智慧礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫常軍， 安 文， 鄭洪濤， 魏 民， 李小雷

(新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山東 新泰 271200)

1 前言

礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)井下環(huán)境參數(shù)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況(局部通風(fēng)機(jī)、水泵、主要通風(fēng)機(jī)等設(shè)備啟停、轉(zhuǎn)速等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到有異常問(wèn)題時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息甚至切斷供電，從而確保井下生產(chǎn)安全[1-3]。安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)分地面、井下兩個(gè)部分，井下部分運(yùn)行存在監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量多、測(cè)量數(shù)據(jù)大、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，同時(shí)工作環(huán)境十分惡劣，從而對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性以及實(shí)時(shí)性有較高要求[4-5]。為了提高安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，本文基于工業(yè)以太網(wǎng)以及CAN總線構(gòu)建一種礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主干傳輸網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)控制可通過(guò)CAN總線或者以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，充分利用工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線在控制、通信方面優(yōu)勢(shì)，來(lái)為礦井安全生產(chǎn)服務(wù)。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)需要，設(shè)計(jì)的安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括地面安全監(jiān)控系統(tǒng)、通信介質(zhì)、井下現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)、CAN接口卡等。地面安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等；井下現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)是安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成單元，主要用以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理以及傳輸，主要結(jié)構(gòu)為CAN控制器以及單片機(jī)；通信介質(zhì)為雙絞線，傳輸距離達(dá)10 km。

圖1 安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下布置的智能節(jié)點(diǎn)接收各類安全傳感器(粉塵、瓦斯、溫度等)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后就地顯示，超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息[6]。同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由智能節(jié)點(diǎn)收發(fā)電路通過(guò)CAN總線傳輸給地面監(jiān)控室監(jiān)控PC。監(jiān)控PC對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，同時(shí)通過(guò)CAN總線傳輸給監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)礦井安全監(jiān)控以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，數(shù)據(jù)采集、顯示等均通過(guò)智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，智能節(jié)點(diǎn)由外圍模擬電路、數(shù)字量采集電路、AT89C15單片機(jī)等構(gòu)成。AT89C15單片機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布置的各類傳感器模擬量、開關(guān)量等信號(hào)進(jìn)行采集，處理后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分兩路分別傳輸給智能節(jié)點(diǎn)液晶顯示屏、井口數(shù)據(jù)收發(fā)器(CAN總線傳輸)[7-8]。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，如瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)、電機(jī)溫度異常等，可通過(guò)控制輸出切斷設(shè)備供電。

圖2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 安全監(jiān)測(cè)傳感器類型

傳感器是實(shí)現(xiàn)井下各類設(shè)備運(yùn)行狀況、井下環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，根據(jù)礦井生產(chǎn)需要，布置的安全傳感器類型、參數(shù)分別為：

(1)甲烷傳感器。設(shè)備型號(hào)為JWC- 1，對(duì)井下回風(fēng)巷道、綜采工作面以及掘進(jìn)工作面等位置對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體監(jiān)測(cè)參數(shù)：瓦斯?jié)舛葴y(cè)量范圍0%～4%；輸出信號(hào)1～5 mA；響應(yīng)時(shí)間≤30 s。

(2)局部通風(fēng)風(fēng)筒風(fēng)量開關(guān)傳感器。設(shè)備型號(hào)為GFD6，該傳感器無(wú)需供電即可對(duì)局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)參數(shù)：接觸電阻≤1 Ω；信號(hào)傳輸距離≥2 km；輸出信號(hào)類型為無(wú)源開關(guān)量信號(hào)。

(3)一氧化碳傳感器。選用的傳感器型號(hào)為KGA3，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采面、巷道等位置CO濃度。主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為：測(cè)量范圍0～1 000×10-6；響應(yīng)時(shí)間≤35 s；輸出頻率200～1 000 Hz。

(4)溫度傳感器。選用的傳感器型號(hào)為KGW5，可對(duì)井下溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)參數(shù)：測(cè)量范圍0～100 ℃；輸出電流1～5 mA。

(5)負(fù)壓傳感器。選用的傳感器型號(hào)為KGY4，布置在巷道風(fēng)門閉門、風(fēng)井等位置，對(duì)通風(fēng)負(fù)壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)控參數(shù)：測(cè)量范圍0～5 kPa；輸出信號(hào)1～5 Ma。

(6)煙霧傳感器。布置的煙霧傳感器型號(hào)為GQQ0.1，布置在井下用以對(duì)供電電纜發(fā)熱、機(jī)械摩擦以及煤層自燃等引起的煙霧進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)參數(shù)：輸出信號(hào)開關(guān)量0/5 mA；響應(yīng)時(shí)間<60 s。

