煤矿安全监控分站的PLC设计毕业设计

煤矿安全监控分站的PLC设计煤矿安全监控分站的PLC设计摘 要近年来国内煤矿安全事故不断， 特别是井下瓦斯爆炸事故时有发生， 仅2003年， 煤矿瓦斯爆炸死亡10人以上事故就有数10起，煤矿安全监测监控是实现矿井安全生产预防事故的主要措施之一，也是现代化矿井管理水平的重要标志。通过对监测监控系统选型的研究，使煤矿监控系统的安全可靠性大大提高，对确保煤矿安全生产将起到一定的作用。煤矿安全监控分站的PLC设计是利用PLC对井下传感器传出的气体浓度、温度等数据的在线监测来获知井下分站的安全性。气体在线监测系统是对井下几种特征气体：氢气、一氧化碳、甲烷以及风速、温度进行在线取样、分析，将获得的数据传给地面中心站并接收中心站发送的各种命令，以便及时地、准确地了解井下分站的安全状况，为安全隐患的预警和控制服务，有利于采取措施避免重大事故，提高井下作业的安全性。本文介绍了西门子S7-224可编程控制器在气体在线监测系统中的应用，主要阐述了利用PLC的高速计数器对8路通道进行数据采集。西门子公司的S7-200系列可编程序控制器(PLC)是继S5系列后的新产品。该系列PLC具有模拟量处理、通信联网、系统诊断、中断处理和高速计数等功能。它将模块式和一体式PLC的优点结合起来，即CPU本身自带一部分1/0，同时又具有扩展能力。编程软件STEP7-Micro为用户提供了界面友好而功能强大的开发工具。其配套EEPROM存储卡也使修改和调试程序、设备维护十分方便和可靠。CPU214S7-200系列PLC中的典型产品，其基本单元有14点输入和10点输出，最多可支持7个附加的扩展I/O模块(包括模拟量模块)，最多可使用64个I/0点，有1个可接收2kHz脉冲输入的高速计数器以及2个可接收7kHz脉冲输入的高速计器，有内藏的实时日历时钟。本文主要介绍了S7-224PLC的高速计数器对井下气体及温度、风速信号等进行采集。关键词：煤矿；PLC；安全监控；高速计数器目 录摘 要IAbstractII目 录IV1 概 述11.1 我国安全监控发展现状11.2 煤矿安全生产监测工作的意义11.2.1煤矿安全监测工作的必要性21.2.2传统检测活动的局限性21.2.3 安全监测工作的任务31.2.4安全监测技术发展前景31.3 我国煤矿安全监控系统的发展41.4 目前存在问题51.4.1 通信协议不规范51.4.2井下信息传输设备物理接口协议不规范51.4.3 传感器等质量不过关51.4.3现场管理和维护水平有待于加强62系统的整体基本状况72.1 井下分站在煤矿安全监控系统中的作用72.2 设计要求及特点72.2.1 监测信号种类72.2.2 控制内容72.2.3 设计要求72.2.4 设计特点72.3 系统构成82.4 系统中心站82.5 局域网络92.6 井下分站功能92.7 系统配接的各种传感器控制器92.8 技术参数102.8.1 分站容量102.8.2检测精度102.8.3通信数据传输率102.8.4其他电性能参数102.8.5工作环境102.9 系统特点102.9.1 PLC控制系统112.9.2 可编程序控制器(PLC)及其结构112.9.3 PLC的特点及发展132.10 CPU-224132.10.1 西门子S7-200D的简介142.10.2 S7-200系列的PLC的通信162.11 井下分站常见故障及其处理方法162.12 系抗干扰措施162.12.1 传输系统抗干扰措施162.12.2 分站及传感器抗干扰措施162.13 井下分站配接设备表163 硬件电路设计193.1 系统框图193.2 PLC系统硬件设计电路原理19S7-224203.3 控制系统及外围系统错误！未定义书签。3.3.1频率选通模块203.3.2 分站箱外部插头座213.3.3电源箱的设计223.3.4 分站系统显示模块硬件电路224 系统软件流程图244.1系统主程序流程图244.2 检测子程序流程图254.2.1 子程序1流程图254.2.2 模拟检测量检测子程序2274.2.3 数字待测量检测子程序3284.2.4 频率计数子程序4294.3 通讯程序设计305 结论与展望34参考文献35致谢3637 1 概 述1.1 我国安全监控发展现状我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等（如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200）引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。   随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。   自2000年以来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小煤矿陆续在装备矿井监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，同时也为该技术的正确选择、使用、维护和企业安全生产信息化管理提出了更高的要求。1.2 煤矿安全生产监测工作的意义加强劳动保护，实现安全生产，是党和国家的一贯方针，是社会主义企业管理的一项基本原则。煤矿自然灾害较多，每个矿井都有发生冒顶，瓦斯爆炸的危险，一定数量的矿井还存在有煤与瓦斯突出，自然发火，煤尘爆炸，水患等自然灾害的威胁；另外机电运输事故，也严重地影响着矿井的安全生产。