)化叫 綜合自動(dòng)化的建設(shè)為礦山物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)，但 綜合自動(dòng)化中以子系統(tǒng)接入的方式并不能完全滿足礦山對(duì)傳統(tǒng) 控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的要求，需要用礦山物聯(lián)網(wǎng)的概念來拓展 煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用［2-3］。

本文以礦山斜井絞車控制改造為例，來論述礦山物聯(lián)網(wǎng) 中M2M （物與物）的概念，并通過邏輯系統(tǒng)的構(gòu)建，介紹進(jìn) 行傳統(tǒng)控制系統(tǒng)改造的新方法。實(shí)踐證明，物聯(lián)網(wǎng)中M2M的 概念非常有利于礦山己有控制系統(tǒng)的改造。

1子系統(tǒng)接入與邏輯系統(tǒng)構(gòu)建

圖1所示是白莊煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成，基本實(shí)現(xiàn)的 是子系統(tǒng)接入，而不是物的接入。在控制系統(tǒng)中，“物”包括 傳感器、執(zhí)行器、控制器、被控對(duì)象以及系統(tǒng)中各種監(jiān)測(cè)量 等。所謂子系統(tǒng)接入就是當(dāng)將某個(gè)控制系統(tǒng)中的所有這些'物”， 聯(lián)接成一個(gè)子系統(tǒng)（如通常的PLC控制系統(tǒng)），再接入到總體 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的集控，這就稱為子系統(tǒng)接入叫目前，煤 礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中絕大部分控制系統(tǒng)均采用的這種子系統(tǒng) 接入方式。特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)獨(dú)立，應(yīng)用比較廣泛。但當(dāng)需要進(jìn)行系統(tǒng)改造或擴(kuò)展時(shí)，需要對(duì)整個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)、擴(kuò)容，如增加 PLC 的 I/O 模塊、擴(kuò)展接線端子、擴(kuò)大控制箱空間等。當(dāng)受到子系統(tǒng)擴(kuò)容能力的限制時(shí)，不得不推翻原控制系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。

與子系統(tǒng)接入相對(duì)應(yīng)，礦山物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)“物”與“物”相聯(lián)，即傳感器、執(zhí)行器、控制器等以某種方式直接接入主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，而不需要通過子系統(tǒng)控制器。這樣的“物”布置靈活，適合快速布置、移動(dòng)應(yīng)用等場(chǎng)合，所構(gòu)成的系統(tǒng)稱作邏輯子系統(tǒng)。

按照物聯(lián)網(wǎng) M2M 的理念，對(duì)原有礦山控制系統(tǒng)進(jìn)行改造的問題，就是將新的“物”與原有的子系統(tǒng)如何相聯(lián)接，并參與到控制邏輯中去的問題。白莊煤礦原有絞車控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)主要由主機(jī)（S7-200PLC）、張緊裝置、梭車、尾輪、壓繩輪、托繩輪、轉(zhuǎn)向裝置等組成。絞車操作工與信號(hào)工及沿線安全設(shè)施（擋車門、阻車器、道岔）操作工之間聯(lián)系方式只有打點(diǎn)器及調(diào)度電話，信號(hào)相互獨(dú)立，缺乏必要的聯(lián)動(dòng)和閉鎖的功能，安全性差，地面與井下人員的信息溝通不及時(shí)，難以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握絞車運(yùn)行及巷道人員分布情況。

為了提高絞車運(yùn)行的安全性，需要對(duì)原絞車控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，依照絞車運(yùn)行軌跡及方向，新增傳感器及執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)防跑車安全設(shè)備、道岔指示信號(hào)、打點(diǎn)信號(hào)、行人信號(hào)等與絞車的運(yùn)行聯(lián)動(dòng)控制和閉鎖，并輔以語音通信與視頻監(jiān)控，確保斜巷絞車安全運(yùn)行。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下絞車控制系統(tǒng)改造方案

原絞車是用 PLC 控制的，新改造方案理所當(dāng)然首先考慮按傳統(tǒng)的 PLC 系統(tǒng)改造擴(kuò)容方式，即增加 I/O 模塊等。但原絞車控制系統(tǒng)過于簡(jiǎn)單，采用 CPU 222 ：本機(jī) 8DI/6DO，沒有模擬量模塊。新增的三道測(cè)速傳感器及防跑車安全設(shè)備、道岔信號(hào)、打點(diǎn)信號(hào)、四道行人信號(hào)等需與絞車的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制和閉鎖，I/O 點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原設(shè)計(jì)的擴(kuò)容量，且需要模擬量模塊，原控制箱空間不夠，計(jì)算量也比較大。在原 PLC 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造實(shí)際相當(dāng)于推翻原控制系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)新的 PLC 控制系統(tǒng)，顯然改造量較大，經(jīng)濟(jì)上也不合適，且影響生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。

