多层次总线下的煤矿安检设备系统设计

摘要  主要介绍一种适用于中小型煤矿安全生产与监测设备的设计方案。该设备能够实时采集、监测井下工作面的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、压力、温度等重要数据和风机、水泵、绞车和电机的开停状态，具有对交流电源的过压、失流、缺相及各种异常、危险情况的报警功能；另外还具有对班次产量的统计和数据存储功能。系统采用低压电力线载波通信及GSM/GPRS无线通信技术进行数据的传输。
关键词 低压电力线栽波通信 PL3105C DPSK调制/解调 DSl8820 GSM/GPRS

引 言
    近年来，国内煤矿重大安全事故不断发生，尤其是中小煤矿情况更为突出，给国家、人民造成了重大损失。为此，国务院十分重视煤矿安全生产问题，不断加大行业管理力度，逐步形成量化监督管理模式，并相继成立“安全评价”部门机构．实现常年有序、真实有效及信息网络化管理．针对日前行业的发展需要，本方案为中小煤矿实现实时安全监管目标提供了必须的条件与手段。为减少布线的麻烦和投资，本方案中下行通道采用了先进的低压电力线扩频载波通信方式，以井下已布好的电缆作为通信介质进行数据传输。上行通道采用无线网路通信方式，报警记录通过GSM网以短消息形式传到预定手机，或通过GPRS传到上级主管部门计算机以便对事故作出及时处理。

1 硬件结构设计
    该煤矿安检设备的基本功能有：煤矿各工作面瓦斯浓度的实时采集记录并显示；瓦斯浓度超标报警；井下风速采集记录；负压(压力)记录；一氧化碳浓度采集记录；温度采集记录；水泵电机工作状态；风机工作状态；绞车工作状态；电源过压报警；失流报警；缺相报警；班次产量记录；开关量采集及设备控制；载波数据传输；GSM/GPRS无线通信；参数设置；数据存储；电源自动切换管理以及系统自检等功能。该系统结构如图1所示。设备分为井下数据采集终端和地面数据集中器两部分。

2 采集终端设计
    数据采集终端是用来采集、监测、控制井下设备状态并将数据记录上传给集中器的装置，可同时采集16路的开关量和16路模拟量，并经A/D转换形成数字量，安装在井下防爆箱内。它为各类传感器提供工作电源，并以RS485总线方式通信；与集中器间以载波通信方式进行数据交换。集中器间采用载波通信方式，集中器可定时或随时召唤井下各设备参数并存储。

    井下数据采集终端总体功能结构如图2所示。

    瓦斯传感器安装在井下各采煤工作面及巷道上，以采集不同点的瓦斯浓度。量程为O～4％CH4，供电方式采取采集器统一直流15 V供电，保障其安全性。当井下瓦斯浓度超标时，采集终端发出报警，报警灯不停闪烁的同时又诵讨语音报警以提示人员进行紧急撤离。同时监控室里的集中器也发出报警，提醒地勤人员采取紧急措施。另外，在报警同时打开风门及风机进行抽风，以降低瓦斯浓度。同样，当井下一氧化碳浓度超标也会发出报警。需注意的是，由于气敏传感器都有一定的使用寿命，因此最好一年更换一次传感器，以保障测量的准确性。

    巷道风量的测量采用矿用智能风量传感器，其测量范围为风速0.3～15 m/s；坑道断面积小于30 m2；允许误差小于+0.3 m/s；重复性误差读数值+1％；输出信号为200～1000 Hz/5～15 Hz或4～20 mA/1～5 mA；工作电压为Dc 15 v；工作电流小于60 mA；换能器工作频率为140～150 kHz。经A/D转换(或v/F转换)后，可测得其通风量的大小，以了解井下空气质量等。

