摘要 主要介紹一種適用于中小型煤礦安全生產與監測設備的設計方案。該設備能夠實時采集、監測井下工作面的瓦斯濃度、一氧化碳濃度、風速、壓力、溫度等重要數據和風機、水泵、絞車和電機的開停狀態，具有對交流電源的過壓、失流、缺相及各種異常、危險情況的報警功能；另外還具有對班次產量的統計和數據存儲功能。系統采用低壓電力線載波通信及GSM/GPRS無線通信技術進行數據的傳輸。
關鍵詞 低壓電力線栽波通信 PL3105C DPSK調制/解調 DSl8820 GSM/GPRS
引 言 近年來，國內煤礦重大安全事故不斷發生，尤其是中小煤礦情況更為突出，給國家、人民造成了重大損失。為此，國務院十分重視煤礦安全生產問題，不斷加大行業管理力度，逐步形成量化監督管理模式，并相繼成立“安全評價”部門機構．實現常年有序、真實有效及信息網絡化管理．針對日前行業的發展需要，本方案為中小煤礦實現實時安全監管目標提供了必須的條件與手段。為減少布線的麻煩和投資，本方案中下行通道采用了先進的低壓電力線擴頻載波通信方式，以井下已布好的電纜作為通信介質進行數據傳輸。上行通道采用無線網路通信方式，報警記錄通過GSM網以短消息形式傳到預定手機，或通過GPRS傳到上級主管部門計算機以便對事故作出及時處理。
1 硬件結構設計
該煤礦安檢設備的基本功能有：煤礦各工作面瓦斯濃度的實時采集記錄并顯示；瓦斯濃度超標報警；井下風速采集記錄；負壓(壓力)記錄；一氧化碳濃度采集記錄；溫度采集記錄；水泵電機工作狀態；風機工作狀態；絞車工作狀態；電源過壓報警；失流報警；缺相報警；班次產量記錄；開關量采集及設備控制；載波數據傳輸；GSM/GPRS無線通信；參數設置；數據存儲；電源自動切換管理以及系統自檢等功能。該系統結構如圖1所示。設備分為井下數據采集終端和地面數據集中器兩部分。
2 采集終端設計
數據采集終端是用來采集、監測、控制井下設備狀態并將數據記錄上傳給集中器的裝置，可同時采集16路的開關量和16路模擬量，并經A/D轉換形成數字量，安裝在井下防爆箱內。它為各類傳感器提供工作電源，并以RS485總線方式通信；與集中器間以載波通信方式進行數據交換。集中器間采用載波通信方式，集中器可定時或隨時召喚井下各設備參數并存儲。 井下數據采集終端總體功能結構如圖2所示。 瓦斯傳感器安裝在井下各采煤工作面及巷道上，以采集不同點的瓦斯濃度。量程為O～4％CH4，供電方式采取采集器統一直流15 V供電，保障其安全性。當井下瓦斯濃度超標時，采集終端發出報警，報警燈不停閃爍的同時又誦討語音報警以提示人員進行緊急撤離。同時監控室里的集中器也發出報警，提醒地勤人員采取緊急措施。另外，在報警同時打開風門及風機進行抽風，以降低瓦斯濃度。同樣，當井下一氧化碳濃度超標也會發出報警。需注意的是，由于氣敏傳感器都有一定的使用壽命，因此最好一年更換一次傳感器，以保障測量的準確性。 巷道風量的測量采用礦用智能風量傳感器，其測量范圍為風速0.3～15 m/s；坑道斷面積小于30 m2；允許誤差小于+0.3 m/s；重復性誤差讀數值+1％；輸出信號為200～1000 Hz/5～15 Hz或4～20 mA/1～5 mA；工作電壓為Dc 15 v；工作電流小于60 mA；換能器工作頻率為140～150 kHz。經A/D轉換(或v/F轉換)后，可測得其通風量的大小，以了解井下空氣質量等。 由于井下到處都是易燃的煤，因此，當溫度過高時極易發生自燃的情況；由于井下燃燒為不完全燃燒，因此會產生大量的一氧化碳。上述情況會導致井下人員的一氧化碳中毒，當遇到明火時還會產生爆炸。因此井下溫度的測量很重要，尤其對于那些井下較干燥的礦井顯得更加必要。本方案中采用美國DalIas公司的增強型單總線數字溫度傳感器DSl8B20，它僅需一根口線與單片機連接，其測溫范圍為一55～+125℃，精度高，可編程分辨率為9～12位，對應溫度分辨率為O.5～O.0625℃。該傳感器還具有用戶可編程溫度報警設置，在12位分辨率時最多在750 ms內可將溫度值轉換為數字量。根據現場情況可安裝多個溫度測量點以監控井下溫度的變化。 井下巷道均由鋼架或木架支撐，為防止冒頂、坍塌等危險情況造成人員重大傷亡和財產損失，井下需要實時巡檢巷道壓力情況，并及時整修。因此，在承重架下安裝壓力傳感器實現壓力應變的實時監測，可及時檢測到出現的險情，從而能夠避免重大事故的發生。