利用礦山物聯(lián)網(wǎng)M2M的概念，將原絞車PLC控制系統(tǒng)作為“物”的一個(gè)子集，新增傳感器、執(zhí)行器、控制器等直接接入主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，而不需要通過原PLC控制系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層和應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)物與物相聯(lián)，構(gòu)成新的控制系統(tǒng)。新的絞車控制系統(tǒng)方案如圖2所示，礦山物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)為：感知層，傳輸層，應(yīng)用層。其中傳輸層采用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的1000M工業(yè)以太主干傳輸網(wǎng)絡(luò)。

其中原PLC控制系統(tǒng)在白莊煤礦綜合自動(dòng)化建設(shè)中己用CP243-1以太網(wǎng)模塊聯(lián)接到以太網(wǎng)，其他新增傳感器、控制器等均通過RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接入到1000M工業(yè)以太網(wǎng)，語音和視頻分別通過相應(yīng)的語音、視頻網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)。

3主要集成過程技術(shù)實(shí)現(xiàn)

新增傳感器與控制器等通過NPort5150串口通信模塊（RS485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊）掛接到工業(yè)以太網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)上行，由上位機(jī)KEPSERVER軟件（OPCServer）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，傳送至IFIX組態(tài)軟件后通過工業(yè)以太網(wǎng)下行轉(zhuǎn)發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)S7-200PLC，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸、控制流程。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如3所示，原理示意圖如4所示。

4絞車控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能

改造后絞車控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：信號(hào)輸入主要包含絞車去向、絞車位置、功能信號(hào)等部分。其中絞車信號(hào)包括上行、下行等信號(hào)。信號(hào)輸出主要包含下行音響、顯示信號(hào)，上行音響、顯示信號(hào)，行人計(jì)數(shù)信號(hào)和電視顯示器信號(hào)等。以下重點(diǎn)介紹行人監(jiān)控、跑車捕捉和打點(diǎn)信號(hào)閉鎖。

在上、下車場(chǎng)安裝四個(gè)熱釋電紅外行人傳感器。以上車場(chǎng)為例 ：安裝兩個(gè)熱釋電紅外行人探測(cè)器，根據(jù)兩個(gè)探測(cè)器動(dòng)作的先后判斷人員是進(jìn)入或走出巷道，同時(shí)對(duì)進(jìn)出的人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷巷道中滯留的人數(shù)。此信號(hào)由數(shù)碼管顯示，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)送到 PLC，進(jìn)入閉鎖控制邏輯。在絞車運(yùn)行過程中，巷道入口的聲音和燈光報(bào)警裝置，提示行人禁止進(jìn)入，如果有工人闖入巷道，行人信號(hào)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?PLC，主站將會(huì)發(fā)出語音報(bào)警，提示操作人員有人在絞車運(yùn)行時(shí)闖入巷道，并在屏幕上顯示出進(jìn)入巷道的時(shí)間和位置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)絞車停車閉鎖。

本次增加的跑車捕捉裝置主要有雷達(dá)測(cè)速傳感器、擋車欄，共設(shè)了三道測(cè)速與捕車裝置。測(cè)速信號(hào)為模擬信號(hào)，能過網(wǎng)絡(luò)傳送到 PLC，當(dāng)測(cè)量到車輛超速時(shí)，判斷為跑車，啟動(dòng)捕車控制器，攔阻車輛，有效防止造成危害礦井安全的事故。

斜井絞井通常是用打點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人員與絞車司機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)的。過去這種打點(diǎn)信號(hào)主要在人與人之間進(jìn)行信息傳遞，并不參與到 PLC 控制邏輯中去，由于人的疏忽往往會(huì)造成操作錯(cuò)誤，產(chǎn)生事故。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，將這種打點(diǎn)信號(hào)變成 PLC 能理解的閉鎖信號(hào)，參與到 PLC 控制邏輯中去，最大程度避免了絞車司機(jī)操作的人為失誤。

5 結(jié) 語

M2M 是物聯(lián)網(wǎng)中非常重要的一個(gè)概念，用來實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中物與物相聯(lián)，而不管這個(gè)物是過去己經(jīng)聯(lián)接到物聯(lián)網(wǎng)上，還是新加入到物聯(lián)網(wǎng)中來的。充分利用好礦山物聯(lián)網(wǎng)中 M2M的概念，對(duì)礦山控制系統(tǒng)改造，體現(xiàn)礦山物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)性平臺(tái) [6]的作用都是非常有意義的。本文以礦山斜井絞車控制改造為例，討論了礦山物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，依照 M2M 的理念，通過邏輯系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行傳統(tǒng)控制系統(tǒng)改造的方法，實(shí)現(xiàn)了絞車控制中的行人、捕車器及打點(diǎn)信號(hào)等的閉鎖控制功能，提高了絞車運(yùn)行的安全性，系統(tǒng)改造工作量小、經(jīng)濟(jì)、快速。實(shí)踐證明，物聯(lián)網(wǎng)中 M2M 的概念非常有利于對(duì)礦山己有控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)換代，也適應(yīng)分布式網(wǎng)絡(luò)化控制的發(fā)展趨勢(shì)。

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