礦井智能抗災(zāi)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

程曉波

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036700）

1 問題的提出

當(dāng)前我國所有煤礦都要求安裝煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，保障煤礦安全生產(chǎn)，但各煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能各不相同?？傮w來講，監(jiān)控系統(tǒng)的核心在于對井下各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測，還無法達(dá)到完全控制的地步，因此安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的功能無法全部實(shí)現(xiàn)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)沒有將火災(zāi)參數(shù)監(jiān)測、風(fēng)流控制和抗災(zāi)救災(zāi)決策進(jìn)行結(jié)合的功能，無法實(shí)現(xiàn)抗災(zāi)救災(zāi)的智能化?；诎踩O(jiān)控系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，潞寧煤礦和中煤科工重慶設(shè)計院聯(lián)合開發(fā)了礦井智能抗災(zāi)救災(zāi)系統(tǒng)。

2 礦井智能抗災(zāi)系統(tǒng)

礦井智能抗災(zāi)系統(tǒng)的核心主要是實(shí)現(xiàn)抗災(zāi)救災(zāi)的信息化和自動化控制，通過實(shí)時連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)檢測，來掌握井下的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)井下發(fā)生火災(zāi)安全事故，系統(tǒng)會立即啟動可視化仿真救災(zāi)決策支持系統(tǒng)，安排預(yù)警通知和指導(dǎo)井下受災(zāi)人員的逃生。同時會指導(dǎo)地面調(diào)度中心對井下的通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行管控，控制災(zāi)變煙流的擴(kuò)散，降低災(zāi)變區(qū)域。救災(zāi)風(fēng)門發(fā)生動作，水電聯(lián)動執(zhí)行單元動作，采用多種救災(zāi)技術(shù)措施。

在硬件網(wǎng)絡(luò)方面，本系統(tǒng)平臺軟硬件主體架構(gòu)基于Intemet互聯(lián)網(wǎng)，軟件系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)開發(fā)，便于以后用戶使用、靈活加載、系統(tǒng)升級和系統(tǒng)維護(hù)。服務(wù)器端軟件采用Microsoft VisualStudio編制設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)客戶端采用VC++6.0、JavaScript編制設(shè)計，數(shù)據(jù)存儲采用Microsoft SQL Server2000編制設(shè)計。

潞寧煤礦智能抗災(zāi)的亮點(diǎn)是：對抗災(zāi)風(fēng)門采用24h連續(xù)不間斷高清圖像監(jiān)視；實(shí)時監(jiān)測關(guān)鍵點(diǎn)瓦斯?jié)舛?、CO濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煙霧、頂板離層、巷道變形、頂板壓力、水位、涌水量等參數(shù)；采用語音播報來對井下受災(zāi)人員進(jìn)行指引并避災(zāi)。

3 智能抗災(zāi)系統(tǒng)核心模塊（抗災(zāi)風(fēng)門）的設(shè)計

抗災(zāi)風(fēng)門的設(shè)計思想：當(dāng)煤礦井下發(fā)生災(zāi)情后，必須立即進(jìn)行響應(yīng)，采取抗災(zāi)救災(zāi)技術(shù)措施，降低損失。系統(tǒng)設(shè)計基于先進(jìn)性、前瞻性原則，采用分步實(shí)施的辦法來實(shí)現(xiàn)。第一，確定系統(tǒng)的基本組織結(jié)構(gòu)和開放式架構(gòu)；第二，根據(jù)各方面的功能需求確定各子系統(tǒng)；第三，根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)來確定子系統(tǒng)；第四，完成整體的設(shè)計。

選擇先進(jìn)的礦井通風(fēng)可視化仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三部分組成：礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算和火災(zāi)運(yùn)動模擬系統(tǒng)、礦井監(jiān)測和實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)、三維圖形計算機(jī)仿真和通風(fēng)數(shù)據(jù)動畫顯示系統(tǒng)。三者緊密結(jié)合，構(gòu)成了一個完整的大系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對救災(zāi)效果的模擬仿真。該技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)流流動及參數(shù)的實(shí)時仿真模擬；災(zāi)變時期，可預(yù)先仿真模擬防火救災(zāi)風(fēng)門對風(fēng)流調(diào)控的實(shí)際效果；可實(shí)現(xiàn)實(shí)時、高效風(fēng)網(wǎng)解算，為救災(zāi)提供最優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)智能救災(zāi)過程。

4 核心模塊的控制軟件開發(fā)

風(fēng)門控制裝置：華邦W77E58芯片（速度快、高性能、大容量、穩(wěn)定可靠）、GL-6001F模塊、ZTKB-Ex01高清防爆攝像頭、煤礦LCD液晶拼接大屏幕、以太網(wǎng)卡（RJ45）。

風(fēng)門控制裝置軟件的處置流程如圖1所示：對數(shù)據(jù)和信號是周期性采集并主動上傳的模式，按約定的通信協(xié)議主動發(fā)送，迅速響應(yīng)計算機(jī)端的采集控制命令幀。定時器0中斷定義為最高優(yōu)先級中斷，且中斷常開，初始化后不屏蔽。

