張國(guó)清

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)信息化中心，山西 大同 037000）

由于煤體本身具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，附著大量瓦斯。在開采、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、加工過程中，煤體中的瓦斯原有平衡狀態(tài)發(fā)生變化，易造成瓦斯逸出，出現(xiàn)安全隱患。因此在煤炭生產(chǎn)（如選煤）過程中，及時(shí)處理瓦斯氣體，尤為重要。解決瓦斯積聚，一方面從源頭考慮，合理規(guī)劃解決煤礦生產(chǎn)過程中的通風(fēng)問題，另一方面運(yùn)用專業(yè)設(shè)備定位瓦斯超限的具體位置，監(jiān)控其濃度，以精準(zhǔn)采取措施避免積聚。

以瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)預(yù)警為主要內(nèi)容的監(jiān)控系統(tǒng)，關(guān)注瓦斯?jié)舛劝l(fā)展過程，快速預(yù)警采取措施，是杜絕瓦斯事故發(fā)生的強(qiáng)有力手段[1]。

1 選煤廠組成及其瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)基本要求

選煤廠作為煤炭生產(chǎn)加工重要組成部分，主要完成井下原煤輸送、清洗處理、產(chǎn)品外運(yùn)等工序。結(jié)合選煤廠生產(chǎn)實(shí)際，當(dāng)煤倉進(jìn)行煤體出入倉時(shí)，瓦斯逸出量較大，因而原煤倉和產(chǎn)品煤倉相對(duì)瓦斯積聚風(fēng)險(xiǎn)較高。在矸石倉、煤泥直接外運(yùn)，瓦斯積聚風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。因此重點(diǎn)需要在選煤廠封閉走廊（含原煤、產(chǎn)品輸送走廊）、封閉廠房，煤倉上下及煤倉內(nèi)安裝瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊膭?dòng)態(tài)監(jiān)控。

作為選煤廠瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該著重考慮以下幾個(gè)因素：

首先，應(yīng)該明確瓦斯傳感器性能、原理等滿足使用要求；其次監(jiān)控點(diǎn)的安裝位置和輻射區(qū)域在滿足安全要求的同時(shí)，應(yīng)從選煤廠生產(chǎn)鏈上進(jìn)行考慮，瓦斯傳感器應(yīng)設(shè)置在儲(chǔ)煤倉口皮帶機(jī)頭等位置，禁止將瓦斯傳感器安裝在通風(fēng)口，以確保數(shù)據(jù)真實(shí)且有代表性。

其次，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備聲光報(bào)警功能，同時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)煤倉風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境瓦斯超過限度時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，應(yīng)同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)功能，保證故障點(diǎn)通風(fēng)正常，降低瓦斯?jié)舛龋瑥亩档捅òl(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

再次，系統(tǒng)應(yīng)注意使用原理不同的傳感器相互搭配，采用冗余設(shè)計(jì)，從而確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和以后拓展的需求。

最后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身應(yīng)注意本安、防火等方面的要求，系統(tǒng)本身不應(yīng)為煤炭洗選鏈條帶來不確定危險(xiǎn)因素[2]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于上述功能要求，設(shè)計(jì)如圖1所示的系統(tǒng)框架圖，全系統(tǒng)分為監(jiān)控層和設(shè)備層兩部分，同時(shí)設(shè)備層的傳感器按照分站進(jìn)行劃分，不同分站又由若干節(jié)點(diǎn)組成，由于傳統(tǒng)黑白催化元件瓦斯傳感器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)存在載體易“中毒”、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，而激光甲烷傳感器抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)精度高，因此使用激光甲烷傳感器作為本系統(tǒng)測(cè)量裝置。當(dāng)某一位置的甲烷傳感器測(cè)量出甲烷濃度超限時(shí)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)CPU發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)在CPU的控制下，控制附近的通風(fēng)電機(jī)進(jìn)行工作，與此同時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)通過CAN總線經(jīng)由分站和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器傳輸至服務(wù)器，以便于后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和緊急控制[3]。

圖1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)框架

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 甲烷傳感電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，甲烷傳感器作為監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，以催化燃燒法為例，其硬件電路包括傳感探頭、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路、CPU、控制電路和輸出電路等。由于傳感器探頭所得到的電壓較小，不能滿足CPU精度的要求，加之小電壓易受外界環(huán)境干擾，因而需要將探頭及電橋由甲烷濃度得到的小電壓進(jìn)行放大，再輸入CPU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，可采用單電源集成放大器AD623。同時(shí)為使系統(tǒng)運(yùn)行誤差降低到最小，采用TL431提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓（2.5 V），有助于A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行精密轉(zhuǎn)換，同時(shí)為實(shí)時(shí)處理信息，還應(yīng)有較快的轉(zhuǎn)換速度[4]。

