文麗松

（南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司， 江蘇南京 210033）

礦山井下壓氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

文麗松

（南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司， 江蘇南京 210033）

摘 要：壓縮空氣是礦山井下作業(yè)人員生存的依靠和健康的保證，同時(shí)也是許多設(shè)備的動(dòng)力源泉，壓縮空氣消耗的能源很大，壓氣管線長(zhǎng)而且分散，一直以來管理都非常困難。隨著網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)及相關(guān)組態(tài)軟件，通過光纖通訊，設(shè)計(jì)一套壓氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)井下壓氣的管理，在保證壓氣要求的前提下，提高安全性能，節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞：地下礦山；壓縮空氣；網(wǎng)絡(luò)通訊；自動(dòng)監(jiān)控

0 前 言

礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)一般是通過地表的空壓機(jī)站把新鮮壓縮空氣經(jīng)管道輸送到井下儲(chǔ)氣罐，再分別輸送到各作業(yè)點(diǎn)，同時(shí)利用風(fēng)機(jī)將井下污濁空氣抽出來。一般來說都非常重視空壓機(jī)壓氣制造和風(fēng)機(jī)抽風(fēng)的節(jié)能，利用變頻器和自動(dòng)控制技術(shù)取得了很好的效果，但對(duì)井下壓氣運(yùn)用的管理和控制重視不夠，很少運(yùn)用成套的壓氣自動(dòng)控制系統(tǒng)來管理和控制壓氣，這樣就浪費(fèi)了很多壓氣能源。如果簡(jiǎn)單的通過管道閘閥人工來控制氣量，由于井下氣管延伸的非常遠(yuǎn)而且分布廣泛，就需要較多的人力成本，同時(shí)壓氣的氣壓、流量無法顯示，不能及時(shí)準(zhǔn)確控制壓氣量。這就需要一套壓氣遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)井下作業(yè)點(diǎn)情況、通風(fēng)要求、設(shè)備開啟狀態(tài)來調(diào)節(jié)壓氣的氣量。

1 壓氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著各種檢測(cè)傳感器應(yīng)用，單片機(jī)的開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于工業(yè)項(xiàng)目中。本系統(tǒng)正是基于上述相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)的組成主要是：位于監(jiān)控中心的主計(jì)算機(jī)，光纖收發(fā)器，光模塊交換機(jī)，光纖終端盒，各個(gè)中段分層的遠(yuǎn)程控制箱，安裝在壓氣管道上的監(jiān)測(cè)、控制儀器，通訊光纖，其中遠(yuǎn)程控制箱中安裝了：數(shù)據(jù)采集板、串口服務(wù)器、光纖收發(fā)器及相應(yīng)的電路元器件，用來接收、處理、傳輸各種信號(hào)和指令。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由上位監(jiān)控管理層、中間通訊層、下位終端信號(hào)采集層3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件是通過Visual C++6.0平臺(tái)編寫的基于PC機(jī)數(shù)據(jù)處理終端的上位機(jī)軟件，主要包括5個(gè)功能模塊：參數(shù)設(shè)置模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，控制輸出模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，各模塊間通過已設(shè)定好的數(shù)據(jù)交換接口及多線傳輸方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換和存儲(chǔ)。監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能要求和目標(biāo)是：與遠(yuǎn)程終端控制器的網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)的計(jì)算、轉(zhuǎn)換、處理；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)備份與打印輸出；系統(tǒng)管道參數(shù)實(shí)時(shí)顯示；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線圖形顯示；遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)閥；設(shè)備故障報(bào)警和記錄。

1.2通訊系統(tǒng)

中間通訊層的作用是連接上位監(jiān)控管理層和下位終端信號(hào)采集層，它們之間采用串行通訊，通訊方式為主-從通訊，上位監(jiān)控機(jī)向下位機(jī)發(fā)送查詢指令，下位機(jī)確認(rèn)收到查詢指令后，將采集到的信號(hào)傳送回去。下位機(jī)終端采集的信號(hào)通過RS-232接口、串口服務(wù)器、光纖收發(fā)器、光模塊交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，串口服務(wù)器是為RS-232終端到TCP/IP之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通訊接口協(xié)議轉(zhuǎn)換器，由此輸出的信號(hào)接口為普通網(wǎng)口RJ45。由于井下傳輸線路很長(zhǎng)，信號(hào)干擾大，用電信號(hào)傳輸不能滿足要求，而光纖通訊傳輸信息量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性好，安全性高，并且光纖體積小、重量輕、敷設(shè)方便簡(jiǎn)單，所以采用光信號(hào)傳輸，這就需要將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，選擇光纖收發(fā)器，利用光纖通訊傳輸信號(hào)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)接收的是電信號(hào)，所以在上位監(jiān)控機(jī)前需要將光信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

1.3下位終端信號(hào)采集系統(tǒng)

下位終端信號(hào)采集系統(tǒng)是以STC12C5412AD單片機(jī)為控制核心，使用Keil uvision2軟件設(shè)計(jì)的，主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的A/D421芯片，8路10位精度ADC端，EEPROM功能的X25045芯片，RS-232接口轉(zhuǎn)換芯片MAX232，3路0-5V模擬量輸入電路，1路開關(guān)量輸入電路，1路4-20mA模擬量輸出電路，1路開關(guān)量輸出電路，其他相關(guān)的功能電路，以及信號(hào)采集終端安裝在壓氣管道上的監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備。下位現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　下位現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

