煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)測設(shè)備

煤礦安全生產(chǎn)與監(jiān)測設(shè)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(shè)備的設(shè)計方案。該設(shè)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(fēng)速、壓力、溫度等重要數(shù)據(jù)和風(fēng)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(shù)進行數(shù)據(jù)的傳輸。

      關(guān)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(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“安全評價”部門機構(gòu)．實現(xiàn)常年有序、真實有效及信息網(wǎng)絡(luò)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(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(yù)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(shè)計

      該煤礦安檢設(shè)備的基本功能有：煤礦各工作面瓦斯?jié)舛鹊膶崟r采集記錄并顯示；瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報警；井下風(fēng)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(fēng)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(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；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(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

      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(shè)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(dāng)井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時，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(fēng)門及風(fēng)機進行抽風(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(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(dǎo)致井下人員的一氧化碳中毒，當(dāng)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(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警設(shè)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(yīng)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(shè)備大多為防爆型設(shè)備，因此價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，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(dāng)出現(xiàn)非正常變化時及時報警，超出預(yù)定值時自動斷開電源以保障設(shè)備的安全。

      井下設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常對安全生產(chǎn)非常重要，因此對風(fēng)機、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。實時監(jiān)測這些設(shè)備的二次觸點等開關(guān)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(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。
采集終端具有報警功能，當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)異常時，其對應(yīng)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(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(shù)，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(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(luò)設(shè)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(shè)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(shè)備運行狀況、對異常情況進行報警及顯示，并能上傳的設(shè)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(shè)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(shè))存儲一個月的數(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間，同時采集、計算并保存當(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進線上安裝電壓、電流互感器，利用絞車檔位控制開關(guān)的空觸點進行上下、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(dāng)電壓變化時電流也隨著變化，電流互感器感應(yīng)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(dǎo)致感應(yīng)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)的情況。所以，在實際應(yīng)用中對提升過程采集的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，還需要進行求平均值以及設(shè)置穩(wěn)繩時間、空罐重量參數(shù)、正常罐重參數(shù)、超重報警參數(shù)等參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)提升有效罐次乘以標(biāo)準(zhǔn)罐煤重量計算出當(dāng)前班次的產(chǎn)量，到換班時間設(shè)備自動進行換班存儲，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)。對于小型煤礦，這樣的產(chǎn)量統(tǒng)計方式可以避免因錯計、漏計、少計的人為因素而導(dǎo)致矛盾的發(fā)生。

      為便于進行參數(shù)的設(shè)置，集中器還具有人機接口。液晶顯示采用清華蓬遠公司內(nèi)藏T6963C控制器的液晶模塊，分辨率為128×64點陣，能顯示漢字和圖形，可當(dāng)?shù)赝ㄟ^鍵盤進行參數(shù)設(shè)置、遠動控制操作等。實時刷新顯示井下各采樣點的數(shù)據(jù)及各設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)井下瓦斯?jié)舛?、溫度、負壓、一氧化碳濃度等超?biāo)時，集中器面板上各對應(yīng)報警LED進行閃爍報警、并顯示出報警點所在位置，同時伴有語音報警。

      集中器與采集終端之間通過低壓電力線進行載波通信，可實時召喚、存儲各采集終端下屬設(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接口實現(xiàn)本地計算機與集中器的數(shù)據(jù)交換，也可通過計算機經(jīng)集中器對各設(shè)備進行開、?？刂?。本方案中還增加了GSM/GPRS通信方式，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)重大報警時，集中器自動將報警內(nèi)容通過短消息的形式發(fā)給預(yù)定義好的手機，或者通過GPRS方式將各數(shù)據(jù)記錄及報警記錄上傳到主管部門的計算機。這樣做可以實現(xiàn)無人值守的要求。

      4 軟件設(shè)計

      本方案所涉及到的軟件設(shè)計包括三部分：運行于數(shù)據(jù)采集終端中的數(shù)據(jù)采集、報警、控制及通信程序；運行于數(shù)據(jù)集中器中的數(shù)據(jù)采集、通信、報警及人機接口程序；運行于PC機上的后臺監(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單總線數(shù)字式溫度傳感器DSl8820的溫度值讀取；③設(shè)備的開停、風(fēng)門、饋電等開關(guān)量的采集及對風(fēng)、電、瓦斯等設(shè)備的閉鎖控制；④數(shù)據(jù)計算及存儲、報警判斷、電源管理及系統(tǒng)自檢；⑤與集中器間以電力線為介質(zhì)通過載波通信進行數(shù)據(jù)交換；⑥通過本地串口可進行本地數(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，主要完成以下幾個功能：①對每個班次的生產(chǎn)量進行計數(shù)、存儲以及絞車運行狀況的實時監(jiān)測；②載波通信程序設(shè)計，設(shè)置定時中斷，定時抄讀所有終端所屬設(shè)備的運行數(shù)據(jù)并存儲，數(shù)據(jù)類型包括當(dāng)前實時數(shù)據(jù)記錄、日數(shù)據(jù)記錄、月數(shù)據(jù)記錄、報警記錄及時間標(biāo)識等，另外還具有設(shè)備參數(shù)設(shè)置程序等；③報警判斷程序的設(shè)計；④鍵盤及液晶顯示程序的設(shè)計，通過鍵盤可設(shè)置下屬終端設(shè)備參數(shù)，包括瓦斯報警濃度、溫度報警值、壓力報警值、數(shù)據(jù)存儲周期、班次交接時間等參數(shù)；⑤與計算機經(jīng)本地串口進行串行通信。

程序流程圖如圖5所示。

      PC機上的后臺監(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現(xiàn)與無線MODEM通信；后臺數(shù)據(jù)庫程序采用Microsoft SQL Server 2000編寫。

      結(jié) 語

      隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對能源的需求越來越大，在加大生產(chǎn)量的同時決不能忽視安全生產(chǎn)、嚴格管理的重要性。相對較落后的安檢設(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，滿足了用戶對井下生產(chǎn)狀況的實時監(jiān)控和對險情及時發(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。