从根本上改善煤矿安全生产状况，是关系煤炭工业发展的大事，是保障煤炭工业持续，稳定，健康发展的重要前提。为了贯彻落实安全第一的方针，除了加强管理和安全技术培训外，安全监测工作现代化也是 加强安全工作的重要物质技术保证。它是防止各类事故发生，实现煤矿管理现代化的必要手段，也是一项不容忽视的安全技术基础工作。1.2.1煤矿安全监测工作的必要性 1）井安全生产的重要保证条件煤矿井下生产工艺流程复杂，作业环境条件特殊；机器设备的数量，品种繁多，各生产环节需要相互衔接和紧密配合。这些客观实际因素，使井下发生灾变事故的几率一直高于其它行业，事故发生的随即性也很强。为确保矿井安全生产，必须全面，系统地掌握作业环境和机器设备的工作状况，以实现有效控制。因此，矿井安全生产必须首先作好测试与监控工作。2) 煤矿管理现代化的重要技术手段现代化矿井，必然有现代化的机器设备，作业方法和工艺系统。为了有效地发挥现代化装备的效能，就必须建立相应的安全生产监测体系。3) 煤炭生产发展的需要随着煤炭生产的发展，煤炭产量和机械化程度不断提高，井型越来越大，开采深度日益增加。这样，多数矿井瓦斯涌出量增加，环境温度不断上升，通风网络日益复杂；一些有自然发火危险的矿井，火灾威胁日趋严重。此外，机电运输环节增多，机电运输事故也大大上升。各种事故因素也伴随生产的发展而复杂化，因而，必须采取相应的对策加以控制和预防。安全监测工作就是预防事故发生的前提，是为各项安全防御措施提供决策数据的必要手段，所以，安全监测工作现代化是煤炭生产发展的需要。1.2.2传统检测活动的局限性多年来，矿井安全检测工作的传统作法是依靠少量的简单仪器，由少数检测人员进行间断地，孤立地检查个别作业环境参数，主要是检查瓦斯。这种做法有很大的局限性。1) 主观性。选择检测时间和检测地点时，主要依靠检测人员的自身素质和以往的经验，因而，存在较大的主观随意性。2) 间断性。检测手段主要依靠携带是仪器或仪表，随检测人员流动，因而，所检测的数据是间断的，无法反映参数的动态变化。3) 单一性。因为检测手段过于简单，一般只限单一参数，不能实现多参数同时监测，所以，无法全面反映各测点的实际情况。4) 滞后性。由于信息反馈手段大多靠表报，面对面汇报或电话通讯，使信息的处理，传输，控制和调整，在时间上远远落后于参数的实际变化，无法实现实时监控与调整。 由于传统监测的局限性，无法适应现代化生产的需要，就迫使人们不断研制新型监测装备。目前，时间上各主要产煤国都十分重视矿井监测技术的发展，并已形成了各自的监测装备体系。 我国在矿井监测技术装备的研制方面，已具有相当的规模和水平，无论是便携式，固定式和系统式监测仪器，均已广泛应用于各大，中，小型矿井中。1.2.3 安全监测工作的任务1) 提供信息。它为各级生产指挥和业务部门提供安全状况和工作状况动态信息，以便指挥生产。2) 探测和预报灾害事故。通过被测参数的比较和分析，为预防灾害事故提供重要技术数据，以便提前采取预防措施。3) 制止灾害事故发生。通过对测试参数适时有效控制，及时实现自动报警，断电和 闭锁，以制止事故的发生或扩大。4) 设施的自动调控。通过对生产工艺活动的饿动态监测分析，实现各种设施的自动调控，如：通风网络系统调控，运输系统调控等。为救灾提供决策信息。在发生事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员，器材提供决策信息。1.2.4安全监测技术发展前景1) 安全监测系统应具备的主要功能其主要功能有：A 图形与数据显示；B 打印记录；C 报警，断电和闭锁；D 被测参数发展趋势的比较和预测；E 数据长期存储；F 反馈指令和自动调控。2) 发展前景可实现：A 全面地系统监测；B 多参数连续的动态监测；C 预测发展趋势，力争达到超前调整与控制；D 实时检测与控制，使功能动作时间与参数实际发生时间的时差，趋近于零；E 矿井生产全面自动化。一个现代化矿井，其监测手段必须现代化，可以说，安全监测工作现代化是实现矿井生产现代化的基础之一。所以，安全监测技术的发展与普遍应用，对煤炭事业的发展具有重大的意义。1.3 我国煤矿安全监控系统的发展矿井安全监控系统是以矿山井上，井下各主要生产和辅助生产环节的作业环境条件和作业状况为监控对象，并以各种类型传感器为参数数据收集元件，以数字信息处理为技术基础，用计算机进行信息处理的.一种实现分散和集中监测，控制的自动化系统。它是矿山实现遥测，遥讯，遥控和全面自动化的一个及其重要的组成部分。 目前，安全监测系统主要侧重与环境参数的集中监测，如:检测氧，甲烷(沼气)，一氧化碳，烟尘，温度及通讯网络参数等，同时.部分设备的工况监测也开始纳入矿井安全监测系统之中。本世纪70年代末国际上开始应用矿井监测系统，进入80年代初期，日本，美国，波兰，法国，德国等国家先后研制并使用了十余种安全监测系统，在这些早期研制的系统中已开始使用小型机和微型计算机进行数据处理.在信息传输方式上，有时分，频分，基带，脉码，编码以及移频键控，调幅等多种方式，传输速度从50bit/s到500bit/s，分站容量有大有小，矿井安全监测系统有了很大发展。这一时期的特点是:用户系统围绕中央小型计算机配置，软件用高级语言编写，输入输出装置由实验型硬件组成.井下传感器与中央计算机之间的通信协议通常以串行数据格式的电压表示，该协议仍受矿井环境影响，系统程序是计算机顺利工作的保证，一般由生产单位提供。我国最早自行研制的WDJ-1与MJC-100A，AW-80等系统同属于第一代计算机集中监测系统，现已基本淘汰。