煤礦機電安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案初探

崔淑波

【摘 要】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，給國冢、人民造成了重大損失。以下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，希望能對各礦的安全生產(chǎn)發(fā)揮作用。

【關(guān)鍵詞】煤礦機電；安全；監(jiān)查

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)舛瘸瑯藞缶?；井下風速采集記錄；負壓（壓力力）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。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。

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)舛取Ａ砍虨?-4%CH4，供電方式采取采集器統(tǒng)一直流l5V供電，保障其安全性。當井下瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r，采集終端發(fā)出報警，報警燈不停閃爍的同時又通過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，在報警同時打開風門及風機進行抽風，以降低瓦斯?jié)舛?。同樣，當井下一氧化碳濃度超標也會發(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，以保障測量的準確性。

巷道風量的測量采用礦用智能風量傳感器，期，其測量范圍為風速0.3-15m/s；坑道斷面積小于30m2；允許誤差小于+0.3m/s；重復性誤差讀數(shù)值+1%；輸出信號為200-1000Hz/5-15Hz或4-20mA/1-5mA；工作電壓為Dcl5v；工作電流小于60mA；換能器工作頻率為l40-150kHz。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換（或v/F轉(zhuǎn)換）后，可測得其通風量的大小，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。上述情況會導致井下人員的一氧化碳中毒，當遇到明火時還會產(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。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)備大多為防爆型沒備，因此價格較一般同類型非防爆設(shè)備高許多。當出現(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。當出現(xiàn)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沒備的安全。

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，因此對風機、水泵、絞車等重大沒備工作狀態(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門，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。

3.數(shù)據(jù)集中器設(shè)計

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（1-60mim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(xiàn)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(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)的沒置。根據(jù)提升有效罐次乘以標準罐煤重量計算出當前班次的產(chǎn)量，到換班時間沒備自動進行換班存儲，將當前班次產(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?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)，當井下瓦斯?jié)舛?、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(shè)備當前狀態(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)給預定義好的手機，或者通過GPRS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，數(shù)據(jù)集中器中的程序也采用C51語言編寫，PC機上的后臺監(jiān)控程序即圖形界面用戶應用程序，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 Server2000編寫。

5.結(jié)論

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。