煤礦智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究

【摘要】為了解決目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的異地斷電時間長、數(shù)據(jù)利用率低、數(shù)據(jù)傳輸效率低等問題，文章提出了煤礦智能安全監(jiān)控系統(tǒng)研究的新思路，實現(xiàn)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器、分站的自識別、即插即用，解決了目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的上述問題，提高了傳輸效率，提高了數(shù)據(jù)利用率。

【關(guān)鍵詞】監(jiān)控系統(tǒng)；傳感器；分站；自動識別

1.引言

隨著數(shù)字化礦山的建設(shè)，煤炭生產(chǎn)企業(yè)對安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高，同時目前礦用監(jiān)控系統(tǒng)存在著諸多問題[1]，主要有：

（1）異地斷電時間長

安全監(jiān)控系統(tǒng)最基本的也是最重要的兩個功能就是監(jiān)測與控制。目前，國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的主要廠家的系統(tǒng)架構(gòu)大都采用主從式結(jié)構(gòu)，地面計算機作為主控機，通過傳輸接口設(shè)備依次向井下的監(jiān)控分站發(fā)送巡檢命令，井下監(jiān)控分站收到地面主機巡檢命令后，將分站所采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)備傳給地面主控機，從而實現(xiàn)了井下環(huán)境的監(jiān)測。對井下設(shè)備異地斷電控制經(jīng)歷的環(huán)節(jié)較繁瑣，具體過程為，井下監(jiān)控分站采集到某傳感器數(shù)據(jù)超限后，在地面主機巡檢該分站時，將傳感器的超限數(shù)據(jù)上傳到地面主機，地面主機再將傳感器的超限斷電信息發(fā)給另外目的分站，另外目的分站收到斷電信息后實施斷電。

由于采用主從結(jié)構(gòu)、井下分站級設(shè)備與地面主機通訊采用的是低速串行接口，采用上述的方式實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測以及斷電控制，系統(tǒng)不可回避的一個指標就是巡檢周期，因為巡檢周期的長短決定著環(huán)境數(shù)據(jù)采集實時性的好壞，同時也決定著系統(tǒng)異地斷電控制時間的長短。

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率低

為了能夠更好的監(jiān)測煤礦井下現(xiàn)場的環(huán)境，監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器會對井下的環(huán)境參數(shù)進行實時采集，分站將傳感器的所有實時數(shù)據(jù)，傳送至地面主機。在一臺分站上掛接的傳感器較多時，所有傳感器的實時數(shù)據(jù)在未做相關(guān)的處理，原封不動的上傳實時數(shù)據(jù)量相對較大。但是通過分析某一段時間內(nèi)所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)表達的井下環(huán)境為：某一地點瓦斯3個小時內(nèi)的濃度均為0%CH4、某一地點一氧化碳24小時內(nèi)的濃度均為0ppm、某一地點30天以來氧氣濃度均為19.7%。分站上傳到地面的數(shù)據(jù)中幾乎大于80%的數(shù)據(jù)都是這種重復的無效數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)中只有20%的有效內(nèi)容，過多的無效數(shù)據(jù)使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕵O低、系統(tǒng)的實時性受到影響。

（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率低

目前多數(shù)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[2]的軟件，功能大都停留在對被監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的實時采集、存儲、超限報警及斷電、圖形和報表形式輸出的水平，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的最基本處理，沒有對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的充分利用，沒有開發(fā)專家診斷、專家決策系統(tǒng)軟件。在事故情況下，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能指示出最佳救災(zāi)和避災(zāi)路線，不能為為搶救和疏散人員、設(shè)備提供決策。

為了解決監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，更好的提高監(jiān)控系統(tǒng)的運行效率，促進煤礦系統(tǒng)智能礦山和數(shù)字化礦山[3]的建設(shè)，我們研究新的智能監(jiān)控系統(tǒng)，新監(jiān)控系統(tǒng)提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的利用率、提高了傳輸效率，更具備自識別功能，使監(jiān)控系統(tǒng)更具有自動化和智能化。