进入80年代中后期，矿井监测系统通常以微型机为基础，程序软件填补结构风格空白，由生产部门提供输入，输出硬件，而使各种输入，输出功能均可使用，井下传感器与中央计算机之间的通信协议已不受矿井环境的干扰.另外，采用错误校验和数据传输中串行数据桢频技术的抗干扰方法，人机接口由彩色显示屏，图形显示器，打印机，多线文本显示器及灯光模拟盘提供，操作员接口可以在多处设置，传感器均按矿井工作环境需要而制造等，比早期系统在可靠性和有效性方面有了较大提高.我国80年代后期研制与仿制的监控系统，其技术水平已相当于国际80年代中期水平，近几年已在国内广泛使用.今后矿井监控系统的发展方向，主要应以工业主计算机为主，配合多台微型计算机和大量的微处理机，构成模块化，功能化的计算机局网分布处理系统，这种系统中计算机处理能力更加完善.例如:分站内配置的局部微处理机具有独立报警断电和通过操作显示器与其余分站保持相互联系，也与区域性管理的主计算机联络的功能.而区域主计算机可为监控系统的一个构成部分，并与地面的上级主计算机联络，从而形成以计算机为骨架的监测网络.在系统软件方面，则应包括多种布置方案，编辑程序以及为用户编程用的辅助程序，且使监测系统软件可在工业型主计算机软件系统的任意一个部分中运行，使矿井监测系统在矿井计算机系统之间起着一个公用通道的作用.监测系统要能支持多台输入输出设备，要有较强的抗干扰能力和错误校正和补偿能力.总之，到那时，监测系统将对煤矿安全提供更有价值的帮助了.1.4 目前存在问题1.4.1 通信协议不规范由于现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用通信协议，所以，很难找到两个相互兼容的系统。目前，信息传输系统的兼容性已成为装备监控系统的各集团公司、矿井进一步补套和扩充系统功能的制约因素，主要是用户在装备了某厂家的系统后，在众多型号、价格不同、功能各具特色的监控系统的软件、硬件（如分站）的补套以及服务等方面，就别无选择地依赖于这个厂家。有些矿井为了安全生产的需要，在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下，不得不废弃原有系统而另选择其他的系统。因此，通信协议不规范的后果是造成设备重复购置、系统补套受制于人和不能随意进行软硬件升级改造。1.4.2井下信息传输设备物理接口协议不规范井下信息传输设备物理接口协议不规范也是制约用户进一步补套和扩充系统功能的关键因素。如KJF2000和KJ4/KJ2000系统，尽管两种系统均采用FSK技术，以及信息传输波特率均为1200bps或2400bps，但其传输信息的调制频率不同和传输信息的收发电压幅值不同也造成这两种系统的分站不能兼容。1.4.3 传感器等质量不过关与监测监控系统配接的甲烷传感器已成为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键技术装备，并越来越受到使用单位和研究人员的普遍重视。   据统计，国产安全检测用甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件，然而，长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，与国外同类传感器比较差距较大。   主要问题是：  1) 抗高浓冲击性能差。在巷道瓦斯涌出量大的情况下元件激活。反复作用的结果造成零点漂移并使其催化性能下降，抗高浓冲击性能差是造成元件使用寿命低、稳定性差的主要原因。  2) 对过分追求低功耗的元件，在矿井高湿度环境条件下，CH4在元件表面燃烧生成的水蒸气易于凝结在元件表面，降低元件使用寿命。  3) 抗中毒性能差；  4) 载体催化元件制作工艺水低，元件一致性差。1.4.3现场管理和维护水平有待于加强尽管国家和各省、地、市煤炭管理部门强制性要求各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统，并加大了对矿井安全生产的管理力度，但一些地方国有煤矿，特别是乡镇小煤矿，多数由于缺乏专业技术人员而不能正常使用和维护已装备的系统，甚至对系统配接的传感器根本不进行调校。2 系统的整体基本状况2.1 井下分站在煤矿安全监控系统中的作用分站是监测系统的独立单元，负责接受中心站的各种指令，并根据中心站定义及所采集的模拟量值的大小和开关量的状态，可自行实施对外控制，对开关量的采集具有记时累加和记次累加的功能。本次设计的分站以PLC为核心，负责接受传感器信号并将其经过处理后送往地面中心站，地面中心站接收到信号后进行相应的处理，在对分站进行相应的控制，如断电、报警等。分站本身是个智能型的装置，它除受中心站控制之外，其本身也能完成相应的采集数据和控制功能，也可以称为一个子系统。2.2 设计要求及特点2.2.1 监测信号种类要求各矿能够监测的信号种类为：氢气、一氧化碳、瓦斯、风速、开停、风门等信号。2.2.2 控制内容要求能在判断有事故发生后能够及时报警并将数据传送给中心站，接收中心站的指令。2.2.3 设计要求各矿监测监控系统设计指标不得低于煤矿监控系统总体设计规范和煤矿监控系统中心站软件开发规范规定的各项指标；各矿能够实现监测参数超限、开关设备停运，为煤管局主动调阅各矿数据预留接口。2.2.4 设计特点1) 系统不仅实现了监测监控，而且能根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案。系统实现了全面的网络化，按统一的格式向外提供监测数据。  