矿山物联网M2M环境下控制系统改造新方法

引言

白庄煤矿综合自动化于2007年开始建设，系统传输网络 采用1 000M工业以太网，建设内容包括：调度指挥中心建设、 综合自动化网络建设、-430主排水泵房（9台泵）、井下-430 变电所（53面柜子）、皮带运输线、斜井绞车监控、地面压风 机监控、35 kV地面变电所、主副井提升机、主扇风机等系统 监测接入环网运行。实现井下和地面各个生产系统和大型机电 设备、供电系统、管网等的监控，实现全矿井的各种数据采集， 使生产调度、经营管理、决策指挥网络化、信息化、科学化叫 综合自动化的建设为矿山物联网建设打下了良好的基础，但 综合自动化中以子系统接入的方式并不能完全满足矿山对传统 控制系统进行改进的要求，需要用矿山物联网的概念来拓展 煤矿综合自动化系统的应用［2-3］。

本文以矿山斜井绞车控制改造为例，来论述矿山物联网 中M2M （物与物）的概念，并通过逻辑系统的构建，介绍进 行传统控制系统改造的新方法。实践证明，物联网中M2M的 概念非常有利于矿山己有控制系统的改造。

1子系统接入与逻辑系统构建

图1所示是白庄煤矿综合自动化系统构成，基本实现的 是子系统接入，而不是物的接入。在控制系统中，“物”包括 传感器、执行器、控制器、被控对象以及系统中各种监测量 等。所谓子系统接入就是当将某个控制系统中的所有这些'物”， 联接成一个子系统（如通常的PLC控制系统），再接入到总体 网络实现网络化的集控，这就称为子系统接入叫目前，煤 矿综合自动化系统中绝大部分控制系统均采用的这种子系统 接入方式。特点是系统结构简单，相对独立，应用比较广泛。但当需要进行系统改造或扩展时，需要对整个子系统进行升级、扩容，如增加 PLC 的 I/O 模块、扩展接线端子、扩大控制箱空间等。当受到子系统扩容能力的限制时，不得不推翻原控制系统重新设计。

与子系统接入相对应，矿山物联网强调“物”与“物”相联，即传感器、执行器、控制器等以某种方式直接接入主干传输网络，而不需要通过子系统控制器。这样的“物”布置灵活，适合快速布置、移动应用等场合，所构成的系统称作逻辑子系统。

按照物联网 M2M 的理念，对原有矿山控制系统进行改造的问题，就是将新的“物”与原有的子系统如何相联接，并参与到控制逻辑中去的问题。白庄煤矿原有绞车控制系统比较简单，系统主要由主机（S7-200PLC）、张紧装置、梭车、尾轮、压绳轮、托绳轮、转向装置等组成。绞车操作工与信号工及沿线安全设施（挡车门、阻车器、道岔）操作工之间联系方式只有打点器及调度电话，信号相互独立，缺乏必要的联动和闭锁的功能，安全性差，地面与井下人员的信息沟通不及时，难以及时动态掌握绞车运行及巷道人员分布情况。

为了提高绞车运行的安全性，需要对原绞车控制系统进行改造，依照绞车运行轨迹及方向，新增传感器及执行器，实现防跑车安全设备、道岔指示信号、打点信号、行人信号等与绞车的运行联动控制和闭锁，并辅以语音通信与视频监控，确保斜巷绞车安全运行。

2 物联网环境下绞车控制系统改造方案

原绞车是用 PLC 控制的，新改造方案理所当然首先考虑按传统的 PLC 系统改造扩容方式，即增加 I/O 模块等。但原绞车控制系统过于简单，采用 CPU 222 ：本机 8DI/6DO，没有模拟量模块。新增的三道测速传感器及防跑车安全设备、道岔信号、打点信号、四道行人信号等需与绞车的运行实现联动控制和闭锁，I/O 点远远超过原设计的扩容量，且需要模拟量模块，原控制箱空间不够，计算量也比较大。在原 PLC 控制系统基础上进行改造实际相当于推翻原控制系统，重新设计新的 PLC 控制系统，显然改造量较大，经济上也不合适，且影响生产时间较长。