安裝在壓氣管道上的監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備有：流量計(jì)、壓力傳感器、智能調(diào)節(jié)閥、開關(guān)蝶閥。流量計(jì)以4～20mA的流量值傳輸給單片機(jī)，壓力傳感器以0 ～5 V的壓力值傳輸給單片機(jī)，智能調(diào)節(jié)閥根據(jù)上位機(jī)的指令來調(diào)節(jié)閥門的開度大小，同時(shí)將閥門開度值反饋給系統(tǒng)，開關(guān)蝶閥根據(jù)上位機(jī)的指令來打開或者關(guān)閉閥門，不調(diào)節(jié)閥門大小，同時(shí)將閥門開關(guān)狀態(tài)反饋給系統(tǒng)。信號(hào)采集終端采集的都是模擬量信號(hào)，需要使用STC12C5412AD單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換功能將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，同樣上位機(jī)的指令也需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳給信號(hào)采集終端。

信號(hào)采集系統(tǒng)有多個(gè)信號(hào)采集終端，PC機(jī)與采集終端通訊時(shí)，必須根據(jù)唯一標(biāo)識(shí)地址來識(shí)別節(jié)點(diǎn)，所以通過上位機(jī)設(shè)定主機(jī)的IP地址和每個(gè)信號(hào)采集終端串口服務(wù)器的IP地址，使他們處于同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，另外利用信號(hào)采集終端撥碼開關(guān)來設(shè)定每個(gè)信號(hào)采集終端的標(biāo)識(shí)地址。

2 壓氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能

（1）采集各分層管道壓氣的流量、氣壓、閘閥開度等參數(shù)，并在監(jiān)控系統(tǒng)畫面以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖形顯示出來，這樣在監(jiān)控室就能知道每個(gè)地方的壓氣流量值、壓力值、管道開關(guān)狀態(tài)和閘閥開度值。

（2）遠(yuǎn)程操控每個(gè)點(diǎn)的控制閥，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)、施工作業(yè)要求、用氣設(shè)備開停等情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各通風(fēng)點(diǎn)壓氣。

（3）安全監(jiān)控，對(duì)各點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和通訊情況進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或者通訊斷開時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)顯示相應(yīng)的故障報(bào)警，維護(hù)人員可以根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的故障顯示及時(shí)維修。

（4）自動(dòng)/手動(dòng)控制，可以隨時(shí)手動(dòng)修改每個(gè)控制閥的開關(guān)和開度，也可以通過設(shè)置每個(gè)控制閥狀態(tài)參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)在不同的時(shí)間實(shí)現(xiàn)不同的功能。

（5）自動(dòng)超限報(bào)警，根據(jù)不同的供氣要求，設(shè)定每個(gè)點(diǎn)壓氣流量、壓力值的上下限，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值超過范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警，以便及時(shí)調(diào)整。

（6）事件和數(shù)據(jù)的記錄、查詢和打印，計(jì)算機(jī)根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和事件，通過監(jiān)控系統(tǒng)可以查詢各個(gè)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)和設(shè)備的運(yùn)行情況，同時(shí)可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫的查詢自動(dòng)生成各種報(bào)表。

3 結(jié) 論

隨著社會(huì)的發(fā)展，安全和能源越來越受到關(guān)注，國(guó)家對(duì)礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)、能源消耗、規(guī)范管理要求越來越嚴(yán)格，數(shù)字礦山是現(xiàn)代礦山的一種發(fā)展方向，要真正建設(shè)一個(gè)數(shù)字礦山，首先礦山的工藝系統(tǒng)和設(shè)備就得實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化。這套礦山井下壓氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)，配以質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓氣自動(dòng)化管理。系統(tǒng)在南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司井下安裝應(yīng)用后取得了良好的效益：工作人員在調(diào)度監(jiān)控室就能夠?qū)崟r(shí)的了解各點(diǎn)壓氣和設(shè)備情況，根據(jù)需要遠(yuǎn)程操控每個(gè)點(diǎn)的控制閥，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各通風(fēng)點(diǎn)壓氣；設(shè)備有故障也能立即發(fā)現(xiàn)，及時(shí)安排人員維修；提高了礦山壓氣控制管理水平和安全性能；減少了壓氣浪費(fèi)，降低了電能損耗，全年空壓機(jī)站壓氣用電比往年大概能節(jié)約24萬kW·h；減少了壓氣管道工作人員，以前每班都要1個(gè)人去巡查和調(diào)節(jié)管道，現(xiàn)在只要管理人員或者調(diào)度員兼職管理監(jiān)控系統(tǒng)，可以減少4個(gè)工人，節(jié)約了人力成本；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，硬件安全可靠，故障率低，維修成本小。

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收稿日期：（2016-04-18）

作者簡(jiǎn)介：文麗松（1980-），男，江西吉安人，電氣工程師，主要從事礦山機(jī)電設(shè)備的管理，Email：wls198093@163.com。