2) 针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范尽，提供了一套完整的解决系统兼容性的方案，为矿井补套和扩充系统提供了方便。  3) 系统采用一箱式结构，配置灵活，可满足大、中、小型煤矿的不同情况的需要。可根据各煤矿的实际情况进行拆分和集成，选择不同的传感器和网络结构。  4) 系统软件采用模块化管理，通过一体化平台框架进行集成。各功能模块具有很强的独立性，同时通过一体化平台框架相互结合在一起，成为有机整体。可方便地各煤矿的实际需求，选择相应的模块进行配置，组成完整的系统。  5) 采用高可靠性、及最新的传感器。2.3 系统构成 煤矿安全监控系统由早期的地面单微机监测监控已发展成为网络化监测监控以及不同监测监控系统的联网监测。其主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、井下分站、传感器组成。 煤矿监控系统是将计算机网络、矿井安全和生产实时监测、电力监测、工作面综合监测等系统综合在一起，形成一个完整的、实用的矿井监控系统。根据需要各部分既可以集成在一起，又可以单独使用，以满足矿井的不同需求。本设计的井下分站系统是煤矿安全监控系统的重要部分，负责接受传感器信号并将其经过处理后送往地面中心站，地面中心站接收到信号后进行相应的处理，在对分站进行相应的控制，如断电、报警等。分站本身是个智能型的装置，它除受中心站控制之外，其本身也能完成相应的采集数据和控制功能，也可以称为一个子系统。它由主板、显示板、电阻板和通讯板，为减小分站体积，采用尽可能紧凑的方式连接成一体的结构2.4 系统中心站 系统提供了全面的监控能力，实现了对数据的智能分析，提供了完整的专家决策解决方案。   环境监测：主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。   生产监控：主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态参数，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器运行状态和参数等。   诊断功能：系统提供多种诊断功能，包括系统的传输效验、误码率测试、传感器故障统计、分站故障统计等等监测系统的自身诊断，还可以通过Modem进行远程诊断，并根据情况进行修复或提供更新的软件版本升级。中心站可设调试电话主机一台与传输接口相连，可配35个电话副机，电话副机可随身携带，需通电话时插入电话插孔即可与地面通话，分站、接线盒、传感器等设备上都设有电话插孔，因而可实现全系统范围内的联络通信，为整个监测系统的检修调试提供了极大的方便。   专家决策系统：具有测点定义功能；具有显示测量参数、数据报表、曲线显示、图形生成、数据存储、故障统计和报表、报告打印功能；可分析利润、成本等。并采用国际通用的TCP/IP网络协议实现局域网络终端与中心站之间实时通信和实时数据查询。   本系统中心站应用软件的操作界面实现了全面的可视化和图形化，界面友好、操作方便。提供了完善的用户及权限管理，保障数据的安全，面向用户提供个性化服务。提供了完整的帮助系统，保障用户对系统的正确使用。2.5 局域网络本系统利用Web GIS技术使得大到省煤矿安全生产监督管理局、矿业集团公司所辖各矿井分布位置，小到各矿采区工作面实际尺寸及设备实际使用位置，以任意无级缩小或无级放大图形的形式达到图形和数据的无缝集成和浏览；提供完备的安全监测与安全信息管理和监管功能；建立煤矿基础数据库、对主要图纸（通风系统图、采掘工程平面图、井下运输系统、抽排水管路系统图、电气系统布线图等）实现动态浏览；实现安全信息的共享和设备隐患排查；安全信息的网上公开（公司内部）；安全隐患排查及信息发布（如对各矿下达整改通知）等。实现了对矿井通风系统安全性分析、诊断、评价、管理及通风网络调整的科学决策.2.6 井下分站功能井下分站采用智能化设计，基本功能如下： 1) 可以检测高、地浓度的CH4、CO、风速、温度、压力等环境参数；2) 可以监测风门开关、设备开/停状态等各种开关参数；3) 可以完成对16路输入信号的监测，并且可以将模拟量和开关量传感器混装使用，即对某一路输入来说，既可以接200HZ-1000HZ频率型模拟量传感器，也可以接开停量传感器，完全由中心站进行定义；4) 适合矿井环境需要，耐压、耐腐蚀、防潮、密封；5) 能自检12V电源掉电与否以及分站电源是否欠压；6) 具有死机复位功能；7) 分站停电后初始化信息不丢失，可以按掉电前的监控参数独立工作；8) 通过液晶显示块显示传感器实值、通讯及供电状况；9) 对模拟信号的瞬时高值和瞬时低值具有一定的抑制作用；10) 8路继电器输出即可选择常开触电输出，也可以选择常闭触电输出；11) 可扩展一个RS485通讯接口；12) 可以扩展使用两线制频率型传感器。2.7 系统配接的各种传感器控制器传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术和产品。目前国内生产和用于煤矿监测监控系统的传感器主要有瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤位、水仓水位、电流、电压和有功功率等模拟量传感器，机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等开关量传感器，以及监控塌方和水灾的光纤传感器。