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摘要:針對(duì)當(dāng)前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題,提出了安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改進(jìn)的總體方案,通過(guò)對(duì)該方案中的關(guān)鍵分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用,驗(yàn)證得出:此監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能設(shè)計(jì)全面,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,信號(hào)傳輸距離最長(zhǎng)達(dá)到了2km的傳輸距離,且能發(fā)生相關(guān)的聲光報(bào)警提示,安全性有顯著提高,具有重要的市場(chǎng)推廣價(jià)值,對(duì)保障礦井的生產(chǎn)安全性具有重要意義。
關(guān)鍵詞:煤礦;礦井;安全監(jiān)控系統(tǒng);設(shè)計(jì)
0引言
由于煤礦基本存儲(chǔ)在地下,礦井工作面在開采過(guò)程中會(huì)聚集大量的瓦斯氣體,若礦井的通風(fēng)性能不好,使礦井中的溫度增加,礦井的瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、溫度及通風(fēng)性能等均將對(duì)整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅2013年,全國(guó)發(fā)生了將近600起煤礦事故,造成了將近1000人死亡,主要原因則是井下的瓦斯?jié)舛容^高所導(dǎo)致,嚴(yán)重影響井下的煤礦開采量,給企業(yè)及家庭造成了重大損失。采用當(dāng)前更加成熟先進(jìn)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù),對(duì)礦井中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控,成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)礦井智能化升級(jí)改造、降低礦井瓦斯事故發(fā)生概率的重要途徑[2]。為此,從總體方案及關(guān)鍵分系統(tǒng)等方面設(shè)計(jì)了一套礦井安全監(jiān)控系統(tǒng),并將系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性及安全性。對(duì)有效監(jiān)控井下瓦斯?jié)舛?、提高礦井安全生產(chǎn)提高了重要保障作用。
1煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及問(wèn)題分析
隨著技術(shù)發(fā)展,當(dāng)前國(guó)內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域的智能化安全監(jiān)控技術(shù)已較為成熟,達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,在礦井中設(shè)計(jì)安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng),但整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中仍存在較多問(wèn)題,主要體現(xiàn)在以下方面。(1)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力較弱。當(dāng)前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)僅能對(duì)較少數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析及處理,隨著礦井智能化的不斷升級(jí),系統(tǒng)需對(duì)越來(lái)越多的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理,導(dǎo)致當(dāng)前的安全監(jiān)控系統(tǒng)整體的信號(hào)處理能力無(wú)法滿足需求現(xiàn)狀[3]。(2)部分安全監(jiān)控系統(tǒng)所采用的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌囟葌鞲衅?、氧氣傳感器等質(zhì)量較差,耐潮及防護(hù)等級(jí)等方面相對(duì)較差,在儀器使用一段時(shí)間后,則會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)精度不夠、數(shù)據(jù)傳輸不及時(shí)等問(wèn)題,整體使用壽命及可靠性有待提高。(3)井下各類傳感器的分布數(shù)量及位置不夠,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井中較大區(qū)域的全覆蓋監(jiān)控。(4)當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)所采用的通訊方式仍以傳統(tǒng)的鋪設(shè)電纜方式進(jìn)行通訊連接,在實(shí)際使用中極容易造成電纜的破壞、信號(hào)中斷等問(wèn)題,同時(shí)電纜的電磁屏蔽效果較差,所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存在信號(hào)質(zhì)量較差、不穩(wěn)定等問(wèn)題,極容易造成系統(tǒng)的判斷不準(zhǔn)或誤判斷等問(wèn)題[4]。為此,將先進(jìn)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用到礦井的安全監(jiān)控中,實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井生產(chǎn)過(guò)程的更加安全監(jiān)控,是解決目前問(wèn)題的關(guān)鍵有效措施。
2監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
基于礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的原基礎(chǔ),對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)包括了終端傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理中心、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)及上機(jī)位等部分,如圖1所示。其中,系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)則利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各數(shù)據(jù)之間的通訊,通訊接口則采用了RS485[5]。終端傳感器節(jié)點(diǎn)處則配備了瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、溫度傳感器、氧氣傳感器、濕度傳感器,并將其更加密集的分布在礦井中的相關(guān)區(qū)域,采用的傳感器具有一定的抗爆等級(jí)、防護(hù)等級(jí)達(dá)到了IP56,所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后,利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至CC2530主控芯片中進(jìn)行分析、邏輯判斷及處理。之后將分析數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的接收匯總后,傳輸至遠(yuǎn)端的上機(jī)位安全監(jiān)控中心,人員可通過(guò)系統(tǒng)的顯示界面對(duì)礦井中的各類狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)檢測(cè)到井下的各項(xiàng)參數(shù)超過(guò)相關(guān)安全值時(shí),顯示界面則會(huì)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示,并對(duì)具體的超標(biāo)參數(shù)值及異常區(qū)域位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,人員則可及時(shí)向礦井中發(fā)生預(yù)警提示。另外,該系統(tǒng)中的上機(jī)位配備了較大容量的存儲(chǔ)模塊,能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算存儲(chǔ)。整體系統(tǒng)有效解決了因現(xiàn)場(chǎng)布線所帶來(lái)的布線復(fù)雜、監(jiān)控范圍窄等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井中瓦斯?jié)舛取囟?、氧氣等參?shù)的遠(yuǎn)程化無(wú)線監(jiān)控,提高了整個(gè)礦井的智能化程度及生產(chǎn)安全性。圖1安全監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖
