煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)平衡分時上電控制技術(shù)的研究

【摘要】在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控需要的各種傳感器的電源都采用集中供電方式，在對其進行啟動時電流比正常運作狀態(tài)較大，在一定程度上限制了監(jiān)控系統(tǒng)所設(shè)置傳感器的數(shù)量，對監(jiān)控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性造成了一定影響。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及提高電源負(fù)載能力，本文對安全監(jiān)控系統(tǒng)平衡分時上電控制技術(shù)進行了研究。

【關(guān)鍵詞】煤礦；安全監(jiān)控系統(tǒng)；平衡分時上電；控制技術(shù)

一、引言

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要手段。井下監(jiān)控分站和傳感器的本安電源出現(xiàn)斷線或者短路等故障時，監(jiān)控分站和傳感器都會重新上電復(fù)位重啟，對監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行帶來了一定的影響。目前我國也研發(fā)了某些技術(shù)，提高本安電源負(fù)載能力，但是效果始終不明顯。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種平衡上電控制技術(shù)，可最大程度降低啟動峰值電流，提高本安電源的負(fù)載能力，保證安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

二、煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的概述

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)作為我國強制要求安裝的“六大系統(tǒng)”之一，主要是用來監(jiān)測煤礦井下甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣等濃度，以及風(fēng)速、風(fēng)壓、濕度和溫度等情況，對煤礦安全生產(chǎn)有著重要的意義。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)分地面和井下兩部分。地面主要功能是信息處理中心，由傳輸軟件、打印機、監(jiān)視器等設(shè)備組成，能對井下環(huán)境進行綜合分析判斷，確保煤礦生產(chǎn)的安全。井下重要設(shè)備由礦用分站和各部分傳感器組成，能及時的反饋傳感器采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)的安全監(jiān)控。井下監(jiān)控分站和傳感器都采用集中本安電源供電方式，一路電源上設(shè)置了較多的傳感器，在對其上電時容易出現(xiàn)短路或者斷線的現(xiàn)象，使得分站和傳感器需要重新上電復(fù)位重啟，這就對井下監(jiān)控和地面監(jiān)控系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響。目前現(xiàn)有的技術(shù)無法真正實現(xiàn)電流的零沖擊，通常設(shè)置限流值較大，傳感器啟動峰值電流高于正常工作狀態(tài)電流，使得本安電源上設(shè)置的傳感器數(shù)量受限，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，而且還無法延長傳感器的傳輸距離。目前我國煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)還存在較多的問題，急切需要我們探尋新的技術(shù)，以提高安全監(jiān)控系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，確保煤礦生產(chǎn)安全。

三、平衡分時上電控制技術(shù)

為降低傳感器啟動峰值電流，目前我國廠家采用了軟啟動和低功耗芯片對傳感器進行了新型設(shè)計，使得傳感器啟動電流比傳統(tǒng)方式上電沖擊電流小得多。通常情況下，為了滿足了電壓要求范圍寬，以及滿足了低端啟動的限制，傳感器輸入電源的工作電壓為DC（9—24）V，這樣的軟啟動設(shè)計的電流比正常工作時候電流大，很大程度上限制了傳感器了數(shù)量。同時設(shè)計啟動電流限制過小，會使得負(fù)載內(nèi)部電容無法及時充滿電，電源提供的功率趕不上消耗的功率，使得啟動失敗。

平衡分時上電控制技術(shù)是啟動電流的值域過渡到時域，按照實際設(shè)計時各電路功能模塊的負(fù)載曲線，進行系統(tǒng)累積電流值的平衡處理。分時上電技術(shù)開始在我國各個行業(yè)中應(yīng)用，如華為、曙光集群服務(wù)器集中供電就采用了分時上電技術(shù)。對于保障煤礦生產(chǎn)安全的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)然也少不了這項新型技術(shù)，如煤礦礦井風(fēng)壓自動監(jiān)控報警系統(tǒng)。此技術(shù)在一定程度上降低了累積沖擊電流，從而提高了系統(tǒng)實際負(fù)載能力，保證了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)平衡分時上電控制技術(shù)包括設(shè)備內(nèi)部的平衡分時上電控制和設(shè)備之間的平衡分時上電控制。其原理圖如圖2所示。

三、平衡分時上電設(shè)計方法

（一）監(jiān)控系統(tǒng)中礦用傳感器分時上電設(shè)計

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)一般采用模擬量或者數(shù)字量傳輸，利用RS485智能傳感器具有通訊識別總線上唯一地址的優(yōu)勢，在傳感器上設(shè)計一塊超低功耗分時上電管理模塊，內(nèi)部可選用AVR、MSP430系列的單片機作為低功耗的微處理器，一般功耗在μA級。把傳感器上電后低功耗單片機存儲的唯一地址作為分時時間計算因子，并計算出偏移時間。然后根本計算所得的偏移時間獨立分時啟動自身電路模塊，使傳感器達到正常運行的狀態(tài)。經(jīng)過對上述設(shè)計方案的分析可知，采用分時上電控制傳感器上電流沖擊較小，但是傳感器上電到恢復(fù)到正常穩(wěn)態(tài)的時間相對較長。

（二）傳感器內(nèi)部平衡分時上電設(shè)計

礦用傳感器一般由傳感檢測模塊、顯示電路模塊、信號傳輸模塊、報警電路模塊、電源模塊以及外圍電路模塊等。如顯示電路模塊部分功率為0.15W、單片機模塊約0.06W，瓦斯傳感器探頭功能穩(wěn)態(tài)時功率為（3Vх120mA），上電時功率約為0.9W，隨著溫度升高電路逐漸下降到120mA。按照平衡分時上電設(shè)計原則，分時上電模塊按順序啟動單片機或者外圍電路，降低相應(yīng)模塊之間工作電流累計的最大值。在煤礦安全檢測系統(tǒng)中應(yīng)用分時上電控制技術(shù)，能最大程度降低最大工作電流，使得正常工作時電流和原傳感器電流相等，減少傳感器在實際工作過程中遠(yuǎn)端的工作電壓，從而降低了傳感器和分站啟動環(huán)節(jié)的線路消耗，同時還實現(xiàn)了傳感器傳輸距離和供電距離的延長。

四、平衡分時上電控制技術(shù)對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用

（一）提高本安電源實際負(fù)載能力

平衡分時上電控制技術(shù)可以減少傳感器的啟動電流，減輕了本安電源的負(fù)載。從而在實際使用過程中，增加了本安電源上設(shè)置礦用傳感器的數(shù)量，上提高了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中本安電源實際負(fù)載能力，進一步保證了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（二）減少了傳感器之間的干擾

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器在相同負(fù)載下，系統(tǒng)啟動和正常工作時的累加電流減小，和本安保護電流余值相比較小，很大程度上提高了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，減少了各部分傳感器之間的干擾。

（三）延長了傳感器的傳輸距離

平衡分時上電控制技術(shù)能有效的降低傳感器啟動電流，減少傳感器傳輸時實際的工作電壓，實現(xiàn)啟動電壓由原本的DC（11～12）V降低到了DC（8～9）V，從而增加了監(jiān)控系統(tǒng)傳感器的傳輸距離，進一步保證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

五、總結(jié)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對煤礦資源的需求越來越大，煤礦開采規(guī)模也逐漸擴大，那么對煤礦生產(chǎn)安全的要求更為嚴(yán)格。在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，采用平衡分時上電控制技術(shù)，一定程度上減少了傳感器和分站啟動電流，提高了本安電源的負(fù)載能力，延長了傳感器傳輸距離，從而提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，保證了煤礦生產(chǎn)的安全。