    由于井下到处都是易燃的煤，因此，当温度过高时极易发生自燃的情况；由于井下燃烧为不完全燃烧，因此会产生大量的一氧化碳。上述情况会导致井下人员的一氧化碳中毒，当遇到明火时还会产生爆炸。因此井下温度的测量很重要，尤其对于那些井下较干燥的矿井显得更加必要。本方案中采用美国DalIas公司的增强型单总线数字温度传感器DSl8B20，它仅需一根口线与单片机连接，其测温范围为一55～+125℃，精度高，可编程分辨率为9～12位，对应温度分辨率为O.5～O.0625℃。该传感器还具有用户可编程温度报警设置，在12位分辨率时最多在750 ms内可将温度值转换为数字量。根据现场情况可安装多个温度测量点以监控井下温度的变化。
 
    井下巷道均由钢架或木架支撑，为防止冒顶、坍塌等危险情况造成人员重大伤亡和财产损失，井下需要实时巡检巷道压力情况，并及时整修。因此，在承重架下安装压力传感器实现压力应变的实时监测，可及时检测到出现的险情，从而能够避免重大事故的发生。

    井下设备大多为防爆型设备，因此价格较一般同类型非防爆设备高许多。当出现过压、失流、缺相或三相不平衡等情况时，常会烧坏电机造成停产，从而造成重大的损失。为尽量杜绝或减少出现此类状况后造成损失，在电机进线上安装精密的电压、电流互感器，实时监测电压电流的变化。当出现非正常变化时及时报警，超出预定值时自动断开电源以保障设备的安全。
 
    井下设备的工作状态是否正常对安全生产非常重要，因此对风机、水泵、绞车等重大设备工作状态的监测是采集终端的另一重要功能。实时监测这些设备的二次触点等开关量，然后经光电隔离、整形、限流电路接到单片机端口，单片机可根据这些开关状态来判定设备的工作状态。另外，主控室还可通过集中器向采集终端下发某设备工作状态命令。

    采集终端具有报警功能，当某一设备出现异常时，其对应LED即出现闪烁状态，同时伴有语音报警。大多数同类设备与地面设备间的通信采用专线形式，其主要弊端是安装不方便且安全性不高，尤其对于井下分支较多的情况会更加麻烦。对于竖井，电缆常会因为罐笼撞帮而被挂断，出现维护困难的情况。本方案采用先进的低压电力线载波通信技术，由于电力电缆在矿井建成的同时就完成了布线，且防护做的很好，从而避免了线路维护的麻烦。另外，随井下掘进面向不同方向的扩展，电力电缆也会随着铺设好，因此不需要另外再铺设专线，只需将具有载波通信功能的传感器安装设置好即可。由于井下交流电源多为127V和220 V，因此在将载波信号耦合到高压电路上时必须做好隔离和防爆。本方案采用耐压680 V的聚多元脂电容器作为隔离器件。微处理器PL3105为51兼容，具有8/16位ALU、2×16位ADC，内部集成了电力载波通信模块，该模块是专为电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器，载波通信的抗干扰能力很强。

3 数据集中器设计
    数据集中器功能结构如图3所示。

    数据集中器是放置在主控室用来汇集、监测井下设备运行状况、对异常情况进行报警及显示，并能上传的设备。同时，它还具有对地面绞车运行状况实时监控、计量提升煤罐次数并计算生产量的功能。数据集中器可同时管理多个井矿下的采集终端设备，采用大容量掉电非遗失数据存储器NVRAM，对井下各测量点数据可进行定间隔(1～60 mim可设)存储一个月的数据；可根据矿上生产情况设定班次及上下班交接时间，同时采集、计算并保存当前班、上一班、上上一班的生产量作为工人工作量核算的依据。采集方法是：在罐笼提升绞车电机进线上安装电压、电流互感器，利用绞车档位控制开关的空触点进行上下、档位的辨别，根据罐笼提升重量的变化导致电机输出功率的变化来判别出是空罐、上下人员还是煤罐。需注意的一点是：由于厂矿电压昼夜变化都较大，因此根据公式P=U×I可看出当电压变化时电流也随着变化，电流互感器感应电流也会随着变化，另外还会出现提升过程中罐笼撞绑导致感应电流瞬时过大的情况，也会有为防止罐笼过度摇摆出现危险而在提升过程中暂停(也叫稳绳)的情况。所以，在实际应用中对提升过程采集的信号经A/D转换后，还需要进行求平均值以及设置稳绳时间、空罐重量参数、正常罐重参数、超重报警参数等参数的设置。根据提升有效罐次乘以标准罐煤重量计算出当前班次的产量，到换班时间设备自动进行换班存储，将当前班次产量转存为上一班次，上一班次转存为上上班次，依次循环。对于小型煤矿，这样的产量统计方式可以避免因错计、漏计、少计的人为因素而导致矛盾的发生。

