摘 要：煤矿各类监控系统需要不同的功能的分站，各种分站的硬件组成、数据结构及其通信协议的不一致，导致数据的融合和共享有很大的困难。设计了具有分布式PLC通用功能的监控分站，它既能够采集开关和脉冲数据，也能够通过RS485接口采集智能传感器的数据；并将这些数据进行组合，用于通过监控分站控制开关量；这种设计对于减少各类监控系统中分站的种类，实现数据融合与共享带来极大的方便，同时也减少了系统维护的工作量。
关键词：监控分站；分布式PLC；微处理器；智能型传感器；数据采集
在国内煤矿行业，运行着数以千计的安全监测监控系统[1]，以及其它各类监控系统，由于是各个制造厂各自设计各自生产，没有统一的设计要求，功能各异，也没有统一的通信接口和软件协议，造成类型众多，接口不一，使得系统复杂，维修不便，是目前数据难以融合和共享的主要障碍。
针对目前监控分站的现状，设计了一种基于现场可编程（PLC）的监控分站，其能够方便的接入各类传感器，并将传感器的数据上传至主站。又能够根据现场需要，编制数据处理和控制流程，实现分布式PLC[2]控制，也能够根据上位机指令实行远程控制。
1 分站的硬件结构和接口
分站的微处理器采用STM32F427[3]，其处理速度快、程序空间和数据空间足够大，能够满足程序解释执行PLC语句的需要。硬件结构和接口图如图1。
图1 硬件结构和接口图
分站有8/16个开关量型或脉冲信号型和频率型信号接口，使用时通过属性设置，使其成为开关量接口、脉冲频率接口或者累加量接口，以适应不同传感器要求[4-5]。接口用光电隔离，能抑制现场干扰。
分站能接入16个传感器类设备的RS485信号，信号通过一个隔离式RS485口接入。传感器通过地址编码识别，通过监控分站轮询来传输数据[6]。每个传感器分站支持4个数据量，这样使得分站数据量大幅增加。同时，可加入1个或多个执行分站，远程执行监控分站下达的控制指令，实现远程控制。
分站具有8个控制量隔离输出，用于控制执行器，通过内部PLC设置，实现诸如风电瓦斯闭锁、风机排瓦斯自动控制、水仓水位的控制等功能。
分站有1个RS485和以太网接口[7]，用于与主站的通信，满足各类通信要求。分站有声光报警。
2 分站的模块
1）模块1：开关量和频率量采集模块。该模块以6N137高速光耦作为隔离器件，以2.5万次/s的采样速率采集输入接口的信号变化，根据接口属性将数据存入对应变量单元。根据奈奎斯特采样定理[8],2.5万次/s的采样速率能保证1.2万次信号变化不失真，保证了采样精度的实现。经过实测，在10 kHz下，监控分站能够实现稳定的采样，不丢失1 Hz数据。目前煤矿使用频率型信号的传感器主要为200～1 000 Hz，也有 200～2 000 Hz，个别的也有 10 kHz，足以满足此类传感器的需要。
2）模块2：智能传感器RS485接口模块。该模块用隔离RS485电路，保证主电路与传感器电路的电气隔离，并保证数据能够互通。软件采用监控分站轮询方式对传感器进行数据采集[9]，采集到的数据放置到对应的数据单元。
3）模块3：输出控制模块。该模块在电路上对输出信号进行光电隔离后输出到接口，保证与主电路的电气隔离。在核心软件监控分站内部PLC运算结果输出后，接口能够驱动外部设备，比如执行器，用于控制相应设备。
4）模块4：显示和键盘接口。本监控分站使用128×64点阵的液晶显示数据，汉字英文均可显示。监控分站使用遥控器发出键盘操作指令，红外方式接收键盘指令后驱动显示模块显示相关数据，所有采集的数据均可实现原码和实时数据的就地显示。
5）模块5：RS485与以太网的主站通信[10]模块。模块可以接收主站的数据采集指令，输出返回数据；可以接收主站的指令控制对应设备，实现远程闭锁。同时根据生产需要可以改变监控分站的PLC设置，实现监控分站的远程维护[10]。
6）模块6：电源模块。监控分站使用18 V直流本安电源，隔离开关电源DC/DC，通过2路分别供向主电路5 V和其它传感器以及控制电路（含有电流限制路）。
