煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)測設備

煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)測設備

摘要：主要介紹一種適用于中小型煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)測設備的設計方案。該設備能夠?qū)崟r采集、監(jiān)測井下工作面的瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、風速、壓力、溫度等重要數(shù)據(jù)和風機、水泵、絞車和電機的開停狀態(tài)，具有對交流電源的過壓、失流、缺相及各種異常、危險情況的報警功能；另外還具有對班次產(chǎn)量的統(tǒng)計和數(shù)據(jù)存儲功能。系統(tǒng)采用低壓電力線載波通信及GSM/GPRS無線通信技術進行數(shù)據(jù)的傳輸。

關鍵詞：低壓電力線栽波通信 PL3105C DPSK調(diào)制/解調(diào) DSl8820 GSM/GPRS

引 言

近年來，國內(nèi)煤礦重大安全事故不斷發(fā)生，尤其是中小煤礦情況更為突出，給國家、人民造成了重大損失。為此，國務院十分重視煤礦安全生產(chǎn)問題，不斷加大行業(yè)管理力度，逐步形成量化監(jiān)督管理模式，并相繼成立“安全評價”部門機構(gòu)．實現(xiàn)常年有序、真實有效及信息網(wǎng)絡化管理．針對日前行業(yè)的發(fā)展需要，本方案為中小煤礦實現(xiàn)實時安全監(jiān)管目標提供了必須的條件與手段。為減少布線的麻煩和投資，本方案中下行通道采用了先進的低壓電力線擴頻載波通信方式，以井下已布好的電纜作為通信介質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳輸。上行通道采用無線網(wǎng)路通信方式，報警記錄通過GSM網(wǎng)以短消息形式傳到預定手機，或通過GPRS傳到上級主管部門計算機以便對事故作出及時處理。

1 硬件結(jié)構(gòu)設計

該煤礦安檢設備的基本功能有：煤礦各工作面瓦斯?jié)舛鹊膶崟r采集記錄并顯示；瓦斯?jié)舛瘸瑯藞缶痪嘛L速采集記錄；負壓(壓力)記錄；一氧化碳濃度采集記錄；溫度采集記錄；水泵電機工作狀態(tài)；風機工作狀態(tài)；絞車工作狀態(tài)；電源過壓報警；失流報警；缺相報警；班次產(chǎn)量記錄；開關量采集及設備控制；載波數(shù)據(jù)傳輸；GSM/GPRS無線通信；參數(shù)設置；數(shù)據(jù)存儲；電源自動切換管理以及系統(tǒng)自檢等功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。設備分為井下數(shù)據(jù)采集終端和地面數(shù)據(jù)集中器兩部分。

2 采集終端設計

數(shù)據(jù)采集終端是用來采集、監(jiān)測、控制井下設備狀態(tài)并將數(shù)據(jù)記錄上傳給集中器的裝置，可同時采集16路的開關量和16路模擬量，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換形成數(shù)字量，安裝在井下防爆箱內(nèi)。它為各類傳感器提供工作電源，并以RS485總線方式通信；與集中器間以載波通信方式進行數(shù)據(jù)交換。集中器間采用載波通信方式，集中器可定時或隨時召喚井下各設備參數(shù)并存儲。

井下數(shù)據(jù)采集終端總體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

瓦斯傳感器安裝在井下各采煤工作面及巷道上，以采集不同點的瓦斯?jié)舛?。量程為O～4％CH4，供電方式采取采集器統(tǒng)一直流15 V供電，保障其安全性。當井下瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r，采集終端發(fā)出報警，報警燈不停閃爍的同時又誦討語音報警以提示人員進行緊急撤離。同時監(jiān)控室里的集中器也發(fā)出報警，提醒地勤人員采取緊急措施。另外，在報警同時打開風門及風機進行抽風，以降低瓦斯?jié)舛?。同樣，當井下一氧化碳濃度超標也會發(fā)出報警。需注意的是，由于氣敏傳感器都有一定的使用壽命，因此最好一年更換一次傳感器，以保障測量的準確性。

巷道風量的測量采用礦用智能風量傳感器，其測量范圍為風速0.3～15 m/s；坑道斷面積小于30 m2；允許誤差小于+0.3 m/s；重復性誤差讀數(shù)值+1％；輸出信號為200～1000 Hz/5～15 Hz或4～20 mA/1～5 mA；工作電壓為Dc 15 v；工作電流小于60 mA；換能器工作頻率為140～150 kHz。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換(或v/F轉(zhuǎn)換)后，可測得其通風量的大小，以了解井下空氣質(zhì)量等。

