基于LED技术的煤矿照明与安全监控系统设计方案

近年来，煤矿生产安全事故频繁发生，造成“大事故常犯，小事故不断”的严重现象，不仅严重威胁矿工的生命安全，也严重制约着经济的发展。煤矿井下作业因为远离地面，地形复杂，环境恶劣，导致事故频发。同时，国家对煤矿安全生产的管理力度在不断加强，各单位都在进行数字化矿井的建设和改造，并取得了一定的经济和社会效益。近年来，包括远程视频监控、远程矿井信息采集以及基于RF ID技术的身份识别等新技术正被迅速地应用到煤矿安全生产领域，对改善煤矿安全环境和建立实时监督管理有着重要的作用。为了从根本上解决煤矿安全问题，需要依靠科技手段提高煤矿整体安全技术装备与管理水平，建立一整套安全、实时、经济、可靠、完善的安全监控平台和安全管理体系是防止煤矿安全事故，保障长治久安的有效措施。

　　1　LED技术及在矿井应用中的优势

　　LED （Light Emitting Diode）是一种将电能转化为可见光的半导体元件，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色发光的原理，采用电场发光，是一种冷光源，无频闪且色温接近日光，能有效保护井下作业人员的视力;可以完全避免因普通照明灯引发的瓦斯爆炸事故。LED采用低压直流电源供电，工作电压在6～24 V之间，比使用高压电源更为安全、经济，其功耗仅为传统白炽灯的30% ，能有效地节约能源。此外，还具有响应时间快、稳定性好，工作寿命长（ > 10万h） 、免维护的特点。在矿井中，可以安装超高亮白光LED灯带提供坑道照明;还可以间插安装红、绿、黄、橙色LED用于标志间隔距离、监测点、岔道、安全撤离路线、预警、报警等信息;可以在坑道内间隔适当距离配置蓄电池后备电源，即便出现塌方事故轧断照明通信线路，也可以确保局部照明与LED指示信息，帮助井下人员逃生。

　　LED供电能够采用24 V的低压线路，这也为实现矿井安全监测设备（模块级）供电及数据通信提供了一个安全、稳定的供电环境。完全可以建立一个基于单片机模块的小型通信网络，对煤矿安全生产环节中的瓦斯、一氧化碳、风量、温度以及视频信息等监测模块提供可靠的信息采集、传输通道;还可采用LED技术中的红外编码身份识别技术，将红外采集探头以适当间隔距离安装在LED照明灯带中，对矿井内的人员进行身份信息的采集与传输，及时将相关数据发送给矿井地面上的上位机，并通过通信网络汇总到生产调度、安全监控服务器，与管理信息数据库、矿井坑道地图等构成一个立体的、实时的人员分布地理信息系统，对生产调度、安全监控和救援、疏散等都能提供可靠的保障。

　　2　系统设计

　　图1是采用LED技术实现的坑道照明与安全监控系统在井下坑道中的分布示意图。

　　（1） LED照明灯带及后备供电。图1中，连接所有节点和设备的带状线缆采用市面上广泛销售的“可塑霓虹灯”的封装形式，将白光LED串联、并联等距排列安装，可以解决整个坑道的照明问题。LED取代白炽灯具有功耗小，使用寿命长等明显优势。它是一个点光源，比较容易对光的辐射方向和发光面积进行精确的控制，特别是在一些照明面积要求不大的应用领域（矿井）优势更为明显。采用传统光源照明，往往因为照明面积超出了实际的需求而形成一种能源的浪费，而LED光源，既能满足照明要求，又不至于形成能源浪费。由于采用低压直流供电方案，每隔50 m左右便可配置一套后备蓄电池，既能实现停电或故障时的应急照明，还能在塌方等事故发生造成断电的情况下，提供疏散指示与局部照明。

　　（2） 路标、疏散路线指示。白光LED照明条件下，运用彩色的LED点光源可以间隔分布于灯带中，用于指示间距、安全通道、岔道、撤离路线等路标标识。比如用红色表示紧急撤离路线，用黄色表示注意路段，用绿色表示20 m、50 m、100 m的间距信息;用组合的符号表示方向、岔道等交通标识等;利用点阵型LED模块还可以进一步提供更为详细的方位等信息。