3關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1CC2530主控芯片設(shè)計(jì)
控制芯片是整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸及接收,選用了市場(chǎng)上較為成熟的CC2530主控芯片。該芯片是有TI公司研發(fā)的無(wú)線傳輸芯片,具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、抗干擾性能強(qiáng)、芯片體積小等特點(diǎn),輸出功能為4.5dBm,發(fā)射模式電流損耗為29mA,I/O引腳則包括了P0~P7等,其中,P1和P2則主要負(fù)責(zé)20mA電流的輸出;芯片的電源引腳則包括了AVDD1~AVDD6及DDV1等,可向外輸出2~6V的電信號(hào)和模擬信號(hào);RESET-N則是控制引腳[6]。整個(gè)芯片由于體積較小,整體性能較好,能較好的適用于井下的復(fù)雜地址條件,具有接收及發(fā)射功率高等特點(diǎn)。3.2瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路設(shè)計(jì)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電源是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路。因此,選用了具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)的MJC4/3.0L型瓦斯?jié)舛?a href="http://wda8f421.cn/lunwen/mkaqlw/181069.html" target="_blank">傳感器作為整個(gè)檢測(cè)電路的核心部件,其工作電流為110mA,濃度測(cè)量范圍為0~100%LEL,工作電壓為3V。在該傳感器中,D和C分表作為檢測(cè)及補(bǔ)償?shù)脑骷⑴c3V的電壓平臺(tái)進(jìn)行連接,當(dāng)檢測(cè)到外部的瓦斯?jié)舛仍黾訒r(shí),電橋則發(fā)生平衡失效輸出大于0的參數(shù)。同時(shí),為更好的保證輸出信號(hào)能更好的被MJC4/3.0L型瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測(cè)到,在信號(hào)輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓放大電路,再對(duì)其進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后與I/O接口進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)參數(shù)的無(wú)線傳輸。所改造后的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路如圖2所示。
3.3天線連接電路設(shè)計(jì)
由于此監(jiān)控系統(tǒng)采用了無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,故需選匹配合適的外接天線。由于礦井中各區(qū)域的信號(hào)及檢測(cè)信號(hào)略有不同。故在環(huán)境空間充足、信號(hào)可靠性要求較高的區(qū)域,采用了SMA型的外接天線,該天線的增益達(dá)到了5dbi;針對(duì)環(huán)境空間緊促,無(wú)法使用足夠空間進(jìn)行監(jiān)控區(qū)域,選用了9.5mm×2mm×1mm的陶瓷芯片天線,該天線的增益效果為4dbi,基本能滿足該區(qū)域空間的檢測(cè)要求。天線連接電路圖如圖3所示。
3.4軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分包括了軟件操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其中,軟件系統(tǒng)則主要基于Windows系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),包括、組態(tài)工具模塊程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理主程序、通訊管理模塊程序、顯示模塊等部分,其控制流程為:打開操作界面后,系統(tǒng)進(jìn)行自檢后完成系統(tǒng)的初始化設(shè)置,執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息,并自動(dòng)創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),之后將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RS485接口和以太網(wǎng)傳輸至通訊模塊中,實(shí)現(xiàn)整個(gè)井下安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在礦井中的實(shí)時(shí)傳輸通訊,該安全監(jiān)控系統(tǒng)的通訊管理模塊控制流程圖如圖4所示。
4監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果
為更好的驗(yàn)證該礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能,將其在礦井中進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試,分別對(duì)系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)性能、障礙傳輸性能、通訊距離及綜合性能進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)測(cè)試得出:整套系統(tǒng)運(yùn)行正常,能準(zhǔn)確的對(duì)井下的瓦斯?jié)舛取囟?、氧氣濃度等指?biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè),并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;各檢測(cè)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)也能通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)取方式進(jìn)行信息查看。同時(shí),測(cè)試了系統(tǒng)的有無(wú)障礙物傳輸距離,在無(wú)障礙條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)2km距離的數(shù)據(jù)接收,在有障礙物條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)1.5km距離的數(shù)據(jù)接收,接收距離相對(duì)較長(zhǎng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)超過(guò)相應(yīng)的安值時(shí),系統(tǒng)能發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示,人員可根據(jù)報(bào)警提示及時(shí)采取安全處理措施,以保證礦井的作業(yè)安全性。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果達(dá)到了預(yù)期效果。驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性及可行性。
5結(jié)語(yǔ)
不斷對(duì)當(dāng)前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn),將當(dāng)前更加先進(jìn)的PLC遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用到礦井的安全監(jiān)控中,實(shí)現(xiàn)礦井作業(yè)條件的安全全面監(jiān)控,已成為當(dāng)前企業(yè)重點(diǎn)考慮方向。為此,在分析當(dāng)前礦井監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,開展了監(jiān)控系統(tǒng)的總體及關(guān)鍵分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究,并將系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用分析,得出該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行良好,具有更好的監(jiān)控功能及穩(wěn)定性,能更好的礦井中瓦斯?jié)舛取囟鹊冗M(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控,信號(hào)傳輸距離明顯增長(zhǎng),整個(gè)應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期效果。所設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的推廣價(jià)值及意義。
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作者:韓葶 單位:山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司