基于ZigBee与PLC的矿井管控系统设计

摘要

煤炭作为我国国民经济的战略支柱产业，在保障国家能源安全，促进国民经济发展、维系社会稳定方面具有十分重要的作用，并且在未来相当长的时期内，我国以煤炭为主的能源结构难以改变。
　　由于煤矿井下环境复杂，安全隐患不易觉察，导致安全事故时有发生，造成了重大的人员伤亡和财产损失。为了防止煤矿安全事故的发生，国家重点采取了建设大型现代化煤矿和提高小煤矿办矿水平的两项举措。本课题针对小煤矿的实际条件和基本要求，设计了基于ZigBee与PLC的矿井管控系统，实现了井下环境监测、矿工考勤、矿工定位和通风控制四大功能。
　　首先提出了矿井管控系统的总体设计方案，详细阐述了系统的运行原理，简单介绍了ZigBee基础知识和技术特点，说明了ZigBee技术的选用依据。其次组建了ZigBee树状拓扑结构，依次进行了ZigBee协调器、路由器和矿工节点的硬件和软件设计，在ZigBee无线传感器网络的基础上，完成了矿工考勤系统的设计和定位功能的实现。再次设计了基于PLC的矿井通风控制系统，ZigBee协调器将子节点采集到环境参数以一定的数据格式传送到PLC寄存器中，PLC根据环境参数的上限值与采集值的比较结果决定通风控制系统的运行方式。最后采用易控组态(INSPEC)软件完成了上位监控系统的设计，对整个PLC通风控制系统进行监控，利用易控组态软件中的Web发布功能，实现了矿井管控系统的远程监控，使得管理人员不必深入控制现场，就可以获得矿井的环境参数和系统的运行状况。
　　本课题论述了基于ZigBee与PLC的矿井管控系统的软硬件设计，实现了矿井环境参数采集，矿工考勤定位，PLC通风控制，上位系统监控。经调试和运行，证明该系统可以实现预期的设计目标。

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1 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.3 论文的研究内容

1.4 本设计关键问题和解决方案

1.5 本章小结

2 矿井管控系统的总体设计

2.1 矿井管控系统的整体架构

2.2 矿井管控系统的运行原理

2.3 本章小结

3 ZigBee 的节点设计

3.1 ZigBee 技术概述

3.2 基于矿井结构的 ZigBee 拓扑结构选择

3.3 ZigBee 节点的硬件设计

3.4 ZigBee 节点的软件设计

3.5 本章小结

4 基于 ZigBee 网络的考勤系统设计与定位功能实现

4.1 矿工考勤系统设计

4.2 矿工定位系统分析

4.3 基于 ZigBee 的井下矿工定位算法设计

4.4 本章小结

5 基于 PLC 的通风控制系统设计

5.1 控制系统整体构架

5.2 控制系统流程分析

5.3 控制系统的硬件线路设计

5.4 控制系统的软件程序设计

5.5 ZigBee 网络与 PLC 控制系统的连接

5.6 本章小结

6 基于易控组态软件的上位监控的设计与实现。

6.1 易控组态软件的介绍

6.2 上位监控系统的设计

6.3 基于易控的 Web 远程监控系统设计

6.4 本章小结

7 系统调试

7.1 ZigBee 模块的调试

7.2 ZigBee 无线传感器网络的调试

7.3 ZigBee 模块与 PLC 的通信调试

7.4 系统整体调试

7.5 本章小结

8 结论与展望

8.1 本文总结

8.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