5 抗災(zāi)風(fēng)門的控制硬件研制

根據(jù)抗災(zāi)風(fēng)門的功能設(shè)計，可以將其分為液晶顯示、控制執(zhí)行、音/視頻信號采集、環(huán)境傳感器信號采集、水電聯(lián)動執(zhí)行和數(shù)據(jù)通信六大功能單元，如圖2所示。

圖2 抗災(zāi)風(fēng)門功能單元框圖

5.1 液晶顯示單元

液晶顯示單元獨(dú)立設(shè)計，通過RS485通信接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，同時提供人機(jī)對話界面。

5.2 控制執(zhí)行單元

控制執(zhí)行單元由鍵盤控制箱、無線遙控器、氣閥控制箱及氣缸等組成，通過RJ45網(wǎng)絡(luò)通信接口，執(zhí)行抗災(zāi)風(fēng)門的開關(guān)。每套風(fēng)門設(shè)計有無線數(shù)據(jù)控制箱，用于配套接收無線遙控器遙控開、關(guān)門命令，通過無線遙控器實(shí)現(xiàn)抗災(zāi)風(fēng)門的救災(zāi)動作，確?？篂?zāi)風(fēng)門救災(zāi)動作的準(zhǔn)確性。

5.3 音/視頻信號采集單元

該單元可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)門的實(shí)時連續(xù)通行情況的視頻拍攝。采用礦用阻燃光纜接入井下光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，能實(shí)現(xiàn)信號的高質(zhì)量傳輸。在地面調(diào)度中心的電腦中，通過該智能抗災(zāi)系統(tǒng)軟件就可以給井下各救災(zāi)風(fēng)門進(jìn)行語音信息的播報。

5.4 環(huán)境傳感器信號采集單元

環(huán)境傳感器主要是監(jiān)測采掘工作面、機(jī)電硐室及采區(qū)主要進(jìn)（回）風(fēng)巷道的自然環(huán)境參數(shù)。環(huán)境傳感器信號采集單元主要是定期檢測礦井大氣中的瓦斯?jié)舛?、CO濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煙霧、頂板離層、巷道變形、頂板壓力、水位、涌水量等參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到參數(shù)指標(biāo)超過設(shè)定值后，抗災(zāi)風(fēng)門會進(jìn)行安全警示提醒，地面調(diào)度中心工作人員會進(jìn)一步了解巷道環(huán)境的異常變化，并及時采取相應(yīng)的防治措施。

5.5 水電聯(lián)動執(zhí)行單元

水電聯(lián)動執(zhí)行單元主要是由水電聯(lián)動箱和配套噴頭組成，通過觸控傳感器實(shí)現(xiàn)水管路的水壓檢測?？梢詫?shí)現(xiàn)以下功能：（1）應(yīng)用水電聯(lián)動噴霧裝置對巷道進(jìn)行灑水降溫；（2）聯(lián)動隔塵紗網(wǎng)。噴霧噴灑到紗網(wǎng)上，形成水幕簾，有效地隔離、捕捉粉塵；（3）粉塵在線監(jiān)測自動噴霧控塵系統(tǒng)。將粉塵傳感器接入安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)粉塵在線監(jiān)測，通過設(shè)定極限值，控制凈化水幕，實(shí)現(xiàn)粉塵超限自動降塵功能。（4）抗災(zāi)風(fēng)門執(zhí)行救災(zāi)動作時，聯(lián)動實(shí)現(xiàn)灑水噴霧。

5.6 數(shù)據(jù)通信單元

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信單元：地面中心站與井下分站間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ猛ㄐ沤涌?。該通信接口是安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸樞紐。主要技術(shù)指標(biāo)：（1）通信接口與分站的傳輸口：2路；（2）通信接口與分站的傳輸方式：RS485、半雙工、主從式、雙極性。① 傳輸波特率：2400bps；② 工作電流峰峰值：≤300mA；③ 工作電壓峰峰值：1.5～12V；④ 通信接口到分站最大傳輸距離為10km。（3）通信接口與計算機(jī)的傳輸口：2路；（4）通信接口與計算機(jī)的傳輸方式：RS232、半雙工、主從式、雙極性；① 傳輸波特率：2400 bps；② 工作電壓峰峰值：≤24V；③ 通信接口到計算機(jī)最大傳輸距離為3m。（5）最大容量：64臺分站。（6）自動切換響應(yīng)時間：確認(rèn)主機(jī)故障后14～16s。

6 結(jié)語

該礦井智能抗災(zāi)系統(tǒng)由潞寧煤礦和中煤科工重慶設(shè)計院合作研發(fā)，基于上述先進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)，加之在潞寧煤礦應(yīng)用中的運(yùn)行維護(hù)及時，反映效果良好，當(dāng)前潞安集團(tuán)已在集團(tuán)內(nèi)部推廣應(yīng)用。