多层次总线下的煤矿安检设备系统设计

1、    多层次总线下的煤矿安检设备系统设计            作者：未知时间：2007-11-24 13:19:00                     摘要：主要介绍一种适用于中小型煤矿安全生产与监测设备的设计方案。该设备能够实时

2、采集、监测井下工作面的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、压力、温度等重要数据和风机、水泵、绞车和电机的开停状态，具有对交流电源的过压、失流、缺相及各种异常、危险情况的报警功能；另外还具有对班次产量的统计和数据存储功能。系统采用低压电力线载波通信及GSM/GPRS无线通信技术进行数据的传输。 关键词：低压电力线栽波通信 PL3105C DPSK调制/解调 DSl8820 GSM/GPRS 引 言 近年来，国内煤矿重大安全事故不断发生，尤其是中小煤矿情况更为突出，给国家、人民造成了重大损失。为此，国务院十分重视煤矿安全生产问题，不断加大行业管理力度，逐步形成量化监督管理模式，并相继成立“安全评价”部门

3、机构实现常年有序、真实有效及信息网络化管理针对日前行业的发展需要，本方案为中小煤矿实现实时安全监管目标提供了必须的条件与手段。为减少布线的麻烦和投资，本方案中下行通道采用了先进的低压电力线扩频载波通信方式，以井下已布好的电缆作为通信介质进行数据传输。上行通道采用无线网路通信方式，报警记录通过GSM网以短消息形式传到预定手机，或通过GPRS传到上级主管部门计算机以便对事故作出及时处理。 1 硬件结构设计 该煤矿安检设备的基本功能有：煤矿各工作面瓦斯浓度的实时采集记录并显示；瓦斯浓度超标报警；井下风速采集记录；负压(压力)记录；一氧化碳浓度采集记录；温度采集记录；水泵电机工作状态；风机工作状态；绞

4、车工作状态；电源过压报警；失流报警；缺相报警；班次产量记录；开关量采集及设备控制；载波数据传输；GSM/GPRS无线通信；参数设置；数据存储；电源自动切换管理以及系统自检等功能。该系统结构如图1所示。设备分为井下数据采集终端和地面数据集中器两部分。 2 采集终端设计 数据采集终端是用来采集、监测、控制井下设备状态并将数据记录上传给集中器的装置，可同时采集16路的开关量和16路模拟量，并经A/D转换形成数字量，安装在井下防爆箱内。它为各类传感器提供工作电源，并以RS485总线方式通信；与集中器间以载波通信方式进行数据交换。集中器间采用载波通信方式，集中器可定时或随时召唤井下各设备参数并存储。 井

5、下数据采集终端总体功能结构如图2所示。 瓦斯传感器安装在井下各采煤工作面及巷道上，以采集不同点的瓦斯浓度。量程为O4CH4，供电方式采取采集器统一直流15 V供电，保障其安全性。当井下瓦斯浓度超标时，采集终端发出报警，报警灯不停闪烁的同时又诵讨语音报警以提示人员进行紧急撤离。同时监控室里的集中器也发出报警，提醒地勤人员采取紧急措施。另外，在报警同时打开风门及风机进行抽风，以降低瓦斯浓度。同样，当井下一氧化碳浓度超标也会发出报警。需注意的是，由于气敏传感器都有一定的使用寿命，因此最好一年更换一次传感器，以保障测量的准确性。 巷道风量的测量采用矿用智能风量传感器，其测量范围为风速0.315 m/s

6、；坑道断面积小于30 m2；允许误差小于+0.3 m/s；重复性误差读数值+1；输出信号为2001000 Hz/515 Hz或420 mA/15 mA；工作电压为Dc 15 v；工作电流小于60 mA；换能器工作频率为140150 kHz。经A/D转换(或v/F转换)后，可测得其通风量的大小，以了解井下空气质量等。 由于井下到处都是易燃的煤，因此，当温度过高时极易发生自燃的情况；由于井下燃烧为不完全燃烧，因此会产生大量的一氧化碳。上述情况会导致井下人员的一氧化碳中毒，当遇到明火时还会产生爆炸。因此井下温度的测量很重要，尤其对于那些井下较干燥的矿井显得更加必要。本方案中采用美国DalIas公司的

7、增强型单总线数字温度传感器DSl8B20，它仅需一根口线与单片机连接，其测温范围为一55+125，精度高，可编程分辨率为912位，对应温度分辨率为O.5O.0625。该传感器还具有用户可编程温度报警设置，在12位分辨率时最多在750 ms内可将温度值转换为数字量。根据现场情况可安装多个温度测量点以监控井下温度的变化。 井下巷道均由钢架或木架支撑，为防止冒顶、坍塌等危险情况造成人员重大伤亡和财产损失，井下需要实时巡检巷道压力情况，并及时整修。因此，在承重架下安装压力传感器实现压力应变的实时监测，可及时检测到出现的险情，从而能够避免重大事故的发生。 井下设备大多为防爆型设备，因此价格较一般同类型非

8、防爆设备高许多。当出现过压、失流、缺相或三相不平衡等情况时，常会烧坏电机造成停产，从而造成重大的损失。为尽量杜绝或减少出现此类状况后造成损失，在电机进线上安装精密的电压、电流互感器，实时监测电压电流的变化。当出现非正常变化时及时报警，超出预定值时自动断开电源以保障设备的安全。 井下设备的工作状态是否正常对安全生产非常重要，因此对风机、水泵、绞车等重大设备工作状态的监测是采集终端的另一重要功能。实时监测这些设备的二次触点等开关量，然后经光电隔离、整形、限流电路接到单片机端口，单片机可根据这些开关状态来判定设备的工作状态。另外，主控室还可通过集中器向采集终端下发某设备工作状态命令。 采集终端具有报

