基于CP1E与矿用变送器的矿井环境数据采集系统

田志勇 黄忠慧

(浙江机电职业技术学院电气电子工程学院，浙江 杭州 310053)

基于CP1E与矿用变送器的矿井环境数据采集系统

田志勇 黄忠慧

(浙江机电职业技术学院电气电子工程学院，浙江 杭州 310053)

阐述了矿井环境监测系统的工作原理和特点，针对矿井环境监测，基于CP1E与相关矿用变送器，提出了矿井环境数据采集系统的硬件、软件设计思想和实现方法，构建了矿井环境数据采集系统。详细介绍了智能传感模块和CP1E的硬件接口连接方式，并给出了采集系统的软件设计流程。该系统的硬件和软件具有较强的通用性和稳定性，信号采集精度高。运行结果表明：该系统运行稳定，数据采集实时可靠，适合于工况复杂的矿井环境监测，在矿井环境监测中具有一定的推广应用价值。

矿井 安全监测 CP1E 变送器

矿井安全监测系统用以实时监测井下巷道中CO、瓦斯、风速、气压等重要环境参数的变化，是矿井的重要组成部分。目前运行的监测系统多为封闭系统，主要采集单一参数并进行分析，这会造成重复铺设井下通信电缆、通信协议互不兼容、监测软件重复设计等弊端，影响矿井安全监测的实时性和可靠性。

1 系统结构与主要功能

根据当前矿井安全监测系统的弊端，结合福建某金银伴生矿的状况，构建了基于CP1E与矿用变送器的矿井环境数据采集系统。系统基于PLC技术，集中采集各种环境参数，并通过工业以太网实现监测机组与备份机组的数据共享。系统结构如图1所示。

图1 矿井安全监测系统结构

在图1中，根据井下巷道分布，设置了5个采集箱，每个采集箱以PLC、模拟量采集扩展模块以及相关测量变送器组成，采集CO、风速、气压等各个监测数据。在1#、3#2个采集箱采集通风风机运行信号。5个采集箱采用485通信方式实现PC-LINK数据链接通信，通过光纤系统实现数据的传输。

2 硬件系统设计

2.1 变送器模块

变送器模块由风速传感器、气压传感器与CO传感器组成。风速传感器采用矿用GFW15型风速传感器，气压传感器器采用矿用两线输出制ND-5型气压变送器，CO变送器采用矿用ND-1型CO变送器，如图2所示。

图2 矿用变送器模块

变送器的技术指标如表1、表2、表3所示。

表1 GFW15型风速变送器主要技术指标

2.2 变送器输出接线

两线制变送器与三线制变送器的供电与输出接线如图3所示。图3中，AIx+、AIx-分别接采集模块的信号输入端，信号传输距离超过1 000 m。

表2 ND-5型气压变送器主要技术指标

表3 ND-1型CO变送器主要技术指标

图3 变送器接线

2.3 信号采集模块

基于PLC技术，设计信号采集模块。与常规的采集系统相比，PLC系统具有故障率低、可靠性高、接线简单、抗干扰能力强、维护方便等诸多优点。采用内置2路模拟量输入的可编程序控制器CP1E-NA20-A，模拟量转换精度为1/6 000，转换时间为1 ms，可以同同类终端进行485通信，通信距离可达1 200 m，满足系统要求。CP1E最多可以扩展3块CP1W-AD041，即1个CP1E加扩展模块最多可以提供14路模拟量输入，14路模拟量输入采集模块结构如图4所示。

图4 采集模块结构

CP1E-NA20接口电路如图5、图6所示。在图5中，05、11分别接主扇或局扇风机运行信号KM2与KM1，2路(90、91)模拟量输入通道分别接2路传感器信号AI1与AI2。由于传感器输出信号为电流信号，故90通道的IIN0与VIN0短接之后接AI1+，COM0接AI1-，91通道亦相同方式接AI2。在图6中，利用CP1E内置的24 V电源为开关量输入口供电，并在输出口提供现场报警信号。

