孫建兵

（華陽集團(tuán)三礦，山西 陽泉 045008）

引言

在各種煤炭行業(yè)的災(zāi)難事故中瓦斯爆炸是最嚴(yán)重、影響最大、傷亡率最高的災(zāi)害。在中國，瓦斯爆炸導(dǎo)致的大型事故和死亡人數(shù)分別占煤礦總事故和死亡人數(shù)的66.52%和68.72%[1]。由此可見，預(yù)防瓦斯爆炸災(zāi)害是煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)最重要的環(huán)節(jié)，而瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)在防止煤礦事故中發(fā)揮著重要作用。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

目前，國內(nèi)的煤礦安全檢測系統(tǒng)均采用集散型結(jié)構(gòu)，監(jiān)控系統(tǒng)大致可以分為四種方案，本文采用的是最新的檢測系統(tǒng)方案，即基于工業(yè)以太網(wǎng)的檢測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于工業(yè)以太網(wǎng)的檢測系統(tǒng)具有點(diǎn)如下特點(diǎn)：一是可實(shí)現(xiàn)一體化網(wǎng)絡(luò)，不同設(shè)備商家通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議即可互聯(lián)，方便、快捷、開放；二是隨著以太網(wǎng)的開放性以及技術(shù)的日漸成熟，用戶可以選擇更多的檢測設(shè)備以及軟件開發(fā)環(huán)境，即擁有更多的選擇權(quán)；三是以太網(wǎng)有較高的通訊速率，具有較大的發(fā)展空間。

在井下分布著網(wǎng)速為100 Mbps的互聯(lián)網(wǎng)，并將此互聯(lián)網(wǎng)作為監(jiān)測系統(tǒng)的核心，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率以及穩(wěn)定性至關(guān)重要。本監(jiān)測系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)交換機(jī)、地面監(jiān)控、阻燃光纜等部分組成。其中環(huán)型光纖網(wǎng)是根據(jù)監(jiān)控的礦區(qū)面積來安裝設(shè)備，本方案通過主干網(wǎng)的互聯(lián)來構(gòu)成以遠(yuǎn)程計算機(jī)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)。

2 瓦斯傳感器的設(shè)計

2.1 瓦斯傳感器的原理

本文所設(shè)計的瓦斯傳感器部分原理如圖2 所示。

圖2 瓦斯光傳感器系統(tǒng)原理圖

此設(shè)計是基于氣體的光譜吸收原理[2]，與黑白原件的瓦斯傳感器相比具有測量度高、穩(wěn)定、使用壽命長等特點(diǎn)。光纖瓦斯傳感器在正常使用的情況下，調(diào)校周期大約可以維持1～3 個月，故光纖瓦斯傳感器可以節(jié)省大量人力。在光纖傳感器內(nèi)部有輻射的紅外線光源，控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)包括大量數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及通訊、數(shù)據(jù)處理模塊。

本文設(shè)計利用TDLAS 技術(shù)測量氣體的體積分?jǐn)?shù)。在實(shí)際應(yīng)用過程中需要將高頻電流注入到激光二極管中，可以對氣體所吸收的微弱的光譜進(jìn)行調(diào)制，改變其波長，使得氣體信息更容易被捕捉到。由于諧波干擾以及噪聲干擾，本文通過鎖相放大技術(shù)來獲取氣體濃度信息的諧波信號，進(jìn)而來抑制外部的干擾，提高檢測的靈敏度。本文的靈敏度可以達(dá)到ppm 等級。

2.2 光電轉(zhuǎn)換部分

由于在監(jiān)測控制系統(tǒng)中均是以電信號進(jìn)行信息的傳播與控制，但是氣室中只能產(chǎn)生光信號，因此就需要模塊將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，而光電轉(zhuǎn)換部分即為光電二極管。光信號通過光電二極管后即可變?yōu)殡娦盘?，轉(zhuǎn)換后的電流信號很小，需要進(jìn)行前置放大。前置放大器的核心為運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器的性能會直接影響前置放大器的性能。

本文所采用的運(yùn)算放大器為TLC2272 雙運(yùn)算放大器，其工作參數(shù)如表1 所示。

表1 TLC2272 雙運(yùn)算放大器工作參數(shù)表

2.3 紅外遙控

本文設(shè)計的檢測裝置具有警報功能，可以使用遙控器來設(shè)定傳感器的報警點(diǎn)。由于傳感器的外包裝無法被打開來操作，需要設(shè)計紅外遙控收發(fā)裝置。

遠(yuǎn)程遙控器和遠(yuǎn)程接收器是紅外遙控裝置的主要組成部分。遙控接收器對信號進(jìn)行檢測和放大，最后解調(diào)出編碼脈沖，在發(fā)射部分采用NB9148 芯片作為遙控發(fā)射裝置。在紅外接收部分采用H20038作為接收組件，其內(nèi)部含有紅外發(fā)生裝置、放大模塊、解調(diào)模塊。在濾波環(huán)節(jié)采用NB9149，其作用是濾除38 kHz的載波信號，進(jìn)而得到輸入信號的調(diào)制信號。

