多層次總線下的煤礦安檢設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(wù)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(píng)價(jià)”部門機(jī)構(gòu)．實(shí)現(xiàn)常年有序、真實(shí)有效及信息網(wǎng)絡(luò)化管理．針對(duì)日前行業(yè)的發(fā)展需要，本方案為中小煤礦實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安全監(jiān)管目標(biāo)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(jìn)的低壓電力線擴(kuò)頻載波通信方式，以井下已布好的電纜作為通信介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上行通道采用無線網(wǎng)路通信方式，報(bào)警記錄通過gsm網(wǎng)以短消息形式傳到預(yù)定手機(jī)，或通過gprs傳到上級(jí)主管部門計(jì)算機(jī)以便對(duì)事故作出及時(shí)處理。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該煤礦安檢設(shè)備的基本功能有：煤礦各工作面瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)采集記錄并顯示；瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報(bào)警；井下風(fēng)速采集記錄；負(fù)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(jī)工作狀態(tài)；風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)；絞車工作狀態(tài)；電源過壓報(bào)警；失流報(bào)警；缺相報(bào)警；班次產(chǎn)量記錄；開關(guān)量采集及設(shè)備控制；載波數(shù)據(jù)傳輸；gsm/gprs無線通信；參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；電源自動(dòng)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(shè)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(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端是用來采集、監(jiān)測、控制井下設(shè)備狀態(tài)并將數(shù)據(jù)記錄上傳給集中器的裝置，可同時(shí)采集16路的開關(guān)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(jìn)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(shí)或隨時(shí)召喚井下各設(shè)備參數(shù)并存儲(chǔ)。

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(diǎn)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(dāng)井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，采集終端發(fā)出報(bào)警，報(bào)警燈不停閃爍的同時(shí)又誦討語音報(bào)警以提示人員進(jìn)行緊急撤離。同時(shí)監(jiān)控室里的集中器也發(fā)出報(bào)警，提醒地勤人員采取緊急措施。另外，在報(bào)警同時(shí)打開風(fēng)門及風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)，以降低瓦斯?jié)舛?。同樣，?dāng)井下一氧化碳濃度超標(biāo)也會(huì)發(fā)出報(bào)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(zhǔn)確性。

巷道風(fēng)量的測量采用礦用智能風(fēng)量傳感器，其測量范圍為風(fēng)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(fù)性誤差讀數(shù)值+1％；輸出信號(hào)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(fēng)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(dāng)溫度過高時(shí)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(huì)產(chǎn)生大量的一氧化碳。上述情況會(huì)導(dǎo)致井下人員的一氧化碳中毒，當(dāng)遇到明火時(shí)還會(huì)產(chǎn)生爆炸。因此井下溫度的測量很重要，尤其對(duì)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(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器dsl8b20，它僅需一根口線與單片機(jī)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(duì)應(yīng)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(bào)警設(shè)置，在12位分辨率時(shí)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(gè)溫度測量點(diǎn)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(xiǎn)情況造成人員重大傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，井下需要實(shí)時(shí)巡檢巷道壓力情況，并及時(shí)整修。因此，在承重架下安裝壓力傳感器實(shí)現(xiàn)壓力應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可及時(shí)檢測到出現(xiàn)的險(xiǎn)情，從而能夠避免重大事故的發(fā)生。

井下設(shè)備大多為防爆型設(shè)備，因此價(jià)格較一般同類型非防爆設(shè)備高許多。當(dāng)出現(xiàn)過壓、失流、缺相或三相不平衡等情況時(shí)，常會(huì)燒壞電機(jī)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(jī)進(jìn)線上安裝精密的電壓、電流互感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓電流的變化。當(dāng)出現(xiàn)非正常變化時(shí)及時(shí)報(bào)警，超出預(yù)定值時(shí)自動(dòng)斷開電源以保障設(shè)備的安全。

井下設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常對(duì)安全生產(chǎn)非常重要，因此對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、絞車等重大設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測是采集終端的另一重要功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測這些設(shè)備的二次觸點(diǎn)等開關(guān)量，然后經(jīng)光電隔離、整形、限流電路接到單片機(jī)端口，單片機(jī)可根據(jù)這些開關(guān)狀態(tài)來判定設(shè)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(shè)備工作狀態(tài)命令。

