王子夜
冀凯河北机电科技有限公司 河北石家庄 050035
摘要：利用集成电路及电子信息技术实现对煤矿开采环境的准确监控，是保证安全开发和利用煤气资源的重要方法，然而受限于煤矿开采环境限制，通常煤矿工作人员井下作业时间较长，监控设备对功耗、作业时间及信号传输稳定性等具有很高要求。因此，有效利用现代电力电子技术优化改进煤矿井下监测系统，保证监控设备运行的可靠性、物理参数采集的准确性和数据传输的稳定性，是推进煤矿行业健康持续发展的关键。
关键词：PLC；煤矿井下；监测系统；系统设计
1对PLC技术的介绍
PLC技术的中文意思是可编程性控制器，通过这种控制器可以实现设备的智能化控制，与传统的单片机技术相比较，其控制能力更高，PLC控制技术由中央处理单元、存储器以及逻辑运算组件等构成。而且该技术可以由用户自行进行程序设计，兼容性较强，通过组合不同的控制器可以发挥更大的作用。该技术最早 出现在美国，经过几十年的发展技术已经相当成熟，但是随着其他技术的发展需要积极与其它技术进行融入，以发挥更大的应用价值。PLC技术之所以可以在工业领域发挥巨大的作用，离不开其卓越的技术优势。主要的优势有以下几点：一是成本低，PLC技术与设备进行融合，如果其造价太高就会降低企业 的利益，但是控制器的性价比非常高；二是通用性强，可以通过更改指令操控其运行，而且编程学习比较简单，具备电气知识以及简单文化能力就可以学会编程技术；三是PLC技术的稳定性较强，对应用环境的没有太大的要求，具有极高的适应性，而且厂家在生产时都有严格的标准，同系列的产品可以兼容使用。
2分析PLC的煤矿井下监测系统设计
2.1井下排水监测系统设计
2.1.1硬件架构
在系统的硬件组成中，包含实现监控的各种传感器，对于传感器的选择，要进行温度、流量、压力、真空度等参数的检测，传感器检测的精度对于系统的控制具有重要的影响，对于传感器的精度，需综合考虑系统的控制及成本进行选择。系统采用西门子S7-300PLC作为控制中心，实现对井下排水系统的监控。对于系统I/O点数的统计，输入信号主要包括数字量输入和模拟量输入，数字量输入信号包括水泵电机开关、水泵控制阀开关、射流管路阀开关、排水管路阀开关及急停复位信号等，模拟量输入信号包括水仓水位、水泵入水口真空度、排水管流量、水泵出水口压力、水泵轴温、电机轴温、电动阀开度指示等；输出量信 号主要是数字量输出信号，包括水泵电机开关、射流管路电动阀开关、排水管路电动阀开关、故障指示等。选定的系统模块，I/O点数充足，具有一定的余量，可以作为后续系统的改进或补充使用。
2.1.2软件设计
井下排水无线监控系统的编程采用西门子编程软件Step7，系统中界面的显示采用Wincc进行组态设计，Wincc与Step7之间可以进行通讯，从而实现将井下采集到的数据显示到上位机的显示界面上，同时可以传输到监控系统中，进行远程监控。Wincc具有良好的兼容性，工作人员可以远程进行参数设置，提高系 统的运行状态，更好地实现系统的功能。煤矿井下工作环境恶劣，在进行通信时，必须充分考虑环境的影响，保证系统传输的稳定性。对于常用的无线传输技术，ZigBee无线通信技术具有较长的使用时间，并且通信模块较小，可以较方便地安装在井下的环境中，并且容易做好防护，在使用电池的情况下，可以满足较长时间的使用。因此，系统采用ZigBee进行无线通信，虽然传输速率具有一定的影响，但仍能够满足系统的使用。
2.2井下通风系统监测设计
2.2.1硬件总体的设计
根据通风系统的需求，通过优化设计将其通风系统设计为上位机监测管理层、网络通信层和现场监测层三层结构，通过现场监测层安置的各类传感器监测风机与通风量信息，将这些信息实时传输给井下PLC主控 制器进行数据处理，主控制器通过所设定的逻辑进行运算并得出通风的最佳方案，并将其利用网络通信层上传至地面上位机监测管理层，从而方便地面工作人员对井下通风情况进行实时掌握与监测。根据优化设计需求，现场监测层主要包括PLC控制器、现场实时信号采集单元、监测对象，而监测对象为巷道通风量、风机运行状态、PLC控制器运行状态等。PLC控制器为整个井下现场层的核心单位，负责数据处理与逻辑运算，并可以与上位机实时信息交流传输。网络通信层负责连接本系统中上位机监测层与现场监测层，考虑到井下潮湿、封闭等复杂工作环境，为减小共模干扰，增强通信的可靠性提高传输效率，本系统采用RS485进行差分传输。综上，通过对通风系统的优化设计，本文设计的风机通风监测系统硬件总体结构如图1所示。
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2.2.2现场主控PLC选型
井下现场影响信号的因素比较多，故对系统自身的信号也会产生一定程度的干扰，为了实现稳定的工控需求，选用的PLC要具有便于维护、高可靠性、运行稳定等特点作为下位机。S7－200系列作为由西门子公司生产的小型PLC单位，其成本低、指令功能强大、可靠性较高、功能完善等优点，被广泛应用在工控生产中。西门子S7－200系列的PLC有多类型的CPU单位，可以满足各种应用需求。考虑系统功能的需求，在确定I/O点数后，仍保留15%-20%的备用裕量，以备后续进一步地优化使用，所以本系统共采用14点数字量输入、10点的数字量输出、14点的模拟量输入与5点的模拟量输出来满足系统功能需求。
2.2.3系统程序的设计
本系统采用西门子S7－200系列的专用编译器进行编程处理，将监测软件程序分为多个子程序模块，模块 化的调用方便编译与后续功能的扩展。主程序首先对各个单元进行初始化设置并等待信息采集信号的开始，当风机在运行状态下，不断监测井下通风系统运行状态，并将采集的数据传给PLC主控器。根据采集信号PLC对通风量进行逻辑与运算，给予通风量的最优化，同时将其最优控制信号输出至控制方式调节子程序中。在风机运行监测子程序中通过对井下通风与风机运行状态的监测，判别控制方式是否合理，通 风量是否最优，风机是否存有故障。预警子系统，根据运行监测子系统中实时监测的结果，通过进行PLC主控器进行运算，得出一个预警初值提供报警信号，一方面通知井下操作人员，另一方面上传至地面监测人员，从而使系统能快速恢复正常。
3结束语
总而言之，安全有效地对煤矿资源进行开采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，煤矿开采技术不断推陈出新，通过对煤矿开采环境中各种物理参数的实时准确监控，以确保煤矿开采环境的安全。上文主要对基于PLC的煤矿井下监测系统设计的相关内容进行了简要的分析，仅供参考。
参考文献
[1]张彪.基于S7-300PLC的煤矿井下自动排水系统的设计[J].机械管理开发,2019,3406:214-216.
[2]张喜萍.煤矿井下主排水系统的设计与实现[J].能源与环保,2018,4010:162-165.
[3]代振远.PLC在矿山井下通风系统远程监测中的应用[J].黑龙江科技信息,2017,14:48.