秦錦東

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦安監(jiān)站， 山西 大同 037000）

引言

隨著中國經(jīng)濟與社會的發(fā)展，現(xiàn)代化控制、監(jiān)測與網(wǎng)絡技術逐漸應用到煤炭的生產(chǎn)管理過程中，不僅提高了作業(yè)人員工作環(huán)境與生產(chǎn)效率，而且有效地保障了煤礦的生產(chǎn)安全[1-2]。礦井地下環(huán)境復雜且惡劣，機電設備種類豐富，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理不到位，可能導致災難事故的發(fā)生[3]。隨著技術的改革創(chuàng)新，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，由最初只能滿足局部監(jiān)測需求，到現(xiàn)在可以實現(xiàn)對井下環(huán)境全方位的監(jiān)測、調(diào)度，解決了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸與采集處理問題[4-5]。以嵌入式系統(tǒng)為核心，建立礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感器等設備采集無線數(shù)據(jù)信號與圖像信息，利用網(wǎng)絡技術將安全監(jiān)控系統(tǒng)更緊密的融合，實現(xiàn)設備互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享與統(tǒng)一管理。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體研究設計

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)整體可以分為井上部分與井下部分，井下又可以分為監(jiān)控分站和監(jiān)控終端設備兩部分（如圖1 所示）。井上部分包括遠程監(jiān)控設備與PC 端及其輔助設備等，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與協(xié)調(diào)管理，經(jīng)過大屏幕顯示各工作面與工作場所的情況。監(jiān)控分站是基于ARM 處理器的嵌入式設備，負責無線終端設備與攝像頭等設備的信號采集功能和數(shù)據(jù)處理功能。傳感器部分包括瓦斯傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器與設備啟停傳感器等，負責采集工作面的環(huán)境信號與設備的工作信號等。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結構設計

系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能可分為安全監(jiān)測功能：通過傳感器設備，用戶可查詢各監(jiān)測點的溫度、濕度、瓦斯?jié)舛扰c風速等參數(shù)，提供各項數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)存儲功能與實時數(shù)據(jù)傳輸功能，以曲線圖和數(shù)據(jù)列表的形式直觀呈現(xiàn)；安全預警功能：根據(jù)礦井生產(chǎn)實際，可設計各監(jiān)測點參數(shù)的報警闕值，通?？稍O計三級范圍（正常、一般預警，嚴重預警）；視頻監(jiān)控功能：在各工作場所、巷道內(nèi)安裝攝像頭，通過大屏幕實時顯示圖像，代替人工巡檢，節(jié)約勞動成本；人員定位與調(diào)度功能：通過監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)各采區(qū)、工作面的宏觀人數(shù)調(diào)控；用戶管理功能：系統(tǒng)設置有不同的等級權限，分為管理人員賬戶與普通人員賬戶，分別對不同賬戶提供相應的服務與權限，保證訪問的安全性；存儲管理功能：根據(jù)系統(tǒng)存儲容量，監(jiān)測數(shù)據(jù)可保存5 年，5 年內(nèi)的各項詳細數(shù)據(jù)都可通過系統(tǒng)調(diào)用，5 年后詳細數(shù)據(jù)清除，只保留數(shù)據(jù)處理結果及部分圖表信息。

2 監(jiān)控分站硬件設計

監(jiān)控分站基于嵌入式設備，建立井上與井下通信的樞紐，具體設計包括：分站處理器選型、分站電源電路設計、傳感器設備選型與信號采集電路設計。

2.1 ARM 處理器選型

分站主芯片負責信號的采集處理、CAN 通信、液晶顯示、接收PC 機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并發(fā)出相應的控制指令等功能，結合系統(tǒng)需求與市場ARM 處理器性能分析，本系統(tǒng)選用三星公司的S3C2440A 為監(jiān)控分站的主控芯片。S3C2440A 芯片的內(nèi)核為ARM920T，具有功耗低，性能高的優(yōu)點，提供豐富的片內(nèi)外設，具有優(yōu)秀的集成功能。S3C2440A 芯片具有512KB ROM 存儲，集成4KB 片上EEPROM，包含有兩個CAN 控制器，兼容性能好，可通過編程調(diào)試傳輸速率，支持 JTAG 和 ARM 串口調(diào)試[6-7]。