以上传感器的开发和应用基本满足了煤矿安全生产监测监控的需要，但国产传感器在使用寿命、调校周期、稳定性和可靠性方面与国外同类产品相比还有一定差距，某些传感器（如瓦斯传感器）的稳定性还不能满足用户的需要。用户可根据实际需要进行选择。2.8 技术参数2.8.1 分站容量 16路输入：200HZ-1000HZ频率信号或电流型或触电型开关量输入信号。 频率量输入：X个 200HZ-1000HZ （X=16） 开关量输入：16-X个 （X：频率信号接入数），触电型和电流型传感器均可使用。8路输出：8个触电型开关量输出。16路485通讯信号：连接16路智能开停传感器。2.8.2检测精度 频率量输入检测精度：+-%1（不包括传感器自身精度）2.8.3通信数据传输率总线通讯为1200波特率或2400波特率；智能开停传感器信号输入为：9600波特率。2.8.4其他电性能参数分站工作电压：+12V 工作电流：=430Ma分站与中心站之间接收和发送的通讯信号幅度16V（峰峰值）（16V是为开路值）。2.8.5工作环境环境温度： -5+40摄氏度；环境相对湿度：=96%；大气压力： （80-110）Kpa；周围无严重滴水和溅水场合。2.9 系统特点传统安全监控分站均是以单片机为核心的设计系统，本次设计则采用一PLC为核心的一种全新的设计系统。现将PLC的特点简单介绍一下。 2.9.1 PLC控制系统控制系统的发展可以分为两个源流:一是传统的控制系统汾为过程控制和逻辑控制;二是计算机控制系统，从大型的电子计算机开始，发展成以后的中型计算机和微机控制系统，再逐步发展成两个分支，即PLC控制系统和DCS控制系统。传统的控制方式以继电器逻辑控制和电子线路的模拟控制为特征.1836年首次发明了电磁继电器，使其在国民经济的各个部门得到广泛应用，用以完成对生产机械的逻辑关系控制。理论上说，继电器逻辑电路可以实现任意复杂的工艺联锁控制功能，但随着工业自动化程度的提高、控制系统的复杂，单纯由继电器控制来满足生产工艺的要求已是不可能。对于复杂的生产工艺，为了实现逻辑联锁要求，将要使用成百上千个继电器，伴之而来的是繁杂的电气线路连接，给工程设计、工艺及生产维护带来困难。适应性差、体积大、功能简单、成本高、可靠性差等缺点，制约了继电器控制系统进一步发展和应用。2.9.2 可编程序控制器(PLC)及其结构可编程序控制器(PLC)是以微处理器为核心，综合了计算机技术，自动控制技术以及现代数据通讯技术，为设备控制以及实现过程自动化提供了重要手段。随着超大规模集成电子技术和微型电子技术的飞速发展，使得PLC在过程自动化(PA)、工厂自动化(FA)、计算机综合生产系统(CIM)等自动化领域中得到了广泛的应用。它与CAD/CAM及机器人技术已成为现代工业自动化的三大支柱.可编程序控制器是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下使用而设计。它采用可编程序的存储器，在其内部存储并执行逻辑、顺序、计时、计数、四则运算等功能，并通过数字式或模拟式输入、输出组件，控制各种生产机械和生产过程。PLC及有关设备均应与其它下业控制装置构成一体，并应按照易于扩展其功能的原则设计。PLC是既不同于计算机，也不同于继电器系统的中间产物。现代PLC在保留了继电器系统最根本的特点基础上，越来越靠近计算机。因此，PLC从广义上来说就是一种业控制的微型计算机。可编程序控制器(PLC)也可以看成是一种计算机。它与普通的计算机相比，具有更强的与工业过程相连的接口，更直接地适用于控制要求的编程语言，可以在恶劣环境下运行特点。此外，它与普通计算机一样也具有中央处理器(CPU)、存储器、v0接口以及外围设备等。现在介绍一下PLC各组成部分的作用。1) 中央处理A(CPU)中央处理器(CPU)是PLC控制系统的核心，它由处理器、电源及存储器三部分组成。处理器部分主要用来完成逻辑判断、算数运算等功能。它采用扫描的方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入状态表或寄存器中，同时可诊断电源、内部电路的工作状态以及编程过程的语法错误。PLC运行时，CPU从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后按指令规定的任务产生响应的控制信号去启闭有关的控制电路，分时、分渠道地执行数据的存取、传送、组合、比较和运算等任务，然后根据运算的结果，更新有关的标志位和输入状态寄存器的内容;再根据输出状态表的位状态和数据寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。2) 存储器及存储器扩展在CPU内部有两种存储器，内部存储器和程序存储器。前者用于存放操作系统、监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释及功能子程序的调用管理程序、系统参数等;后者主要用来存储通过编程器输入的用户程序。PLC的用户存储器的存储容量通常以字(16伽字、32伽字)或字节(8位)为单位来表示。CPU内提供了一定量的用户程序存储器。当用户程序量较大时，可对用户存储器进行扩展。3) I/O接口将工业过程信号与CPU联系起来的接口称为I/O接口。它包括数字量拍接口和模拟量。O接口。数字量输入接口的任务是肠外部过程信号转换成PLC的内部电平信号;数字量输出接口的任务是将PLC的内部电平信号转换成外部过程信号。