(7)機(jī)電設(shè)備開停傳感器。選用的傳感器型號(hào)為GKT18，用以監(jiān)測(cè)供電電流在5 A以上的各類交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行情況。主要監(jiān)測(cè)參數(shù)：輸出信號(hào)：開關(guān)量0/5 mA；設(shè)備電流≥5 A。

(8)水位傳感器。選用的水位傳感器型號(hào)為KGU9，對(duì)中央水倉(cāng)內(nèi)水位深度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)：水位深度0～10 m；輸出信號(hào)1～5 mA；分辨率0.01 m。

在井下布置的各類傳感器、供電電源均為本安型。在采掘作業(yè)面以及其他巷道、硐室內(nèi)布置的傳感器位置、類型等均應(yīng)滿足《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定。

3.3 CAN總線收發(fā)器設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)、CAN總線上其他節(jié)點(diǎn)間連接方式為CAN接口電路- CAN總線收發(fā)器。收發(fā)器電路由SJA1000(CAN通信控制器)、AT89C51(微控制器)、PCA82C250(總線驅(qū)動(dòng)器)、6N137(光電耦合器)等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂破髦形⒖刂破鰽T89C51為收發(fā)器核心，負(fù)責(zé)SJA1000初始化，數(shù)據(jù)的接收、傳輸。PCA82C250是CAN總線與SJA1000間通信接口，主要起到驅(qū)動(dòng)發(fā)送、差動(dòng)發(fā)送及接收等功能。

圖3 CAN總線收發(fā)器結(jié)構(gòu)圖

3.4 CAN接口卡

CAN總線與監(jiān)控PC機(jī)間連接采用CAN接口卡，其中PC機(jī)用于對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控、調(diào)度，并向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令、接收節(jié)點(diǎn)信息。CAN接口卡將CAN總線上接收到的信息轉(zhuǎn)換成符合USB通信協(xié)議的信息，從而為PC機(jī)內(nèi)置的應(yīng)用軟件提供支持。

4 智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在井下布置的智能節(jié)點(diǎn)主要是獲取傳、計(jì)算以及處理傳感器獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并顯示傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信息；接收來(lái)自于監(jiān)控PC參數(shù)信息，并將該階段獲取到的實(shí)時(shí)參數(shù)、報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳輸給監(jiān)控PC。

4.1 節(jié)點(diǎn)初始化程序

智能節(jié)點(diǎn)通信主要依靠通信控制器SJA1000實(shí)現(xiàn)，為了確保節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)收發(fā)，需要對(duì)通信控制器SJA1000進(jìn)行初始化處理。SJA1000有復(fù)位模式、工作模式兩種。節(jié)點(diǎn)初始化在復(fù)位模式下實(shí)現(xiàn)，主要是恢復(fù)SJA1000工作方式、濾波參數(shù)等設(shè)置。在完成初始化后，智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作模式。初始化程序如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)初始化程序

4.2 發(fā)送、接收程序

在工作模式下智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報(bào)文發(fā)送、接收。報(bào)文從井下智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送至CAN總線，并由CAN控制器將報(bào)文信息傳輸給監(jiān)控PC。單片機(jī)對(duì)需要發(fā)送的信息首先傳輸給SJA1000并啟動(dòng)發(fā)送命令，整個(gè)發(fā)送過(guò)程由SJA1000自動(dòng)完成。接收程序由SJA1000自動(dòng)將信息從CAN總線傳輸給CAN緩沖器。

5 結(jié)論

(1)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)提升煤礦生產(chǎn)安全具有重要意義。為了進(jìn)一步提升安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性及監(jiān)控精度，使用CAN總線設(shè)計(jì)了一種安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用智能節(jié)點(diǎn)對(duì)布置在井下各個(gè)位置的傳感器監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行采集、傳輸，通過(guò)CAN總線、CAN接口卡等將監(jiān)測(cè)信息傳輸至地面監(jiān)控中心。

(2)對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)井下運(yùn)行環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴(yán)重以及粉塵、水等含量大等問(wèn)題，對(duì)瓦斯、CO、溫度等各類傳感器進(jìn)行選型。依據(jù)安全監(jiān)控需要對(duì)CAN總線收發(fā)器、CAN接口卡以及智能節(jié)點(diǎn)軟件等進(jìn)行設(shè)計(jì)。在山西某礦主運(yùn)巷內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該安全監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)井下環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行情況，可靠性較強(qiáng)。