煤礦安全生產與監測設備

摘要：主要介紹一種適用于中小型煤礦安全生產與監測設備的設計方案。該設備能夠實時采集、監測井下工作面的瓦斯濃度、一氧化碳濃度、風速、壓力、溫度等重要數據和風機、水泵、絞車和電機的開停狀態，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量的統計和數據存儲功能。系統采用低壓電力線載波通信及GSM/GPRS無線通信技術進行數據的傳輸。

      關鍵詞：低壓電力線栽波通信 PL3105C DPSK調制/解調 DSl8820 GSM/GPRS

      引 言

      近年來，國內煤礦重大安全事故不斷發生，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問題，不斷加大行業管理力度，逐步形成量化監督管理模式，并相繼成立“安全評價”部門機構．實現常年有序、真實有效及信息網絡化管理．針對日前行業的發展需要，本方案為中小煤礦實現實時安全監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進行數據傳輸。上行通道采用無線網路通信方式，報警記錄通過GSM網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 硬件結構設計

      該煤礦安檢設備的基本功能有：煤礦各工作面瓦斯濃度的實時采集記錄并顯示；瓦斯濃度超標報警；井下風速采集記錄；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；風機工作狀態；絞車工作狀態；電源過壓報警；失流報警；缺相報警；班次產量記錄；開關量采集及設備控制；載波數據傳輸；GSM/GPRS無線通信；參數設置；數據存儲；電源自動切換管理以及系統自檢等功能。該系統結構如圖1所示。設備分為井下數據采集終端和地面數據集中器兩部分。

      2 采集終端設計

      數據采集終端是用來采集、監測、控制井下設備狀態并將數據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A/D轉換形成數字量，安裝在井下防爆箱內。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據交換。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并存儲。

井下數據采集終端總體功能結構如圖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濃度。量程為O～4％CH4，供電方式采取采集器統一直流15 V供電，保障其安全性。當井下瓦斯濃度超標時，采集終端發出報警，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。同時監控室里的集中器也發出報警，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，以降低瓦斯濃度。同樣，當井下一氧化碳濃度超標也會發出報警。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A/D轉換(或v/F轉換)后，可測得其通風量的大小，以了解井下空氣質量等。

      由于井下到處都是易燃的煤，因此，當溫度過高時極易發生自燃的情況；由于井下燃燒為不完全燃燒，因此會產生大量的一氧化碳。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內可將溫度值轉換為數字量。根據現場情況可安裝多個溫度測量點以監控井下溫度的變化。

      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壓力應變的實時監測，可及時檢測到出現的險情，從而能夠避免重大事故的發生。

      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，從而造成重大的損失。為盡量杜絕或減少出現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，實時監測電壓電流的變化。當出現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是否正常對安全生產非常重要，因此對風機、水泵、絞車等重大設備工作狀態的監測是采集終端的另一重要功能。實時監測這些設備的二次觸點等開關量，然后經光電隔離、整形、限流電路接到單片機端口，單片機可根據這些開關狀態來判定設備的工作狀態。另外，主控室還可通過集中器向采集終端下發某設備工作狀態命令。
采集終端具有報警功能，當某一設備出現異常時，其對應LED即出現閃爍狀態，同時伴有語音報警。大多數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，內部集成了電力載波通信模塊，該模塊是專為電力線通信網絡設計的半雙工異步調制解調器，載波通信的抗干擾能力很強。

      3 數據集中器設計

數據集中器功能結構如圖3所示。

      數據集中器是放置在主控室用來匯集、監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控、計量提升煤罐次數并計算生產量的功能。數據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據存儲器NVRAM，對井下各測量點數據可進行定間隔(1～60 mim可設)存儲一個月的數據；可根據礦上生產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、上上一班的生產量作為工人工作量核算的依據。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危險而在提升過程中暫停(也叫穩繩)的情況。所以，在實際應用中對提升過程采集的信號經A/D轉換后，還需要進行求平均值以及設置穩繩時間、空罐重量參數、正常罐重參數、超重報警參數等參數的設置。根據提升有效罐次乘以標準罐煤重量計算出當前班次的產量，到換班時間設備自動進行換班存儲，將當前班次產量轉存為上一班次，上一班次轉存為上上班次，依次循環。對于小型煤礦，這樣的產量統計方式可以避免因錯計、漏計、少計的人為因素而導致矛盾的發生。

      為便于進行參數的設置，集中器還具有人機接口。液晶顯示采用清華蓬遠公司內藏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，可當地通過鍵盤進行參數設置、遠動控制操作等。實時刷新顯示井下各采樣點的數據及各設備開關狀態，當井下瓦斯濃度、溫度、負壓、一氧化碳濃度等超標時，集中器面板上各對應報警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備當前狀態字及數據．并講行顯示。用戶可通過RS232串口、紅外或RS485接口實現本地計算機與集中器的數據交換，也可通過計算機經集中器對各設備進行開、停控制。本方案中還增加了GSM/GPRS通信方式，當設備出現重大報警時，集中器自動將報警內容通過短消息的形式發給預定義好的手機，或者通過GPRS方式將各數據記錄及報警記錄上傳到主管部門的計算機。這樣做可以實現無人值守的要求。

      4 軟件設計

      本方案所涉及到的軟件設計包括三部分：運行于數據采集終端中的數據采集、報警、控制及通信程序；運行于數據集中器中的數據采集、通信、報警及人機接口程序；運行于PC機上的后臺監控、數據庫等程序。

      數據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、風速、一氧化碳及壓力等各類傳感器模擬量的采集及A/D轉換，數據讀取；②采用分址編碼方式對單總線數字式溫度傳感器DSl8820的溫度值讀取；③設備的開停、風門、饋電等開關量的采集及對風、電、瓦斯等設備的閉鎖控制；④數據計算及存儲、報警判斷、電源管理及系統自檢；⑤與集中器間以電力線為介質通過載波通信進行數據交換；⑥通過本地串口可進行本地數據抄讀及參數設置。

程序流程圖見圖4。

      數據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對每個班次的生產量進行計數、存儲以及絞車運行狀況的實時監測；②載波通信程序設計，設置定時中斷，定時抄讀所有終端所屬設備的運行數據并存儲，數據類型包括當前實時數據記錄、日數據記錄、月數據記錄、報警記錄及時間標識等，另外還具有設備參數設置程序等；③報警判斷程序的設計；④鍵盤及液晶顯示程序的設計，通過鍵盤可設置下屬終端設備參數，包括瓦斯報警濃度、溫度報警值、壓力報警值、數據存儲周期、班次交接時間等參數；⑤與計算機經本地串口進行串行通信。

程序流程圖如圖5所示。

      PC機上的后臺監控程序即圖形界面用戶應用程序，是通過Vistlal C++開發環境編寫的，采用串行口中斷的異步通信方式實現與無線MODEM通信；后臺數據庫程序采用Microsoft SQL Server 2000編寫。

      結 語

      隨著我國經濟的飛速發展，對能源的需求越來越大，在加大生產量的同時決不能忽視安全生產、嚴格管理的重要性。相對較落后的安檢設備已不再適應新形式的需要，也滿足不了現代化的管理要求。本設計方案采用上述思路和結構，既避免了布線、維修帶來的不便，又提高了管理的現代化水平，滿足了用戶對井下生產狀況的實時監控和對險情及時發現和排除的要求，能有效杜絕多數礦難事故的發生，為中小型煤礦提供了一種新穎的監測方法和手段。