2.智能監(jiān)控系統(tǒng)主要功能特點

（1）高效的實時上傳功能

分站對所接測點的傳感器實時采集，為了提高傳輸效率[4]，新監(jiān)控系統(tǒng)采用事件方式上傳，對所上傳事件進行閾值設(shè)定，當超過閾值范圍定義為事件發(fā)生。當事件發(fā)生時，數(shù)據(jù)方能上傳。例如：設(shè)定某一地點瓦斯?jié)舛茸兓^0.02%、超過報警點、超過斷電點為事件閾值，當事件發(fā)生時，數(shù)據(jù)上傳，當事件不發(fā)生時，數(shù)據(jù)不上傳。由經(jīng)驗數(shù)據(jù)可得，分站采集的數(shù)據(jù)中幾乎大于80%的數(shù)據(jù)都是重復的達不到閾值的數(shù)據(jù)，真正有變化超過閾值的數(shù)據(jù)僅占20%，過多的無效數(shù)據(jù)使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕵O低、系統(tǒng)的實時性受到影響，采用事件上傳方式，提高了數(shù)據(jù)上傳效率，縮短了系統(tǒng)的巡檢周期。

（2）故障診斷功能

新監(jiān)控系統(tǒng)增加了故障自診斷功能。分站具備故障存儲功能，分站的工作狀態(tài)、復位狀態(tài)、端口狀態(tài)等能夠表示出分站故障的信息都存儲到寄存器中，如分站發(fā)生故障，上位機可通過讀分站寄存器來讀取分站的故障信息。

分站所接測點傳感器也具備故障信息存儲功能。上位機通過讀子設(shè)備寄存器命令，讀取子設(shè)備的故障信息。如：瓦斯傳感器在發(fā)生催化元件脫落、撞擊、進水等故障的時候，其表現(xiàn)在探頭短路、斷路，內(nèi)部比例系數(shù)不正常，采集數(shù)字量超出正常范圍水平等，出現(xiàn)這種情況，傳感器會將故障信息存入到傳感器的寄存器中，上位機可通過讀子設(shè)備寄存器，讀取子設(shè)備的故障信息。

（3）異地控制功能

新監(jiān)控系統(tǒng)的異地斷電控制不再單單依靠上位機和巡檢周期，當異地斷電事件發(fā)生時，分站即可將該事件通過特殊命令幀轉(zhuǎn)發(fā)到總線上，異地斷電的受控分站接收到該特殊命令幀，即可執(zhí)行異地斷電命令。新監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)異地斷電能夠即時完成，優(yōu)于目前市場上監(jiān)控系統(tǒng)的異地斷電時間要求不大于兩個巡檢周期。

（4）即插即用功能

1）傳感器的即插即用

上位機無需對頻率型傳感器和總線型傳感器設(shè)置測點類型，可根據(jù)接入的傳感器自動判斷識別傳感器的類型。井下安裝人員將傳感器接入到分站的端口上，分站根據(jù)傳感器發(fā)來的信息自動識別傳感器的類型，并根據(jù)類型自動生成其量程范圍、頻率范圍、報警點、斷電點等配置信息，分站將識別的類型信息通過總線的形式發(fā)送給上位機，上位機接收到信息后，會在監(jiān)控軟件界面上彈出新傳感器接入的對話框，對話框的內(nèi)容包括測點的類型信息、接入到分站的信息。監(jiān)控人員確認接入后，上位機會根據(jù)接入傳感器的類型，自動將傳感器分配到該分站的該端口下。

2）分站的即插即用

分站接入監(jiān)控系統(tǒng)后，上位機會彈出新分站接入的對話框，對話框的內(nèi)容包括分站類別信息、地址信息。監(jiān)控人員確認接入后，上位機會顯示分站及分站所帶測點的信息。