采集終端具有報(bào)警功能，當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，其對(duì)應(yīng)led即出現(xiàn)閃爍狀態(tài)，同時(shí)伴有語音報(bào)警。大多數(shù)同類設(shè)備與地面設(shè)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(duì)于井下分支較多的情況會(huì)更加麻煩。對(duì)于豎井，電纜常會(huì)因?yàn)楣藁\撞幫而被掛斷，出現(xiàn)維護(hù)困難的情況。本方案采用先進(jìn)的低壓電力線載波通信技術(shù)，由于電力電纜在礦井建成的同時(shí)就完成了布線，且防護(hù)做的很好，從而避免了線路維護(hù)的麻煩。另外，隨井下掘進(jìn)面向不同方向的擴(kuò)展，電力電纜也會(huì)隨著鋪設(shè)好，因此不需要另外再鋪設(shè)專線，只需將具有載波通信功能的傳感器安裝設(shè)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(hào)耦合到高壓電路上時(shí)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(luò)設(shè)計(jì)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(qiáng)。

3 數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)

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(shè)備運(yùn)行狀況、對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警及顯示，并能上傳的設(shè)備。同時(shí)，它還具有對(duì)地面絞車運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控、計(jì)量提升煤罐次數(shù)并計(jì)算生產(chǎn)量的功能。數(shù)據(jù)集中器可同時(shí)管理多個(gè)井礦下的采集終端設(shè)備，采用大容量掉電非遺失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器nvram，對(duì)井下各測量點(diǎn)數(shù)據(jù)可進(jìn)行定間隔(1～60 mim可設(shè))存儲(chǔ)一個(gè)月的數(shù)據(jù)；可根據(jù)礦上生產(chǎn)情況設(shè)定班次及上下班交接時(shí)間，同時(shí)采集、計(jì)算并保存當(dāng)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(jī)進(jìn)線上安裝電壓、電流互感器，利用絞車檔位控制開關(guān)的空觸點(diǎn)進(jìn)行上下、檔位的辨別，根據(jù)罐籠提升重量的變化導(dǎo)致電機(jī)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(diǎn)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(dāng)電壓變化時(shí)電流也隨著變化，電流互感器感應(yīng)電流也會(huì)隨著變化，另外還會(huì)出現(xiàn)提升過程中罐籠撞綁導(dǎo)致感應(yīng)電流瞬時(shí)過大的情況，也會(huì)有為防止罐籠過度搖擺出現(xiàn)危險(xiǎn)而在提升過程中暫停(也叫穩(wěn)繩)的情況。所以，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)提升過程采集的信號(hào)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后，還需要進(jìn)行求平均值以及設(shè)置穩(wěn)繩時(shí)間、空罐重量參數(shù)、正常罐重參數(shù)、超重報(bào)警參數(shù)等參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)提升有效罐次乘以標(biāo)準(zhǔn)罐煤重量計(jì)算出當(dāng)前班次的產(chǎn)量，到換班時(shí)間設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行換班存儲(chǔ)，將當(dāng)前班次產(chǎn)量轉(zhuǎn)存為上一班次，上一班次轉(zhuǎn)存為上上班次，依次循環(huán)。對(duì)于小型煤礦，這樣的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)方式可以避免因錯(cuò)計(jì)、漏計(jì)、少計(jì)的人為因素而導(dǎo)致矛盾的發(fā)生。

為便于進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，集中器還具有人機(jī)接口。液晶顯示采用清華蓬遠(yuǎn)公司內(nèi)藏t6963c控制器的液晶模塊，分辨率為128×64點(diǎn)陣，能顯示漢字和圖形，可當(dāng)?shù)赝ㄟ^鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)動(dòng)控制操作等。實(shí)時(shí)刷新顯示井下各采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)及各設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)井下瓦斯?jié)舛?、溫度、?fù)壓、一氧化碳濃度等超標(biāo)時(shí)，集中器面板上各對(duì)應(yīng)報(bào)警led進(jìn)行閃爍報(bào)警、并顯示出報(bào)警點(diǎn)所在位置，同時(shí)伴有語音報(bào)警。