    为便于进行参数的设置，集中器还具有人机接口。液晶显示采用清华蓬远公司内藏T6963C控制器的液晶模块，分辨率为128×64点阵，能显示汉字和图形，可当地通过键盘进行参数设置、远动控制操作等。实时刷新显示井下各采样点的数据及各设备开关状态，当井下瓦斯浓度、温度、负压、一氧化碳浓度等超标时，集中器面板上各对应报警LED进行闪烁报警、并显示出报警点所在位置，同时伴有语音报警。

    集中器与采集终端之间通过低压电力线进行载波通信，可实时召唤、存储各采集终端下属设备当前状态字及数据．并讲行显示。用户可通过RS232串口、红外或RS485接口实现本地计算机与集中器的数据交换，也可通过计算机经集中器对各设备进行开、停控制。本方案中还增加了GSM/GPRS通信方式，当设备出现重大报警时，集中器自动将报警内容通过短消息的形式发给预定义好的手机，或者通过GPRS方式将各数据记录及报警记录上传到主管部门的计算机。这样做可以实现无人值守的要求。

4 软件设计
    本方案所涉及到的软件设计包括三部分：运行于数据采集终端中的数据采集、报警、控制及通信程序；运行于数据集中器中的数据采集、通信、报警及人机接口程序；运行于PC机上的后台监控、数据库等程序。

    数据采集终端中的程序采用C51语言编写，主要完成以下几个功能：①瓦斯、风速、一氧化碳及压力等各类传感器模拟量的采集及A/D转换，数据读取；②采用分址编码方式对单总线数字式温度传感器DSl8820的温度值读取；③设备的开停、风门、馈电等开关量的采集及对风、电、瓦斯等设备的闭锁控制；④数据计算及存储、报警判断、电源管理及系统自检；⑤与集中器间以电力线为介质通过载波通信进行数据交换；⑥通过本地串口可进行本地数据抄读及参数设置。
 
    程序流程图见图4。

    数据集中器中的程序也采用C5l语言编写，主要完成以下几个功能：①对每个班次的生产量进行计数、存储以及绞车运行状况的实时监测；②载波通信程序设计，设置定时中断，定时抄读所有终端所属设备的运行数据并存储，数据类型包括当前实时数据记录、日数据记录、月数据记录、报警记录及时间标识等，另外还具有设备参数设置程序等；③报警判断程序的设计；④键盘及液晶显示程序的设计，通过键盘可设置下属终端设备参数，包括瓦斯报警浓度、温度报警值、压力报警值、数据存储周期、班次交接时间等参数；⑤与计算机经本地串口进行串行通信。
  
    程序流程图如图5所示。

    PC机上的后台监控程序即图形界面用户应用程序，是通过Vistlal C++开发环境编写的，采用串行口中断的异步通信方式实现与无线MODEM通信；后台数据库程序采用Microsoft SQL Server 2000编写。

结 语
    随着我国经济的飞速发展，对能源的需求越来越大，在加大生产量的同时决不能忽视安全生产、严格管理的重要性。相对较落后的安检设备已不再适应新形式的需要，也满足不了现代化的管理要求。本设计方案采用上述思路和结构，既避免了布线、维修带来的不便，又提高了管理的现代化水平，满足了用户对井下生产状况的实时监控和对险情及时发现和排除的要求，能有效杜绝多数矿难事故的发生，为中小型煤矿提供了一种新颖的监测方法和手段。