模拟量输入接口的任务是将外部过程的模拟信号转换成PLC的内部数字信号;模拟量输出接口的任务是将PLC的内部数字信号转换成外部过程的模拟信号.对于不同的工业过程，相应有各种类型的阳接口。4) 通讯接口PLC配有各种类型的通讯接口，可实现“人厂机”或“机一机，之间的对话。通过这类通讯接口，可以与打字机、监视器、其它PLC或计算机等相连。当与打印机相连时，可将系统参数、过程信息等输出打印:当与监视器相连时，可将过程动、静图像显示出来;当与其它PLC相连时，可以组成多机系统或联成网络，实现整个工厂的自动控制;当与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现过程控制、数据采集等功能。通讯接口的使用，使PLC与外部设备的连接能力加强，从而丰富了PLC的功能。5) 智能如为了满足更加复杂的控制的需要，PLC配有许多智能UO。如Pm模块、定位控制模块、高速计数模块、实时BASIC模块等。所有这些模块都带有自身的处理器系统，我们称之为智能模块。智能v0接口的使用，使PLC不仅能完成顺序控制，而且能完成诸如闭环控制等一系列复杂的控制功能.6) 扩展接口扩展接口是一种用于连接中心单元与扩展单元、以及扩展单元与扩展单元的模块。当一个中心单元的1/O不能满足要求时，就需要使用扩展接口对I/O系统进行扩展。可用扩展接口模块对阳模块的地址进行设定，从而可根据需要方便地修改硬件地址。7) 编程器程序编制确定了PLC的功能，程序的输入是在编程器上实现的。编程器除了用来编写程序、输入、调试用户程序外，还可以作为现场的监视设备使用。编程器是PLC的重要的外围设备，也是重要的“人一机”接口装置。2.9.3 PLC的特点及发展随着PLC技术的发展，其功能越来越完善。主要功能如下:逻辑运算、计时及计数、四则运算(包括加、减、乘、除运算)、矩阵运算、函数运算、步进控制、中断控制、定位控制、PID控制、高数计数控制、排序及查表、监控和容错、自诊断及报警、高级语言编程及报带、比例、积分、微分功能、跳转、1/0强制、A/D， D/A转换、数据格式转换(如BIN/BCD， BCD/BIN等)、数据比较和传送、通讯及联网、人机对话。本世纪六十年代，人们开始研制生产PLC，并用以取代继电器控制。1969年，美国数字设备公司(DEC)根据通用汽车公司的要求，研制出了世界第一台PLC，并应用在通用汽车公司生产线上获得成功。随着电子技术以及控制理论发展，可编程序控制器功能已远远超出了逻辑或电气控制的范畴.模拟盈的处理、远程通信等能力使PLC集电气、仪表、计算机控制于一身，它具有更为复杂、综合的控制能力，PLC广泛吸收了现代先进控制技术，极大地满足了工业自动化的要求：1) 适用性强，适应面广。与继电器控制相比，PLC几乎己经不再受继电器数量及其所带辅助触点的限制。单处理器所能处理的信号(阳点数)从几十个到几万，面对信号联锁关系的实现仅受处理器内存的限制。这主要受益于处理器内部软继电器的设计，以软继电器取代硬接点的技术是PLC控制系统取代继电器控制系统的关键所在。2) 安装维护方便。采用PLC控制，极大减少了控制柜的占地面积以及连线工作量，这对新设计，特别是改造工程克服场地限制非常有利；此外，还可以外界终端在线监控PLC程序的运行或采用工业监控软件再现现场，这为调试、维护、故障查找最大限度的提供了有力手段和工具，减小系统投入、检修的周期。3) 系统开发简单，投入周期短。PLC厂家提供了指令丰富、功能强大的开发环境，使得系统设计容易实现，且有各种调试手段用于满足生产的需要。2.10 CPU-224CPU-224是S7-200系列PLC的CPU的一种。S7-200系列的PLC，由于其具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格及强大的命令，使得S7-200系列可以近乎完美的满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性。表2-1 CPU244的技术参数技术参数说明本机数字输入14路数字量输入本机数字输出10路数字量输出高速计数器（32-位值）6个高速计数器脉冲输出2个，20kHz脉冲速率模拟电位器1个，8位分辨率时间中断2个，1ms分辨率边沿中断4个上升沿和/或4个下降沿可选择的输入滤波器时间7个，范围0.2ms-12.8ms2.10.1 西门子S7-200D的简介CPU22X系列PLC硬件的组成形式，连接方式与4年前面世的S7-200第一代产品CPU21X系列(CPU212，CPU214，CPU216)基本相同，与其他品牌的PLC也基本相似。但是，在下面几个方面，其硬件性能有了长足发展，为使用者组成控制要求复杂的系统和满足特定的要求，提供了可能和方便。S7-200的功能特性:1) 程序和数据的免维护S7-200系列PLC的用户程序和全部数据都可存放在EEPROM中，永不丢失。CPU221和222有6K字节，CPU224有13K字节程序和数据存储区。因此所有程序和数据都无需用锂电池进行掉电保护，既使是存放在RAM中的临时数据，在突然意外掉电时，也有超级电容供电，对其停电那一时刻的状态数据进行保护，最长保持时间为IOOh。2) 实时特性S7-2OOPLC新系列CPU的位操作时间已缩短到0.37s，使CPU的影响速度有较大提高。CPU上集成的高速计数器可计数速率为30kHz。可以联接AB相正交编码器做位置测量，也可以监测生产线上各种快速信号。CPU上集成有高速脉冲输出功能。既可以脉冲宽度可调(PWM)方式输出，又可以高速脉冲串(PTO)方式输出。