集中器與采集終端之間通過低壓電力線進(jìn)行載波通信，可實(shí)時(shí)召喚、存儲(chǔ)各采集終端下屬設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)字及數(shù)據(jù)．并講行顯示。用戶可通過rs232串口、紅外或rs485接口實(shí)現(xiàn)本地計(jì)算機(jī)與集中器的數(shù)據(jù)交換，也可通過計(jì)算機(jī)經(jīng)集中器對(duì)各設(shè)備進(jìn)行開、停控制。本方案中還增加了gsm/gprs通信方式，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)重大報(bào)警時(shí)，集中器自動(dòng)將報(bào)警內(nèi)容通過短消息的形式發(fā)給預(yù)定義好的手機(jī)，或者通過gprs方式將各數(shù)據(jù)記錄及報(bào)警記錄上傳到主管部門的計(jì)算機(jī)。這樣做可以實(shí)現(xiàn)無人值守的要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

本方案所涉及到的軟件設(shè)計(jì)包括三部分：運(yùn)行于數(shù)據(jù)采集終端中的數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、控制及通信程序；運(yùn)行于數(shù)據(jù)集中器中的數(shù)據(jù)采集、通信、報(bào)警及人機(jī)接口程序；運(yùn)行于pc機(jī)上的后臺(tái)監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫等程序。

數(shù)據(jù)采集終端中的程序采用c51語言編寫，主要完成以下幾個(gè)功能：①瓦斯、風(fēng)速、一氧化碳及壓力等各類傳感器模擬量的采集及a/d轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)讀??；②采用分址編碼方式對(duì)單總線數(shù)字式溫度傳感器dsl8820的溫度值讀??；③設(shè)備的開停、風(fēng)門、饋電等開關(guān)量的采集及對(duì)風(fēng)、電、瓦斯等設(shè)備的閉鎖控制；④數(shù)據(jù)計(jì)算及存儲(chǔ)、報(bào)警判斷、電源管理及系統(tǒng)自檢；⑤與集中器間以電力線為介質(zhì)通過載波通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；⑥通過本地串口可進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)抄讀及參數(shù)設(shè)置。

程序流程圖見圖4。

數(shù)據(jù)集中器中的程序也采用c5l語言編寫，主要完成以下幾個(gè)功能：①對(duì)每個(gè)班次的生產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)以及絞車運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測；②載波通信程序設(shè)計(jì)，設(shè)置定時(shí)中斷，定時(shí)抄讀所有終端所屬設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)類型包括當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、日數(shù)據(jù)記錄、月數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警記錄及時(shí)間標(biāo)識(shí)等，另外還具有設(shè)備參數(shù)設(shè)置程序等；③報(bào)警判斷程序的設(shè)計(jì)；④鍵盤及液晶顯示程序的設(shè)計(jì)，通過鍵盤可設(shè)置下屬終端設(shè)備參數(shù)，包括瓦斯報(bào)警濃度、溫度報(bào)警值、壓力報(bào)警值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期、班次交接時(shí)間等參數(shù)；⑤與計(jì)算機(jī)經(jīng)本地串口進(jìn)行串行通信。

程序流程圖如圖5所示。

pc機(jī)上的后臺(tái)監(jiān)控程序即圖形界面用戶應(yīng)用程序，是通過vistlal c++開發(fā)環(huán)境編寫的，采用串行口中斷的異步通信方式實(shí)現(xiàn)與無線modem通信；后臺(tái)數(shù)據(jù)庫程序采用microsoft sql server 2000編寫。

結(jié) 語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)能源的需求越來越大，在加大生產(chǎn)量的同時(shí)決不能忽視安全生產(chǎn)、嚴(yán)格管理的重要性。相對(duì)較落后的安檢設(shè)備已不再適應(yīng)新形式的需要，也滿足不了現(xiàn)代化的管理要求。本設(shè)計(jì)方案采用上述思路和結(jié)構(gòu)，既避免了布線、維修帶來的不便，又提高了管理的現(xiàn)代化水平，滿足了用戶對(duì)井下生產(chǎn)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)險(xiǎn)情及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除的要求，能有效杜絕多數(shù)礦難事故的發(fā)生，為中小型煤礦提供了一種新穎的監(jiān)測方法和手段。