7）模块7：PLC模块[11]。该模块是监控分站的核心模块，PLC模块数据结构图如图2。
图2 PLC模块数据结构图
3 PLC模块数据接口定义及相关PLC执行程序
PLC模块数据接口定义主要有：①部计数器：00-T99；②内部信号寄存器：01-x99；③信号数据：对于8信号频率、开关输入型监控分站定义为A，信号1～信号11为开关量或频率量，信号12～信号19为输出控制量，B1为智能1号传感器的第1模拟量，B2为智能1号传感器的第2模拟量，以下类推……，C1为智能2号传感器的第1模拟量，C2为智能2号传感器的第2模拟量，以下类推。
PLC的基本语句格式为：逻辑指令寄存器或继电器操作符操作数据或状态。
逻辑指令：求分站PLC执行的动作。要有6种，D、AND、OR、XOR、OUT、END。
操作符：要对寄存器或继电器进行的比对、赋值等操作。主要有 6，即=、≠、≤、＜、≥、＞。
定值：V1～V20。
风电甲烷闭锁的要求如下：①当甲烷浓度达到1.5%时，分站应能通过断电执行器切断动力电源并闭锁，同时发出声、光报警信号；②当甲烷浓度达到1.0%时，分站应能通过断电执行器切断动力电源并闭锁，同时发出声、光报警信号；③当甲烷浓度达到0.5%时，分站应能通过断电执行器切断动力电源并闭锁，同时发出声、光报警信号；④当甲烷浓度达到3.0%时，分站应能通过断电执行器切断动力电源并闭锁，同时发出声、光报警信号；⑤当局部通风筒信号断开时，分站应能通过断电执行器切断动力电源并闭锁。
完成这些功能的PLC执行程序如下：
第1行 LD A4 ＞＝ 中间变量 V1
第2行 OR X34 ＝ 立即数 1
第3行 OUT Z12 ＝ 立即数 1
第4行 OUT A12 ＝ 立即数 0
第5行 LD A4 ＜ 中间变量 V2
第6行 AND X34 ＝ 立即数 0
第7行 OUT Z12 ＝ 立即数 0
第8行 OUT A12 ＝ 立即数 1
第9行 LD A5 ＞＝ 中间变量 V3
第10行 OR X35 ＝ 立即数 1
第11行 OUT Z13 ＝ 立即数 1
第12行 OUT A13 ＝ 立即数 0
第13行 LD A5 ＜ 中间变量 V4
第14行 AND X35 ＝ 立即数 0
第15行 OUT Z13 ＝ 立即数 0
第16行 OUT A13 ＝ 立即数 1
第17行 LD A6 ＞＝ 中间变量 V5
第18行 OR X36 ＝ 立即数 1
第19行 OUT Z14 ＝ 立即数 1
第20行 OUT A14 ＝ 立即数 0
第21行 LD A6 ＜ 中间变量 V6
第22行 AND X36 ＝ 立即数 0
第23行 OUT Z14 ＝ 立即数 0
第24行 OUT A14 ＝ 立即数 1
第25行 LD A6 ＞＝ 中间变量 V7
第26行 OR X36 ＝ 立即数 1
第27行 OUT A15 ＝ 立即数 0
第28行 LD A6 ＜ 中间变量 V8
第29行 AND X36 ＝ 立即数 0
第30行 OUT A15 ＝ 立即数 1
第31行 LD A8 ＝ 立即数 0
第32行 OUT A16 ＝ 立即数 1
第33行 LD A8 ＝ 立即数 1
第34行 OUT A16 ＝ 立即数 0
第35行 LD A9 ＝ 立即数 0
第36行 OUT A17 ＝ 立即数 1
第37行 LD A9 ＝ 立即数 1
第38行 OUT A17 ＝ 立即数 0
第39行 LD Z12 ＝ 立即数 1
第40行 OR Z13 ＝ 立即数 1
第41行 OR Z14 ＝ 立即数 1
第42行 OUT A20 ＝ 立即数 1
第43行 LD Z12 ＝ 立即数 0
第44行 AND Z13 ＝ 立即数 0
第45行 AND Z14 ＝ 立即数 0
第46行 OUT A20 ＝ 立即数 0
第47行 END
4 结语
设计了具有分布式PLC通用功能的监控分站，它既能够采集开关和脉冲数据，也能够通过RS485接口采集智能传感器的数据；并将这些数据进行组合，用于通过监控分站控制开关量；分站融合了几类传感器的数据接入，满足了数据共享的需求。