输出速率可达20kHz。此功能可以用于控制步进电机，或用于可控硅构成的加热设备的温度控制等。3) 强大的通讯功能S7-2OOPLC新CPU系列通讯能力与一般小型PLC相比非常突出。每种CPU上都有1-2个编程/通讯口，物理层面是标准RS485口，用双绞线就可构成具有多种通讯功能的网络，不需外加通讯模块，节省硬件费用，也不点用输出点。通讯口有PPI方式、MPI方式和自由口方式3种。通过一个Profibus-DP扩展模块，还可以联接到Profibus网上。在PPI方式下，可以连接支持PPI协议的设备，构成多达31个主站的通讯网络，硬件连接和软件组态都十分方便。通讯速率最高为187.5kHz。S7-200新集成了MPI协议，使S7-200可以作为由S7-300，S7-400构成的MPI网的子站，丰富了MPI网的功能。在自由口方式下，协议开放，可以连接任何有通讯能力的设备，如:变频器，打印机，个人计算机等等。另外新CPU系列又增加了可通过10位调制解调器(Modem)进行远程通讯，上载、下载程序，调试程序，远程监控的能力。相对PLC进行编、调、控和构成通讯网。4) 模拟量处理功能S7-20OPLC的模拟量扩展模块除了可用于一般的模拟量输入/输出外，可以直接将温度传感器，如PtlOO热电阻信号接入，在处理温度量时可省去中间环节，提高精度与可靠性。响应时间10哪，模数转换时间25s，分辨率12位+符号位。5) 程序卡CPU上都有一个存储卡插孔，可以插人程序器卡。该程序器卡是一个EEPROM存储器，是存放用户程序的附件。PLC中的程序与数据都可写人程序卡，以备以后使用，故该程序器卡也可以作为程序与数据的备份。当需要装载程序时，只需将已存人程序的存储卡插入PLC后再上电，几秒钟后断电并把存储卡拔下，存储卡上的程序就自动装入PLC，这一功能为进行批量生产，产品维护或者更新程序提供了很大的方便。使用时只需把装有程序的存储卡邮寄给用户，把以上“插卡-上电-断电-拔卡”装载程序的操作过程告诉用户，不必派专门技术人员，由用户自己就能实现对产品程序的加载，升级和维护。对于没有集成实时时钟的CPU221，CPU222，还有一款时钟卡供用户选择。6) 模拟电位器CPU上都有模拟电位器，8位分辨率，可用于不同的场合，例如在进行模拟量输入时，该电位器可作为零点调整使用。另外，S7-20OPLC寻址方式很自由，模拟电位器则提供一个变量，通过用户程序实现各种各样的功能，如:定时器的预置值，模拟量的滤波时间，PWM输出的占空比，PID调节的积分时间等。综上所述不难看出，S7-200PLC的新CPU系列产品作为小型PLC，其硬件水平已达到了一个新的境界，拓宽了应用领域，方便了广大应用者。这些特点在目前的控制领域都具有十分重要的实用价值，如进行充分开发和利用，并结合小型PLC价廉的优势，则完全有可能在有限的费用范围内大大提高控制系统的性能和档次。2.10.2 S7-200系列的PLC的通信S7-200系列PLC的通信方式有三种:一种是点对点通信，即PPI协议;一种为Profibus-DP方式，最后一种方式是自由口通信方式(Freeport)。首先将数据移到S7-200CPU中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其他计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在S7-200CPU中的变量存储器内，并可移到其它数据区。2.11 井下分站常见故障及其处理方法对于整个监控系统来说，常见的故障是传输不正常。若所以接在系统上的分站都不正常，应检查中心站的主机 传输接口及传输电缆是否有故障；若某一部分的分站工作不正常，则应检查这些分站，以及相应的电控箱和传输电缆有无故障。待故障被查找而局限到某个设备时，再根据该设备的故障排除方法进行排除。分站及电控箱的故障及其处理方法如表2-2：表2-2 故障及其处理方法故障现象故障原因处理方法分站中的某一个模拟量或开关量无输出1.插件不牢固，输入引线接法有误2.主机的发送电路板坏了3.主机信号输出线有问题1.重新插入插件，检查接线2.更换发送电路板3.检查接线分站中的模拟量或开关量全无输出1.井下电源坏2.隔离变压器坏了3.井下安全栅坏4.分站内的线路耦合器坏1.更换井下电源2.修复或更换3.更换4.修复或更换分站中的模拟量或开关量信号正常，但分站无输出1.线路耦合器坏或接法有误2.井下安全栅坏3.输出线断或接法不正确1.更换或检查接线2.更换3.重新检查分站内的信号输出正常，但地面无信号1.主信号线断线或接法有误2.中心柜的耦合器坏1.检查线路2.修复或更换分站不能上电1.电控箱电源没有输入2.替代板上没有电压3.分站板上没有电压1.检查配线区上的电压，重新接线。2.检查指定的接线柱上有没有电压，看指定接线柱有没有连通，没有连通的把线接好3.换替换板，仍无用则换分站板分站不能发送发送部分没有电源将电源打开后马上合上电控箱电源无输出时，首先检查保险丝管是否完好，若已断，应检查内部电路和关联设备的相关电路有无短路情况。在查出短路原因并处理后，换上备用的熔丝管。电控箱控制电路无输出：若只有一路无输出，可将相应的继电器拆下，检查动作部分是否灵活，线圈是否完好；若几路全无输出，应将底板拆下，送井上检修。2.12 系抗干扰措施2.12.1 传输系统抗干扰措施传输系统一般采用以下抗干扰措施：1) 用双绞信号线，抑制共模干扰；2) 端均采用光电隔离式电磁隔离；3) 意传输线路与其它线路分开敷设；4) 用软件技术.