利用矿山物联网M2M的概念，将原绞车PLC控制系统作为“物”的一个子集，新增传感器、执行器、控制器等直接接入主干传输网络，而不需要通过原PLC控制系统。在物联网的传输层和应用层实现物与物相联，构成新的控制系统。新的绞车控制系统方案如图2所示，矿山物联网的三层结构为：感知层，传输层，应用层。其中传输层采用综合自动化系统的1000M工业以太主干传输网络。

其中原PLC控制系统在白庄煤矿综合自动化建设中己用CP243-1以太网模块联接到以太网，其他新增传感器、控制器等均通过RS485转以太网接入到1000M工业以太网，语音和视频分别通过相应的语音、视频网关接入以太网。

3主要集成过程技术实现

新增传感器与控制器等通过NPort5150串口通信模块（RS485转以太网模块）挂接到工业以太网将现场信号上行，由上位机KEPSERVER软件（OPCServer）进行数据采集和分析，传送至IFIX组态软件后通过工业以太网下行转发至现场S7-200PLC，从而实现整个数据采集、分析、传输、控制流程。

系统结构示意图如3所示，原理示意图如4所示。

4绞车控制系统主要实现功能

改造后绞车控制系统主要实现以下功能：信号输入主要包含绞车去向、绞车位置、功能信号等部分。其中绞车信号包括上行、下行等信号。信号输出主要包含下行音响、显示信号，上行音响、显示信号，行人计数信号和电视显示器信号等。以下重点介绍行人监控、跑车捕捉和打点信号闭锁。

在上、下车场安装四个热释电红外行人传感器。以上车场为例 ：安装两个热释电红外行人探测器，根据两个探测器动作的先后判断人员是进入或走出巷道，同时对进出的人员进行统计，判断巷道中滞留的人数。此信号由数码管显示，并经网络送到 PLC，进入闭锁控制逻辑。在绞车运行过程中，巷道入口的声音和灯光报警装置，提示行人禁止进入，如果有工人闯入巷道，行人信号会通过网络传输到 PLC，主站将会发出语音报警，提示操作人员有人在绞车运行时闯入巷道，并在屏幕上显示出进入巷道的时间和位置，同时实现绞车停车闭锁。

本次增加的跑车捕捉装置主要有雷达测速传感器、挡车栏，共设了三道测速与捕车装置。测速信号为模拟信号，能过网络传送到 PLC，当测量到车辆超速时，判断为跑车，启动捕车控制器，拦阻车辆，有效防止造成危害矿井安全的事故。

斜井绞井通常是用打点信号进行现场人员与绞车司机之间的联络的。过去这种打点信号主要在人与人之间进行信息传递，并不参与到 PLC 控制逻辑中去，由于人的疏忽往往会造成操作错误，产生事故。通过网络传输，将这种打点信号变成 PLC 能理解的闭锁信号，参与到 PLC 控制逻辑中去，最大程度避免了绞车司机操作的人为失误。

5 结 语

M2M 是物联网中非常重要的一个概念，用来实现物联网中物与物相联，而不管这个物是过去己经联接到物联网上，还是新加入到物联网中来的。充分利用好矿山物联网中 M2M的概念，对矿山控制系统改造，体现矿山物联网服务性平台 [6]的作用都是非常有意义的。本文以矿山斜井绞车控制改造为例，讨论了矿山物联网环境下，依照 M2M 的理念，通过逻辑系统的构建进行传统控制系统改造的方法，实现了绞车控制中的行人、捕车器及打点信号等的闭锁控制功能，提高了绞车运行的安全性，系统改造工作量小、经济、快速。实践证明，物联网中 M2M 的概念非常有利于对矿山己有控制系统进行改造和升级换代，也适应分布式网络化控制的发展趋势。

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