3.系能監(jiān)控系統(tǒng)各部分功能模塊詳細設(shè)計

（1）礦用傳感器的設(shè)計

智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器具備即插即用和自識別功能。頻率型傳感器或總線式傳感器接入分站或上位機系統(tǒng)，傳感器即發(fā)送自己的特征ID信號，分站或上位機接收到特征ID信號，即可識別出接入的傳感器類型，從而讀取傳感器的屬性、參數(shù)，不需人為參與即可實現(xiàn)傳感器的自動識別和自動配置功能。傳感器軟件設(shè)計流程如圖1所示。

（2）礦用分站的設(shè)計

智能安全監(jiān)控系統(tǒng)分站[5][6]可對接入的數(shù)字型傳感器和總線型傳感器進行自動識別，既可接收上位機對分站及測點的配置信息，也可自己實現(xiàn)測點信息的識別和配置。分站接收傳感器的信息，按照傳感器的固有配置，根據(jù)其設(shè)定的閾值，按照事件發(fā)生的方式將信息上傳至上位機系統(tǒng)。

分站即可作為從機接收上位機的巡檢令，也可作為主機，當事件發(fā)生時，搶占總線將數(shù)據(jù)通過事件發(fā)生的方式上傳給上位機。分站遵循“不變不傳”的原則，當分站或分站所接子設(shè)備沒有事件發(fā)生時，分站接收上位機的巡檢令，只回送“心跳”命令，同時也不會主動上傳數(shù)據(jù)給上位機系統(tǒng)。智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控分站軟件設(shè)計流程如圖2所示。

（3）礦用電源設(shè)計

智能監(jiān)控系統(tǒng)的礦用電源具備多路電源輸出，按照現(xiàn)場設(shè)備的用電要求，設(shè)計電源不同等級的電壓輸出，優(yōu)化電源的利用效率。本安輸出的接口方式靈活，可使用多芯航空插頭與分站或其他用電設(shè)備連接，也可以選擇通用型插頭，方便與各廠家本安設(shè)備的連接；電源具備繼電器輸出，實現(xiàn)饋電開關(guān)的斷電控制，同時具有饋電狀態(tài)檢測功能。電源具備UART總線通訊接口，按照事件閾值發(fā)生的方式，支持信息的總線上傳，方便遠程監(jiān)測及控制。圖3所示為智能監(jiān)控系統(tǒng)電源設(shè)計框圖。

（4）上位機軟件的設(shè)計

上位機軟件通過巡檢令巡檢系統(tǒng)中的總線型子設(shè)備，當子設(shè)備有事件發(fā)生，例如：新接入子設(shè)備或子設(shè)備采集的數(shù)值大于定義的閾值，檢測監(jiān)控系統(tǒng)會接收到子設(shè)備的信息，并自動配置子設(shè)備的固有屬性。圖4所示為智能監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計流程。

4.總結(jié)與展望

對目前國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與問題，本文提出了一種智能監(jiān)控系統(tǒng)研究的新思路，并設(shè)計研究出一套智能煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)和配套分站、傳感器、電源，該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠改善目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的諸多問題，極大的提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，為數(shù)字化礦山和智能化礦山的建設(shè)起到積極的促進作用。

參考文獻

[1]胡繼紅.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題與發(fā)展方向[J].中國煤炭，2010（12）：65-67.

[2]魯遠祥，樊榮.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)技術(shù)的發(fā)展[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009（S1）：187-189

[3]孫繼平.煤礦自動化與信息化技術(shù)回顧與展望[J].工礦自動化，2010（06）：30-34.

[4]鄒哲強.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性指標的測定方法[J].工礦自動化，2010（04）：5-8.

[5]王啟峰，祝國源，孫小進.基于FPGA的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控分站的設(shè)計[J].工礦自動化，2010（10）：33-35

[6]王紅堯，華鋼，張瀚超.煤礦安全監(jiān)控分站的研究[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2005（12）：93-95.

項目來源：天地（常州）自動化股份有限公司科研基金項目（項目編號：13SY012-02）。

作者簡介：徐士敏（1984—），男，山東濰坊人，2009年畢業(yè)于山東科技大學檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，碩士，工程師，主要從事煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究。