如奇偶校验，误码重发(二次重发)，延时，容错技术等。2.12.2 分站及传感器抗干扰措施在分站及传感器电路中应用了较多的抗干扰措施。分述如下：1) 使用输入滤波器，将干扰信号滤除。2) 对输入信号采取平均值测量，使对称变化的差模信号干扰被平均掉；3) 采用双端对称输入，最大限度消除共模信号，有些传感器直接采用桥式电路检测，也可起到消除共模信号干扰作用；4) 单扳机输入输出端光电隔离；5) 屏蔽；6) 电源两级或多级稳压；7) 接地与浮置，将检测放大电路接作一个公共地，单扳机部分采用浮置电路；8) 软件抗干扰技术。2.13 井下分站配接设备表表2-3 井下分站配接设备表配接设备名称配接设备型号信号输出传输距离生产厂家防爆合格证号低浓瓦斯传感器KG9701200HZ-1000HZ1.5Km煤科院重庆分院3963118设备开/停传感器KGKT-C10B200HZ-1000HZ1.5Km宜兴煤矿电子仪器场2954034设备开/停传感器KGKT-C10-11200HZ-1000HZ1.5Km宜兴煤矿电子仪器场2954034设备开/停传感器KGT2A200HZ-1000HZ1.5Km抚顺安仪厂1964029温度传感器KGWIB200HZ-1000HZ1.5Km抚顺安仪厂1964057一氧化碳传感器KG3013A200HZ-1000HZ1.5Km抚顺安仪厂1981803低浓瓦斯传感器KGJ1B200HZ-1000HZ1.5Km抚顺安仪厂1964057压力变送器CY-YZ-200A200HZ-1000HZ1.5Km永普自动化公司2974014温度变送器KW200A（G）200HZ-1000HZ1.5Km永普自动化公司2974016风速传感器CW-1200HZ-1000HZ1.5Km煤科院重庆分院398346低浓瓦斯传感器KDJ-1C200HZ-1000HZ1.5Km抚顺安仪厂1994242智能开停传感器RS4851.5Km3 硬件电路设计3.1 系统框图本设计是以PLC为核心的微机系统，共有四块印刷板：主板、显示板、电阻板和通讯板，为减小分站体积，采用尽可能紧凑的方式连接成一体的结构。其系统框图如图3-1：主板两路控制输出一路电平控制信号电源箱通讯板显示板电阻板200HZ-1000HZ频率信号0-5mA电流型、触点型开关量信号图3-1 分站的系统框图 3.2 PLC系统硬件设计电路原理PLC基本单元连接如图3.2所示。选择CPU224为基本单元，采用24V直流P型输入。Q0.0-Q0.7分别设备掉电信号灯（DDL）、死机信号灯（SJL）、事故信号灯（SGL）、开信号灯（KML）、关信号灯（GML）、正常信号灯（OKL）、复位信号灯（REL）和报警灯（BJL）。PLC电源掉电或不足12V时设备掉电信号灯亮； PLC死机时死机信号灯亮；事故是指检测的气体浓度超过安全警戒值或温度、压力不正常；风门及设备状态为开时亮“开” 指示灯；风门及设备停止时亮“关”指示灯；当一切正常时正常信号灯亮，不正常时报警灯亮；系统复位时复位信号灯亮。 S7-224PLC的高速计数器（High-Speed Counter）可对PLC扫描速率来不及处理的高速事件进行计数。CPU224中有HSC0、HSC1、HSC2三个高速计数器。HSC0是一个单一时钟输入的递增或递减计数器，其计数方向（加法计数或减法计数）由程序通过方向控制位来控制，HSC0的最高计数频率为2KHZ。HSC1和HSC2是多功能计数器，如表3-1所示可有12种工作模式，对时钟、方向控制、复位和启动有专用的输入，最高时钟频率7KHZ。对于双脉冲计数器，2个时钟可以在7KHZ，在正交模式下，计数速率可选择*1或*4。如果*1，则最高计数速率为7KHZ，如果为*4，则最高计数速率为28KHZ。HSC1和HSC2相互独立，互不影响，即2个计数器在最高频率也互不干涉。根据系统实际情况选择HSC1，I0.6作为检测频率输入端。此频率信号是传感器传出的被测气体浓度。DDL SJL SGL KML GML OKL REL BJLQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7S7-224I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6 图3-2 PLC基本单元CP表3-1 CPU224的HSC1(HSC2)的工作模式CPU224的HSC1（HSC2）模式说明I0.6I0.7I1.0I1.10具有内部控制的单脉冲计数器SM47.3=0（SM57.3=0）减法计树SM47.3=1（SM57.3=1）加法计树时钟1复位2启动3具有外部控制的单脉冲计数器I0.7=0（I1.3=0），减法计树I0.7=1（I1.3=1），加法计树时钟方向4复位 5启动6 具有增减时钟输入的双脉冲计数器时钟方向7复位8启动9A/B脉冲正交计数器脉冲A超前BB90度是顺时转动脉冲B超前AB90度是逆时转动A相脉冲B相脉冲10复位11启动3.3 控制系统及外围系统3.3.1 频率选通模块本系统选择EM222为扩展块.Q2.0-Q2.3分别街道16选1芯片4067的通道选择端A、B、C、D，即可由PLC控制选通信号使某一通道（I00-I07）的频率的以选通进入PLC，再由PLC的高速计数器HSC1对频率进行计数，从而的到对应的气体浓度和温度、风速值。其框图如图3.3：4067I0.0-I0.7A、B、C、D8路频率信号选通频率信号Q2.0-Q2.3图3-3 频率选通控制 3.3.2 分站箱外部插头