9、警功能，当某一设备出现异常时，其对应LED即出现闪烁状态，同时伴有语音报警。大多数同类设备与地面设备间的通信采用专线形式，其主要弊端是安装不方便且安全性不高，尤其对于井下分支较多的情况会更加麻烦。对于竖井，电缆常会因为罐笼撞帮而被挂断，出现维护困难的情况。本方案采用先进的低压电力线载波通信技术，由于电力电缆在矿井建成的同时就完成了布线，且防护做的很好，从而避免了线路维护的麻烦。另外，随井下掘进面向不同方向的扩展，电力电缆也会随着铺设好，因此不需要另外再铺设专线，只需将具有载波通信功能的传感器安装设置好即可。由于井下交流电源多为127V和220 V，因此在将载波信号耦合到高压电路上时必须做好隔离

10、和防爆。本方案采用耐压680 V的聚多元脂电容器作为隔离器件。微处理器PL3105为51兼容，具有8/16位ALU、2×16位ADC，内部集成了电力载波通信模块，该模块是专为电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器，载波通信的抗干扰能力很强。 3 数据集中器设计 数据集中器功能结构如图3所示。 数据集中器是放置在主控室用来汇集、监测井下设备运行状况、对异常情况进行报警及显示，并能上传的设备。同时，它还具有对地面绞车运行状况实时监控、计量提升煤罐次数并计算生产量的功能。数据集中器可同时管理多个井矿下的采集终端设备，采用大容量掉电非遗失数据存储器NVRAM，对井下各测量点数据可进行定间隔

11、(160 mim可设)存储一个月的数据；可根据矿上生产情况设定班次及上下班交接时间，同时采集、计算并保存当前班、上一班、上上一班的生产量作为工人工作量核算的依据。采集方法是：在罐笼提升绞车电机进线上安装电压、电流互感器，利用绞车档位控制开关的空触点进行上下、档位的辨别，根据罐笼提升重量的变化导致电机输出功率的变化来判别出是空罐、上下人员还是煤罐。需注意的一点是：由于厂矿电压昼夜变化都较大，因此根据公式P=U×I可看出当电压变化时电流也随着变化，电流互感器感应电流也会随着变化，另外还会出现提升过程中罐笼撞绑导致感应电流瞬时过大的情况，也会有为防止罐笼过度摇摆出现危险而在提升过程中暂停(

12、也叫稳绳)的情况。所以，在实际应用中对提升过程采集的信号经A/D转换后，还需要进行求平均值以及设置稳绳时间、空罐重量参数、正常罐重参数、超重报警参数等参数的设置。根据提升有效罐次乘以标准罐煤重量计算出当前班次的产量，到换班时间设备自动进行换班存储，将当前班次产量转存为上一班次，上一班次转存为上上班次，依次循环。对于小型煤矿，这样的产量统计方式可以避免因错计、漏计、少计的人为因素而导致矛盾的发生。 为便于进行参数的设置，集中器还具有人机接口。液晶显示采用清华蓬远公司内藏T6963C控制器的液晶模块，分辨率为128×64点阵，能显示汉字和图形，可当地通过键盘进行参数设置、远动控制操作等。

13、实时刷新显示井下各采样点的数据及各设备开关状态，当井下瓦斯浓度、温度、负压、一氧化碳浓度等超标时，集中器面板上各对应报警LED进行闪烁报警、并显示出报警点所在位置，同时伴有语音报警。 集中器与采集终端之间通过低压电力线进行载波通信，可实时召唤、存储各采集终端下属设备当前状态字及数据并讲行显示。用户可通过RS232串口、红外或RS485接口实现本地计算机与集中器的数据交换，也可通过计算机经集中器对各设备进行开、停控制。本方案中还增加了GSM/GPRS通信方式，当设备出现重大报警时，集中器自动将报警内容通过短消息的形式发给预定义好的手机，或者通过GPRS方式将各数据记录及报警记录上传到主管部门的计

14、算机。这样做可以实现无人值守的要求。 4 软件设计 本方案所涉及到的软件设计包括三部分：运行于数据采集终端中的数据采集、报警、控制及通信程序；运行于数据集中器中的数据采集、通信、报警及人机接口程序；运行于PC机上的后台监控、数据库等程序。 数据采集终端中的程序采用C51语言编写，主要完成以下几个功能：瓦斯、风速、一氧化碳及压力等各类传感器模拟量的采集及A/D转换，数据读取；采用分址编码方式对单总线数字式温度传感器DSl8820的温度值读取；设备的开停、风门、馈电等开关量的采集及对风、电、瓦斯等设备的闭锁控制；数据计算及存储、报警判断、电源管理及系统自检；与集中器间以电力线为介质通过载波通信进行

15、数据交换；通过本地串口可进行本地数据抄读及参数设置。 程序流程图见图4。 数据集中器中的程序也采用C5l语言编写，主要完成以下几个功能：对每个班次的生产量进行计数、存储以及绞车运行状况的实时监测；载波通信程序设计，设置定时中断，定时抄读所有终端所属设备的运行数据并存储，数据类型包括当前实时数据记录、日数据记录、月数据记录、报警记录及时间标识等，另外还具有设备参数设置程序等；报警判断程序的设计；键盘及液晶显示程序的设计，通过键盘可设置下属终端设备参数，包括瓦斯报警浓度、温度报警值、压力报警值、数据存储周期、班次交接时间等参数；与计算机经本地串口进行串行通信。 程序流程图如图5所示。 PC机上的后台监控程序即图形界面用户应用程序，是通过Vistlal C+开发环境编写的，采用串行口中断的异步通信方式实现与无线MODEM通信；后