由于井下到處都是易燃的煤，因此，當溫度過高時極易發(fā)生自燃的情況；由于井下燃燒為不完全燃燒，因此會產(chǎn)生大量的一氧化碳。上述情況會導致井下人員的一氧化碳中毒，當遇到明火時還會產(chǎn)生爆炸。因此井下溫度的測量很重要，尤其對于那些井下較干燥的礦井顯得更加必要。本方案中采用美國DalIas公司的增強型單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20，它僅需一根口線與單片機連接，其測溫范圍為一55～+125℃，精度高，可編程分辨率為9～12位，對應溫度分辨率為O.5～O.0625℃。該傳感器還具有用戶可編程溫度報警設置，在12位分辨率時最多在750 ms內(nèi)可將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。根據(jù)現(xiàn)場情況可安裝多個溫度測量點以監(jiān)控井下溫度的變化。

井下巷道均由鋼架或木架支撐，為防止冒頂、坍塌等危險情況造成人員重大傷亡和財產(chǎn)損失，井下需要實時巡檢巷道壓力情況，并及時整修。因此，在承重架下安裝壓力傳感器實現(xiàn)壓力應變的實時監(jiān)測，可及時檢測到出現(xiàn)的險情，從而能夠避免重大事故的發(fā)生。

井下設備大多為防爆型設備，因此價格較一般同類型非防爆設備高許多。當出現(xiàn)過壓、失流、缺相或三相不平衡等情況時，常會燒壞電機造成停產(chǎn)，從而造成重大的損失。為盡量杜絕或減少出現(xiàn)此類狀況后造成損失，在電機進線上安裝精密的電壓、電流互感器，實時監(jiān)測電壓電流的變化。當出現(xiàn)非正常變化時及時報警，超出預定值時自動斷開電源以保障設備的安全。

井下設備的工作狀態(tài)是否正常對安全生產(chǎn)非常重要，因此對風機、水泵、絞車等重大設備工作狀態(tài)的監(jiān)測是采集終端的另一重要功能。實時監(jiān)測這些設備的二次觸點等開關量，然后經(jīng)光電隔離、整形、限流電路接到單片機端口，單片機可根據(jù)這些開關狀態(tài)來判定設備的工作狀態(tài)。另外，主控室還可通過集中器向采集終端下發(fā)某設備工作狀態(tài)命令。
采集終端具有報警功能，當某一設備出現(xiàn)異常時，其對應LED即出現(xiàn)閃爍狀態(tài)，同時伴有語音報警。大多數(shù)同類設備與地面設備間的通信采用專線形式，其主要弊端是安裝不方便且安全性不高，尤其對于井下分支較多的情況會更加麻煩。對于豎井，電纜常會因為罐籠撞幫而被掛斷，出現(xiàn)維護困難的情況。本方案采用先進的低壓電力線載波通信技術，由于電力電纜在礦井建成的同時就完成了布線，且防護做的很好，從而避免了線路維護的麻煩。另外，隨井下掘進面向不同方向的擴展，電力電纜也會隨著鋪設好，因此不需要另外再鋪設專線，只需將具有載波通信功能的傳感器安裝設置好即可。由于井下交流電源多為127V和220 V，因此在將載波信號耦合到高壓電路上時必須做好隔離和防爆。本方案采用耐壓680 V的聚多元脂電容器作為隔離器件。微處理器PL3105為51兼容，具有8/16位ALU、2×16位ADC，內(nèi)部集成了電力載波通信模塊，該模塊是專為電力線通信網(wǎng)絡設計的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器，載波通信的抗干擾能力很強。

3 數(shù)據(jù)集中器設計

數(shù)據(jù)集中器功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)集中器是放置在主控室用來匯集、監(jiān)測井下設備運行狀況、對異常情況進行報警及顯示，并能上傳的設備。同時，它還具有對地面絞車運行狀況實時監(jiān)控、計量提升煤罐次數(shù)并計算生產(chǎn)量的功能。數(shù)據(jù)集中器可同時管理多個井礦下的采集終端設備，采用大容量掉電非遺失數(shù)據(jù)存儲器NVRAM，對井下各測量點數(shù)據(jù)可進行定間隔(1～60 mim可設)存儲一個月的數(shù)據(jù)；可根據(jù)礦上生產(chǎn)情況設定班次及上下班交接時間，同時采集、計算并保存當前班、上一班、上上一班的生產(chǎn)量作為工人工作量核算的依據(jù)。采集方法是：在罐籠提升絞車電機進線上安裝電壓、電流互感器，利用絞車檔位控制開關的空觸點進行上下、檔位的辨別，根據(jù)罐籠提升重量的變化導致電機輸出功率的變化來判別出是空罐、上下人員還是煤罐。需注意的一點是：由于廠礦電壓晝夜變化都較大，因此根據(jù)公式P=U×I可看出當電壓變化時電流也隨著變化，電流互感器感應電流也會隨著變化，另外還會出現(xiàn)提升過程中罐籠撞綁導致感應電流瞬時過大的情況，也會有為防止罐籠過度搖擺出現(xiàn)危險而在提升過程中暫停(也叫穩(wěn)繩)