井下設備大多為防爆型設備，因此價格較一般同類型非防爆設備高許多。當出現過壓、失流、缺相或三相不平衡等情況時，常會燒壞電機造成停產，從而造成重大的損失。為盡量杜絕或減少出現此類狀況后造成損失，在電機進線上安裝精密的電壓、電流互感器，實時監測電壓電流的變化。當出現非正常變化時及時報警，超出預定值時自動斷開電源以保障設備的安全。 井下設備的工作狀態是否正常對安全生產非常重要，因此對風機、水泵、絞車等重大設備工作狀態的監測是采集終端的另一重要功能。實時監測這些設備的二次觸點等開關量，然后經光電隔離、整形、限流電路接到單片機端口，單片機可根據這些開關狀態來判定設備的工作狀態。另外，主控室還可通過集中器向采集終端下發某設備工作狀態命令。 采集終端具有報警功能，當某一設備出現異常時，其對應LED即出現閃爍狀態，同時伴有語音報警。大多數同類設備與地面設備間的通信采用專線形式，其主要弊端是安裝不方便且安全性不高，尤其對于井下分支較多的情況會更加麻煩。對于豎井，電纜常會因為罐籠撞幫而被掛斷，出現維護困難的情況。本方案采用先進的低壓電力線載波通信技術，由于電力電纜在礦井建成的同時就完成了布線，且防護做的很好，從而避免了線路維護的麻煩。另外，隨井下掘進面向不同方向的擴展，電力電纜也會隨著鋪設好，因此不需要另外再鋪設專線，只需將具有載波通信功能的傳感器安裝設置好即可。由于井下交流電源多為127V和220 V，因此在將載波信號耦合到高壓電路上時必須做好隔離和防爆。本方案采用耐壓680 V的聚多元脂電容器作為隔離器件。微處理器PL3105為51兼容，具有8/16位ALU、2%26;#215;16位ADC，內部集成了電力載波通信模塊，該模塊是專為電力線通信網絡設計的半雙工異步調制解調器，載波通信的抗干擾能力很強。
3 數據集中器設計
數據集中器功能結構如圖3所示。 數據集中器是放置在主控室用來匯集、監測井下設備運行狀況、對異常情況進行報警及顯示，并能上傳的設備。同時，它還具有對地面絞車運行狀況實時監控、計量提升煤罐次數并計算生產量的功能。數據集中器可同時管理多個井礦下的采集終端設備，采用大容量掉電非遺失數據存儲器NVRAM，對井下各測量點數據可進行定間隔(1～60 mim可設)存儲一個月的數據；可根據礦上生產情況設定班次及上下班交接時間，同時采集、計算并保存當前班、上一班、上上一班的生產量作為工人工作量核算的依據。采集方法是：在罐籠提升絞車電機進線上安裝電壓、電流互感器，利用絞車檔位控制開關的空觸點進行上下、檔位的辨別，根據罐籠提升重量的變化導致電機輸出功率的變化來判別出是空罐、上下人員還是煤罐。需注意的一點是：由于廠礦電壓晝夜變化都較大，因此根據公式P=U%26;#215;I可看出當電壓變化時電流也隨著變化，電流互感器感應電流也會隨著變化，另外還會出現提升過程中罐籠撞綁導致感應電流瞬時過大的情況，也會有為防止罐籠過度搖擺出現危險而在提升過程中暫停(也叫穩繩)的情況。所以，在實際應用中對提升過程采集的信號經A/D轉換后，還需要進行求平均值以及設置穩繩時間、空罐重量參數、正常罐重參數、超重報警參數等參數的設置。根據提升有效罐次乘以標準罐煤重量計算出當前班次的產量，到換班時間設備自動進行換班存儲，將當前班次產量轉存為上一班次，上一班次轉存為上上班次，依次循環。對于小型煤礦，這樣的產量統計方式可以避免因錯計、漏計、少計的人為因素而導致矛盾的發生。 為便于進行參數的設置，集中器還具有人機接口。液晶顯示采用清華蓬遠公司內藏T6963C控制器的液晶模塊，分辨率為128%26;#215;64點陣，能顯示漢字和圖形，可當地通過鍵盤進行參數設置、遠動控制操作等。實時刷新顯示井下各采樣點的數據及各設備開關狀態，當井下瓦斯濃度、溫度、負壓、一氧化碳濃度等超標時，集中器面板上各對應報警LED進行閃爍報警、并顯示出報警點所在位置，同時伴有語音報警。 集中器與采集終端之間通過低壓電力線進行載波通信，可實時召喚、存儲各采集終端下屬設備當前狀態字及數據．并講行顯示。用戶可通過RS232串口、紅外或RS485接口實現本地計算機與集中器的數據交換，也可通過計算機經集中器對各設備進行開、停控制。本方案中還增加了GSM/GPRS通信方式，當設備出現重大報警時，集中器自動將報警內容通過短消息的形式發給預定義好的手機，或者通過GPRS方式將各數據記錄及報警記錄上傳到主管部門的計算機。這樣做可以實現無人值守的要求。
