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)
隨著中國經濟與社會的發(fā)展,現(xiàn)代化控制、監(jiān)測與網絡技術逐漸應用到煤炭的生產管理過程中,不僅提高了作業(yè)人員工作環(huán)境與生產效率,而且有效地保障了煤礦的生產安全[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、調度,解決了現(xiàn)場數(shù)據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)據信號與圖像信息,利用網絡技術將安全監(jiān)控系統(tǒng)更緊密的融合,實現(xiàn)設備互聯(lián)、數(shù)據共享與統(tǒng)一管理。
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,通過以太網實現(xiàn)數(shù)據共享與協(xié)調管理,經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)據的歷史數(shù)據存儲功能與實時數(shù)據傳輸功能,以曲線圖和數(shù)據列表的形式直觀呈現(xiàn);安全預警功能:根據礦井生產實際,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:根據系統(tǒng)存儲容量,監(jiān)測數(shù)據可保存5 年,5 年內的各項詳細數(shù)據都可通過系統(tǒng)調用,5 年后詳細數(shù)據清除,只保留數(shù)據處理結果及部分圖表信息。
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。
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,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 芯片的內核為ARM920T,具有功耗低,性能高的優(yōu)點,提供豐富的片內外設,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,可通過編程調試傳輸速率,支持 JTAG 和 ARM 串口調試[6-7]。
S3C2440A 芯片所需的供電電壓不同,內核供電電壓為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??紤]井下供電電壓為AC127 V,在輸入電源電路之前,首先應經過電源轉換器,將AC 127 V 電壓轉換為DC 15 V 電壓。分站電源電路選用LM2576 轉換芯片,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
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]。
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行信號轉換,本文所設計的信號轉換電路如圖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 信號轉換電路設計
軟件系統(tǒng)選定Linux 操作系統(tǒng),具有穩(wěn)定內核,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)據采集,以每隔30 s 為一個循環(huán),檢測井下環(huán)境數(shù)據與機電設備工作參數(shù)。數(shù)據采集完成后執(zhí)行數(shù)據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
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。