　　（3） 身份识别与安全监控模块。LED灯带的低压供电与通信线路为监控系统提供了便利的条件。

　　选用红外光编码/解码技术，利用安装于矿工LED灯具上的红外编码模块和等间隔LED光带上的光解码接收探头，实现井下人员的身份识别、考勤、跟踪、分布位置等管理功能。线路中还可以任意挂接瓦斯检测模块、火警探测、排风监测、摄像监测等，这些模块都采用最新32位嵌入式微控制器设计，集成RS232和标准CAN接口，借助于工业CAN总线网络，实现现场信息的实时采集并传输到监控中心，购建一套在线监测管理信息系统。

　　（4） 通信网络。在LED灯带布线系统中可以并行排列抗干扰能力强的工业总线通信网络———CANbus系统， CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10 km时， CAN 仍可提供高达50 Kbit/ s的数据传输速率。使用这种工业级的通信方式，可以保证通信数据的可靠性、实时性，又能结合LED供电线路的特点。CAN总线容错性能好，可以大大降低后期的维护、维修和扩充成本，它是坑道通信的最佳形式。CAN总线回到地面则与地面终端连接，而各地面终端与管理中心的网络传输，可借助于ADSL或者光纤等方式实现。

　　3　安全监控系统的组成与在线管理信息系统

　　图2是安全监控系统的组成结构。沿着LED灯带挂接在CAN总线上的各种传感器、监视、监测模块在坑道口通过通信集中器连接到地面上的上位机终端，再通过ADSL、DDN专线或者光纤宽带网络连接到监控中心，基于地理位置分布等方面的因素可以采用Internet网络实现数据和信息传输。

　　系统中，以图形方式实时监测单个煤矿的全部传感器的工作情况以及井下设备的工作状态，在图2上能够看到每个传感器显示的如瓦斯浓度大小和设备的开停状态，通风系统实时风速、风量、风向、变化趋势等信息。瓦斯浓度直接涉及生产的安全性，可通过软件设计提供实时的瓦斯浓度、变化趋势等相关数据的处理和分析功能。系统可据所采集数据自动生成相应专题图并做出超限警报提示。此外，矿井信息与空间位置信息有着密切的关系，因此可以引入能够把空间位置信息与属性数据信息结合在一起的软件平台。采用Map Info等，利用其完善的地图操作功能，定位、地图导航及各种统计分析功能实现了可视化的生产调度、安全调度及安全监控等功能。同时能够对越层越界开采、贯通采空区、贯通含水层这些可能发生重大事故及日常巷道掘进贯通中容易出现的安全隐患都设计了相应的应急预案。配合人员身份识别，可实现井下人员考勤、定位等信息显示。

　　利用先进的软件研发手段，系统具有煤矿工作站采掘工程图动态编辑、远程数据通信、安全分析预警、网络监督、整改方案制作、网络督办等系列功能，能够任意选择显示目标煤矿和相应煤矿的采掘工程图，能够随意查询游览采掘工程图和其他生产关系图透明叠加进行空间分析;能够直接在图2上测量距离，能够直接在数字采掘工程图越界位置处编制警告督办令，并通过网络及时下发。安全监控功能包括在线检测、瓦斯超限、曲线分析和全局监测、数据查询、历史曲线分析和邮件处理等功能。

　　4　结束语

　　基于LED技术的煤矿照明与安全监控系统是运用新型绿色节能的LED产品，构建安全、可靠的煤矿生产照明环境，并充分利用其配电特性搭建的一套集路标指示、报警检测、人员身份识别、人员事故疏散以及矿井地理信息、管理调度等为一体的数字化监控系统。它摒弃传统白炽灯照明技术，在使用安全低压的条件下，具有节能、安全、防爆能力强的显著优势。结合最新嵌入式微控制系统以及抗干扰能力极强的CAN总线数据通信平台，通过Internet或者光纤与监控中心服务器相连，可充分发挥出功耗低、处理能力强、兼容性好、集成度高、模块化、体积小、可靠安全的性能;既是一个井下照明、指示与安全监控系统，又是一个安全作业在线管理信息系统，完全能够为煤矿安全生产提供高效、经济的技术保障。