田海霞

（晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦供水隊， 山西 大同 037027）

引言

我國煤礦安全管理模式比較粗獷，人為干預(yù)多、效率低、人工成本高，且存在安全死角[1]。煤礦地面設(shè)備安全性監(jiān)控對大型煤炭企業(yè)非常重要。煤礦企業(yè)需要增加對地面設(shè)備安全性監(jiān)控手段，既保障了生產(chǎn)設(shè)備安全穩(wěn)定運行，也可監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，有效降低故障的發(fā)生。文章旨在研究在作業(yè)區(qū)域設(shè)置安全監(jiān)控傳感器，采用智能監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，監(jiān)控地面設(shè)備的運行狀態(tài)，為保證煤礦的安全生產(chǎn)提供保障。

1 煤礦地面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

煤礦地面設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括監(jiān)測主機、服務(wù)器、網(wǎng)線、交換機、信息（數(shù)據(jù)）接口和設(shè)備監(jiān)控傳感器等。智能傳感器根據(jù)信號處理的類型分成兩種：數(shù)字傳感器和模擬信號處理[2]。數(shù)字信號處理傳感器較為精準(zhǔn)，一般設(shè)置測量和補償兩個傳感器，補償信號也可由測量傳感器獲取，經(jīng)調(diào)制和變換后，微控器完成信號補償。傳感器將獲取的信號采集傳輸?shù)角度胧教幚砥?，處理器模塊完成信號處理。管理系統(tǒng)通過RS232 模塊與嵌入式處理器進行數(shù)據(jù)傳輸，智能傳感器的數(shù)據(jù)傳輸由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器完成。智能監(jiān)控系統(tǒng)存儲器通信采取有線傳輸，構(gòu)成主體是智能傳感器終端和控制服務(wù)器，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定但是功耗大、操作復(fù)雜，近幾年信息通信采用RS232 有線接口和信息處理模塊，可以簡化操作流程，降低功耗，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

2 智能傳感器的選擇

圖1 智能傳感器通信結(jié)構(gòu)簡圖

傳感器作為一種感受信息和傳遞信息監(jiān)控裝置，將測量信息直接傳遞控制系統(tǒng)或通信模塊。傳感器作為煤礦監(jiān)測監(jiān)控第一步，其精確度直接影響了煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，目前礦用的傳感器可以分為三種：危險氣體監(jiān)控傳感器如甲烷傳感器、一氧化碳傳感器和煙霧傳感器；溫度傳感器如光纖傳感器；速度傳感器如風(fēng)速傳感器[3-4]。地面設(shè)備布置的傳感器大多集中在運動部件和人機存在交集的區(qū)域。在主扇風(fēng)空氣流動區(qū)域設(shè)置負壓傳感器，風(fēng)扇電機設(shè)置啟停感應(yīng)器，出風(fēng)口設(shè)置風(fēng)門傳感器，輸送機和輸送機筒下風(fēng)側(cè)設(shè)置危險氣體監(jiān)控傳感器。

通過對煤礦地面設(shè)備的各個關(guān)鍵位置進行監(jiān)測，實時監(jiān)控運行溫度。溫度測量可采用熱電偶和光纖傳感器兩種。皮帶輸送設(shè)備必須預(yù)防滾筒摩擦溫升問題，傳統(tǒng)方法采用電偶測量，但是電偶反應(yīng)慢，需要接觸被測物體表面，會出現(xiàn)磨損，且誤差大、壽命短?，F(xiàn)代煤礦企業(yè)采用光纖傳感器進行溫度測量，光纖傳感器的維護成本較高、動態(tài)范圍大、相應(yīng)快且精度高，下頁圖2 為光纖溫度傳感器的測溫系統(tǒng)圖，光纖可以沿著被測物體多點設(shè)置，適用性好，尤其是在地面工作環(huán)境惡劣，作業(yè)面積大，監(jiān)控點和控制室距離遠的煤礦，光纖溫度傳感器的優(yōu)勢更加明顯。當(dāng)滾筒和皮帶間摩擦力生成高溫時，光纖溫度傳感器的“溫度”信號值超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)開始減速或者自動斷電，從而實現(xiàn)對地面設(shè)備的保護。

3 煤礦地面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

煤礦地面監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計沿用成熟的自下而上方法，控制系統(tǒng)硬件由MCU 控制模塊、信息采集模塊、無線通信模塊、信號接口、存儲器和供電電源等組成。主控制MCU 通常為MSP430 單片機，完成對下位機模塊間控制；信息數(shù)據(jù)采集將地面設(shè)備獲取的電壓或電流信號完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，無線通信模塊將信號傳遞至主控MCU；監(jiān)控設(shè)備獲得的傳感器信息、時間和設(shè)備運行狀態(tài)可在LCD 實時顯示；控制系統(tǒng)的時間參考由PCF8563 芯片提供參考；為了修訂和升級系統(tǒng)，專門設(shè)置程序升級的JTAG 接口，串口間信息的交換由RS232 總線完成當(dāng)信息采集，接口較為分散時，控制系統(tǒng)可選用RS485 接口；存儲模塊將地面設(shè)備傳感器獲取信息進行存儲，方便分析和查詢，監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 光纖傳感器測量原理

圖3 硬件結(jié)構(gòu)簡圖

4 煤礦地面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的主程序數(shù)據(jù)采集和主控制兩部分，分別用于傳感器數(shù)據(jù)采集和控制監(jiān)控系統(tǒng)，智能系統(tǒng)的軟件整體流程如圖4 所示。主控MCU 通過無線接向采集部分MCU 發(fā)出采集指令，分布在末端的傳感器測量指令所需的電壓、電流、溫度等信息，并將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成無線信號，發(fā)送數(shù)據(jù)至主控部分。主控MCU 根據(jù)總控制系統(tǒng)指令選取儲存器內(nèi)數(shù)據(jù)，通過RS485 總線完成上傳。當(dāng)無上傳數(shù)據(jù)任務(wù)時，控制程序開始發(fā)出執(zhí)行測量設(shè)備命令，測設(shè)備傳感器將持續(xù)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，并通過無線接收程序發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖4 智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

5 煤礦地面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果的評估

對煤礦地面設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場測量效果與理論數(shù)據(jù)對比可得出：

1）采用系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速監(jiān)測監(jiān)控精度可保持在4%的誤差范圍內(nèi)，可以適用于風(fēng)扇、滾筒等部位的轉(zhuǎn)速監(jiān)測。

2）對光纖溫度傳感器測量，溫度誤差不超過±5%的范圍內(nèi)，可以用于輸送帶等部位的問題監(jiān)控，抗干擾性好，適應(yīng)煤礦地面環(huán)境性強，且傳輸距離遠。

3）系統(tǒng)操作性好，簡單易學(xué)，減少了對工人技能水平的要求，提高了作業(yè)效率。