智能礦井通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王鳳舞

（臨洮農(nóng)業(yè)學(xué)校，甘肅 定西 730500）

1 智能礦井通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)，對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)而言，首先要保證控制器的可靠性。由于礦井中的相關(guān)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況較為復(fù)雜，因此使用市面上已有的控制器連接到監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題[2]。因此本文設(shè)計(jì)出一種靈活性更強(qiáng)、成本更低的控制器，用于本文構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)中。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)的思想對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的功能和性能，將控制器劃分為多個(gè)不同功能的模塊，再將模塊之間按照一定規(guī)則進(jìn)行組合，完成能夠滿(mǎn)足控制系統(tǒng)不同功能要求的控制器。

1.2 電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)完控制器后，控制器的電路要按照“芯片～外部四周電路～基礎(chǔ)電路～功能電路”的順序依次進(jìn)行連接。選用完全集成的混合信號(hào)片上的系統(tǒng)型電機(jī)控制芯片，選用100腳薄塑封四角扁平封裝，具備64個(gè)數(shù)字I/O引腳，且具備兼容的CIP51內(nèi)核。CIP51指令能夠利用標(biāo)準(zhǔn)的編譯軟件和匯編軟件對(duì)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該芯片能夠支持多種運(yùn)算公式，且運(yùn)算速率相對(duì)較高，外設(shè)豐富能夠滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)環(huán)境中對(duì)控制器的開(kāi)發(fā)，與其它同等類(lèi)型的芯片相比價(jià)格低廉。

2 智能礦井通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上文對(duì)控制器的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)后，能夠保證系統(tǒng)硬件的基本實(shí)現(xiàn)，但是為了實(shí)現(xiàn)在礦井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控功能，仍然需要對(duì)其軟件進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。

（1）下位機(jī)設(shè)計(jì)。圖1為下位機(jī)主要流程圖。下位機(jī)主要使用的是上文設(shè)計(jì)的控制器，主要功能是用于采集礦井現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)通風(fēng)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。再接受上位機(jī)傳輸?shù)目刂浦噶钷D(zhuǎn)送到各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。根據(jù)通風(fēng)效果的不同對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行模糊控制，以此滿(mǎn)足礦井作業(yè)對(duì)風(fēng)量的要求。

圖1 下位機(jī)主要流程圖

本系統(tǒng)中的下位機(jī)設(shè)計(jì)主要是在單片機(jī)的程序上進(jìn)行，利用電子集成驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，該驅(qū)動(dòng)器是單片機(jī)上專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)動(dòng)、變量查詢(xún)以及程序下載等功能，同時(shí)還支持在線的仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)上文對(duì)硬件的選擇設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成相對(duì)應(yīng)的配置代碼。

（2）上位機(jī)設(shè)計(jì)。利用VB對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，VB是在Windows操作系統(tǒng)中的一個(gè)包含了事件驅(qū)動(dòng)以及協(xié)助開(kāi)發(fā)環(huán)境的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。利用可視化的開(kāi)發(fā)通行用戶(hù)界面完成對(duì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)。上位機(jī)中的監(jiān)控主要分為通風(fēng)參數(shù)監(jiān)視窗口、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)基本處理以及控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量。通風(fēng)參數(shù)監(jiān)視窗口主要用于將上文設(shè)計(jì)的下文機(jī)中采集到的通風(fēng)質(zhì)量情況以及通風(fēng)記得運(yùn)行情況和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)在監(jiān)控顯示器上顯示。數(shù)據(jù)通訊主要負(fù)責(zé)由下文機(jī)接受數(shù)據(jù)信息傳遞到上位機(jī)以及服務(wù)器上，并下達(dá)控制指令。

數(shù)據(jù)運(yùn)算處理是通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取進(jìn)行計(jì)算，并分析出此時(shí)礦井作業(yè)的通風(fēng)需求，得到控制結(jié)論。直到通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是由上位機(jī)對(duì)下位機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令要求，給出具體的風(fēng)量目標(biāo)數(shù)值。

（3）上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)。在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證系統(tǒng)的易用性和可操作性，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要遵循突出重點(diǎn)、符合操作人員使用習(xí)慣等原則對(duì)上位機(jī)監(jiān)控進(jìn)行設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)控中主要包含控制操作界面、通風(fēng)效果監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置界面、通風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控界面、以太網(wǎng)通訊模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、實(shí)時(shí)曲線查詢(xún)、故障和超限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)讀取。在監(jiān)控界面中的需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息主要包括各個(gè)礦井工作區(qū)域的通風(fēng)效果、區(qū)域風(fēng)量、工作人員人數(shù)、作業(yè)環(huán)境的溫度、一氧化碳濃度以及粉塵濃度?？刂颇Ｊ街饕煞譃楣?jié)能型和極速通風(fēng)型。在兩種模式下，可以對(duì)通風(fēng)量進(jìn)行加強(qiáng)或減弱，但在節(jié)能型中不能對(duì)通風(fēng)進(jìn)行減弱，同樣，在極速通風(fēng)型中也不能對(duì)通風(fēng)進(jìn)行加強(qiáng)。除了對(duì)通風(fēng)效果進(jìn)行監(jiān)控外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)會(huì)直接影響通風(fēng)的效果，其監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包含風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、出風(fēng)量、溫度、運(yùn)行時(shí)間等。本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控能夠?qū)ε_(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。在每一個(gè)基站中都包含了兩個(gè)風(fēng)機(jī)，其中一臺(tái)作為備用，因此在顯示器上顯示為被使用的分析，隱藏未使用的風(fēng)機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

利用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際的礦井作業(yè)當(dāng)中，并驗(yàn)證本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)自動(dòng)稀釋危險(xiǎn)氣體的能力。將實(shí)驗(yàn)分為三組，分別是在礦井采煤過(guò)程中、挖進(jìn)過(guò)程中、以及根據(jù)前兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)M出的極限情況的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。分別利用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)三組作業(yè)過(guò)程中的通風(fēng)情況進(jìn)行監(jiān)控。將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并繪制成如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本問(wèn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)將危險(xiǎn)氣體的濃度降低到正常范圍內(nèi)，因此說(shuō)明本文構(gòu)建的智能礦井通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)具有更好的自動(dòng)稀釋危險(xiǎn)氣體濃度的能力，且能夠?yàn)榈V井作業(yè)的防災(zāi)減災(zāi)提供最佳的控制策略。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化的通風(fēng)安全監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)是未來(lái)煤礦通風(fēng)的必然趨勢(shì)。目前礦井作業(yè)中，以風(fēng)定產(chǎn)、按需供風(fēng)是急需解決的難題，同時(shí)落后的通風(fēng)系統(tǒng)也將逐漸被淘汰。為礦井下的工作人員減少工作量、實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)量的智能監(jiān)管和調(diào)控是礦井行業(yè)發(fā)展的必然選擇。