2.4 系統(tǒng)軟件

本文所設(shè)計的系統(tǒng)采用S3C44BOX 處理器[3]，其中集成了電源控制器、計數(shù)器、存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等大量外設(shè)控制器。S3C44BOX 處理器相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表2 S3C44BOX 處理器相關(guān)參數(shù)

本處理器可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）產(chǎn)生調(diào)制斜波；

2）對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；

3）可將方波轉(zhuǎn)換為光源驅(qū)動所需要的高頻正弦波和鎖相放大器所需要的參考信號；

4）完成傳感器報警點(diǎn)的存儲和設(shè)定；

5）輸出特定的高頻信號（200～1 000 Hz）。

3 監(jiān)測分站的設(shè)計

3.1 監(jiān)測分站工作原理

井下監(jiān)控分站是煤礦井下瓦斯檢測系統(tǒng)的核心，因此監(jiān)測分站可靠性以及穩(wěn)定性直接決定了煤礦井下安全系統(tǒng)能否正常運(yùn)行[4]。監(jiān)測分站的工作大致分成兩個方面：一方面是通過分站所連接的傳感器來通信，另一方面是通過該部分連接瓦斯傳感器與地面控制中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)瓦斯傳感器與地面中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸。煤礦井下監(jiān)測分站的功能框架圖如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測分站整體框架圖

其中監(jiān)測分站的核心是基于單片機(jī)的中央處理單元，中央處理單元主要負(fù)責(zé)處理每個子傳感器所接收到的數(shù)據(jù)，它既可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入通道的切換，又可以控制信號的類型。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，如果出現(xiàn)系統(tǒng)電壓失穩(wěn)或軟件程序在運(yùn)行階段出現(xiàn)問題，則系統(tǒng)會發(fā)送出危險信號，同時“看門狗”電路會立刻向中央處理器模塊發(fā)出警報，要求監(jiān)測分站復(fù)位，進(jìn)而保障安全監(jiān)測分站的穩(wěn)定運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集模塊采集來自于監(jiān)測分站的信號，此模塊應(yīng)該直接與井下數(shù)據(jù)采集傳感器進(jìn)行通信。在數(shù)據(jù)采集模塊中，為使得工作效率最大化，在模塊中安裝了8 個通道，因此可以使得井下8 個數(shù)據(jù)同時被檢測。煤礦井下監(jiān)測分站會由于傳輸器輸出型號的不同，而導(dǎo)致接收到頻率型和非頻率型兩種制式的信號。其中，頻率型信號經(jīng)過整形可以被單片機(jī)接收，非頻率型信號進(jìn)行相應(yīng)的變換后才可以被中央處理單元接收。

智能監(jiān)測分站在信號傳輸過程中采用RS485通信方式，信號在處理電路中會被驅(qū)動、放大、整形等，最后被處理后上傳至地面中心站。

3.2 監(jiān)測分站功能

本文所設(shè)計的檢測分站具有如下功能：

1）傳感器將井下的瓦斯?jié)舛刃盘柹蟼鞯街悄鼙O(jiān)測分站中，進(jìn)而對濃度信號進(jìn)行實(shí)時的分析處理；

2）礦井下的分站具有獨(dú)立的初始化能力，每個分站都可以獨(dú)立地將檢測到的信號上傳到地面的控制中心，再由中心站對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；

3）監(jiān)測分站在接收到危險信號的情況下，仍然可以進(jìn)行控制。

3.3 監(jiān)測分站的硬件與軟件

在智能監(jiān)測分站中，硬件是功能實(shí)現(xiàn)的核心。對于硬件部分的設(shè)計，其中中央處理器是由三星公司設(shè)計的S3C44BOX 處理器，采用32 位精簡指令集。存儲器模塊是SDRAM以及Flash 兩種存儲器，鑒于經(jīng)濟(jì)性考慮，采用AM29LV1608 作為Flash 存儲器的芯片，采用HY57V561620的芯片作為SDRAM。

對于軟件部分的設(shè)計，首先需要對與中央處理器所連接的硬件進(jìn)行初始化，然后利用驅(qū)動控制芯片創(chuàng)建操作系統(tǒng)的工作環(huán)境，最后建立數(shù)據(jù)的實(shí)時通信。整個過程需要利用定時器來啟動。

4 結(jié)論

基于光纖傳感的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，采用基于氣體光譜吸收原理的光纖瓦斯傳感器，傳感器與系統(tǒng)監(jiān)控分站連接通信，每個分站都可以獨(dú)立地將檢測到的信號上傳到地面的控制中心，再由中心站對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以有效防止瓦斯爆炸所帶來的嚴(yán)重?fù)p害。