2.2 分站電源電路設計

S3C2440A 芯片所需的供電電壓不同，內(nèi)核供電電壓為1.8 V，儲存器與I/O 口工作電壓為3.3 V，CAN 通信模塊電壓為5 V，繼電器輸入電壓為12 V，所以分站電源電路需輸出四組不同的電壓源。考慮井下供電電壓為AC127 V，在輸入電源電路之前，首先應經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換器，將AC 127 V 電壓轉(zhuǎn)換為DC 15 V 電壓。分站電源電路選用LM2576 轉(zhuǎn)換芯片，輸入電壓范圍DC 7 V 至DC 40 V，可提供3 A 的穩(wěn)定電流。分站電源電路如圖2 所示，由LM2576 芯片輸出5 V 電壓，7812 芯片輸出12 V 電壓，LM1117輸出 3.3 V 電壓，SPX1117 輸出 1.8 V 電壓。

圖2 監(jiān)控分站電源電路設計

2.3 傳感器選型

傳感器作為礦井環(huán)境參數(shù)與機電設備工作參數(shù)的采集設備，采集數(shù)據(jù)的精確性將直接關系到系統(tǒng)的可靠性與安全性。本系統(tǒng)所選用的傳感器注重信號的采集精度、處理能力與傳輸速度。

瓦斯傳感器選用采用KGJ16B 型智能隔爆傳感器，KGJ16B 型瓦斯傳感器可檢測礦井巷道中的瓦斯含量，具有結構簡單、安裝方便、測試精度高等特點。傳感器配有遙控器，可實現(xiàn)遠距離的調(diào)零與控制，輸出模擬型號。測量進風巷中瓦斯?jié)舛葧r，傳感器應安裝于距離通風口5 m 左右；測量回風巷瓦斯?jié)舛葧r，傳感器應安裝于距離通風口12 m 左右。選用BWZDJ 隔爆傳感器作為溫度傳感器，測量范圍為0～200 ℃，測量精度為±0.1%，輸入電源電壓5 V，電流5 mA。系統(tǒng)選用DHT1 數(shù)字式濕度傳感器，采用電阻式感濕元件與8 位單片機結構，具有體積小、響應快、傳輸距離遠等優(yōu)點。系統(tǒng)選用KG3088 型隔爆風速傳感器測量礦井巷道內(nèi)通風風速，工作環(huán)境溫度范圍為0～50 ℃，工作大氣壓力為85～110 kPa，可測量的風速范圍為0～15.0 m/s，測量精度為±0.5%，輸入供電直流電源電壓12～18 V[8]。

2.4 信號采集電路設計

傳感器輸出的信號為電流信號，處理器所能處理的信號為電壓信號，所以采集信號傳輸?shù)捞幚砥髦埃枰M行信號轉(zhuǎn)換，本文所設計的信號轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示，包括有兩個放大器和一個隔離光耦，以實現(xiàn)對井下環(huán)境信號的電氣隔離，保證信號的準確性。圖中的電容C8 是為了濾波，去除信號的毛刺。

圖3 信號轉(zhuǎn)換電路設計

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)選定Linux 操作系統(tǒng)，具有穩(wěn)定內(nèi)核，滿足軟件開發(fā)環(huán)境。分站軟件工作流程圖如圖4 所示，系統(tǒng)各模塊初始化與自檢后，傳感器預熱10 s，開始數(shù)據(jù)采集，以每隔30 s 為一個循環(huán)，檢測井下環(huán)境數(shù)據(jù)與機電設備工作參數(shù)。數(shù)據(jù)采集完成后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序與存儲程序，將處理結果與系統(tǒng)設定閾值相比較，判斷井下環(huán)境狀態(tài)，并設置相應等級與應對措施，及時向井下工作人員發(fā)送安全警告。

圖4 系統(tǒng)分站軟件工作流程圖

4 結論

1）設計的安全監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為核心，具有較強的開放性與伸縮性，支持二次開發(fā)，充分發(fā)揮硬件與軟件資源，具有更好的適應性與移植性。

2）該安全監(jiān)控系統(tǒng)體積小、操作簡單，不需要用戶過多地干預，具有友好的圖形界面。