图5 CP1E-NA20输入接口电路

图6 CP1E-NA20输出接口电路

CP1W-AD041接口电路如图7所示。CP1W-AD041是CP1H系列PLC的4路模拟量输入扩展单元，转换精度为1/6 000。CP1W-AD041接线如表4所示，在表4中，“+”表示短接。

图7 CP1W-AD041输入接口电路

模块端子VIN1+IIN1COM1VIN2+IIN2COM2VIN3+IIN3COM3VIN4+IIN4COM4传感器端子AI3+AI3-AI4+AI4-AI5+AI5-AI6+AI6-

3 系统软件设计

为正确实现数据的采集，必须对系统进行软件设计，主要包括CP1E内置模拟量的设置、CP1W-AD041的设置以及相关程序的编写。

3.1 设置CP1E内置模拟量

CP1E内置模拟量设置如图8所示，在PLC的设置—内置AD/DA中勾选AD0CH、AD1CH，量程选择4～20 mA。设置完毕，下载并重新上电使设置生效。AD0CH、AD1CH对应90、91通道。

图8 设置CP1E内置模拟量

3.2 设置CP1W-AD041

图4中，1#、2#、3#CP1W-AD041的模拟量输入地址是1CH-3CH、4CH-7CH与8CH-9CH。为了使CP1W-AD041能够转换模拟量必须设定量程控制字，通过将量程控制字写入到模拟量输入单元的输出通道内来实现输入信号范围的设定。量程控制字设定如表5所示。CP1W-AD041通过连接适当的端子来选择电压/电流输入，在程序执行的第1个扫描周期将量程控制字写入到模拟量输入单元的输出通道(n+1，n+2)中，设置要求如表5、表6所示。根据表6以及监测系统要求，设置字应为#80EE。

表5 CP1W-AD041设置字通道

表6 CP1W-AD041控制字

3.3 程序设计

采集程序(部分)如图9所示。图9(a)所示程序为把设置字#80EE写入101、102通道中，设置1#CP1W-AD041，把设置字#80EE写入103、104通道中，设置2#CP1W-AD041，把设置字#80EE写入105、106通道中，设置3#CP1W-AD041。图9(b)所示程序为断线检测，当对应输入端的信号断线时，该通道转换值为#8000，则相应标志位为1。详细程序不再赘述。

图9 采集程序(部分)

4 系统运行分析与结论

基于PLC技术，构建分布式矿井环境参数采集系统，集中采集矿井中测点分散的不同参数。生产实践表明，该系统运行稳定，采样精度高、速度快，并能在线进行线路故障监测，适合于工况复杂的矿井环境监测，性价比较高。该集中式参数采集方法也是一种智能化的通用方法，对其他的监测类系统同样适用。

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(责任编辑 徐志宏)

Data Acquisition System for Mine Environment Based on CP1E and Mine Transmitter

Tian Zhiyong Huang Zhonghui

(InstituteofElectricalandElectronicsEngineering,ZhejiangInstituteofMechanicalandElectricalEngineering，Hangzhou310053,China)

The work principle and character of mine environment monitoring system are described．Aiming at the mine environment monitoring,the design thought and realization method of hardware and software for the data acquisition system for mine environment are proposed based on CP1E and related mine transmitter module,and data acquisition system for mine environment is built.The hardware interface connection of intelligent sensor module and CP1E is introduced in detail，and the software design process for the system is given．The hardware and software of this system has strong versatility and stability with a high accuracy grade of data acquisition.The practice shows that the system runs stably and data acquisition in real time by this system is reliable.So it is suitable for complicated mine environment monitor,and has a certain application value in mine environment monitoring.

Mine,Safety monitoring,CP1E,Transmitter

2014-10-18

浙江省科技厅公益技术研究社会发展项目(编号：2014C33035)，浙江省滑动轴承工程技术研究中心项目(编号：2012E10028)。

田志勇(1976—)，男，副教授，硕士。

TD76

A

1001-1250(2015)-03-152-04