圖2 瓦斯傳感器基本組成

與上述催化燃燒法甲烷傳感器不同的是，激光甲烷傳感器利用激光在不同濃度甲烷氣體中吸收規(guī)律，對(duì)甲烷濃度做出判斷，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出激光，經(jīng)被測(cè)甲烷氣體后由光電轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)檢測(cè)，經(jīng)由放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路等實(shí)現(xiàn)甲烷濃度測(cè)量和信號(hào)輸出。

瓦斯?jié)舛葌鞲衅魇褂玫倪^程中應(yīng)盡量避免火花、電弧的產(chǎn)生，因此本方案選擇用紅外遙控的方式來調(diào)節(jié)傳感器而非按鍵操作。遙控的基本思想：紅外接收器在接收到遙控發(fā)出的編碼后，送給單片機(jī)并對(duì)其進(jìn)行解碼，而后對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并發(fā)出控制信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)操作。利用遙控器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的零點(diǎn)修正、精度調(diào)整及報(bào)警值、斷電值的設(shè)置。

3.2 輸出電路及通信電路設(shè)計(jì)

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，當(dāng)傳感器所處位置的瓦斯?jié)舛瘸^設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)應(yīng)輸出斷電信號(hào)，而在采取相應(yīng)措施、濃度降低到一定值時(shí)，則應(yīng)該恢復(fù)相關(guān)設(shè)備的供電。報(bào)警、斷電及供電時(shí)對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛?，視傳感器具體安裝位置而定。

要實(shí)現(xiàn)上述功能，方案采用單片機(jī)的IO端口控制開關(guān)量輸出，但由于單片機(jī)的I/O口不足以驅(qū)動(dòng)報(bào)警斷電設(shè)備，故需增加驅(qū)動(dòng)芯片ULN2004A，其每片封裝7個(gè)達(dá)林頓管，每個(gè)管的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)500 mA（最高可達(dá)600 mA），輸出電壓50 V，為感性負(fù)載集成了抑流二極管，對(duì)于較大電流，可以輸出并接使用，便于驅(qū)動(dòng)輸出電機(jī)。

為確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)安全、快速傳輸，克服外界信號(hào)干擾，系統(tǒng)使用CAN總線完成數(shù)據(jù)傳輸，其電路如圖3所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)CPU完成當(dāng)前數(shù)據(jù)采集后，通過CAN通信接口芯片MCP2515完成標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀打包，完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)，并通過電平轉(zhuǎn)換芯片TJA1050完成TTL至CAN的電平轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)收發(fā)無誤，并經(jīng)由分站傳輸至數(shù)據(jù)分析模塊，完成人機(jī)交互。

圖3 CAN通信電路設(shè)計(jì)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)工作流程

為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作，確定如圖4所示的主站系統(tǒng)工作流程。系統(tǒng)上電完成后，首先由子節(jié)點(diǎn)讀取存儲(chǔ)區(qū)有關(guān)報(bào)警信息等重要內(nèi)容，而后完成系統(tǒng)瓦斯?jié)舛扰袛?，?dāng)系統(tǒng)濃度大于設(shè)定閾值時(shí)，需要執(zhí)行斷電功能，通風(fēng)電機(jī)啟動(dòng)，直至瓦斯?jié)舛认陆?，此時(shí)恢復(fù)通電；在執(zhí)行上述動(dòng)作同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)此時(shí)接收到分站的數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，發(fā)送相關(guān)指令；或者CPU接收到遙控器或地面系統(tǒng)的指令時(shí)，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的遙控器指令，并將看門狗清零，以確保下一階段新任務(wù)的順利完成。

圖4 系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)

同時(shí)對(duì)于儲(chǔ)煤倉風(fēng)機(jī)系統(tǒng)來說，為確保瓦斯能夠及時(shí)排出，在首次發(fā)生瓦斯超限事件（走廊濃度超過0.3%或者煤倉濃度超過0.4%）時(shí)，啟動(dòng)一臺(tái)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行排風(fēng)；若通風(fēng)設(shè)備投入后，瓦斯?jié)舛纫廊簧仙瑒t投入所有設(shè)備，當(dāng)濃度持續(xù)上升至1%時(shí)，關(guān)閉洗選主設(shè)備，直至危險(xiǎn)解除，方可恢復(fù)正常生產(chǎn)[5]。

4.2 提高系統(tǒng)精度的措施

在傳感器實(shí)際使用的過程中，如果在采集濃度后，直接在顯示器進(jìn)行顯示，會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差，且單片機(jī)等硬件設(shè)備在運(yùn)行過程中除了元器件自身的差異外也會(huì)受到環(huán)境的隨機(jī)干擾，故而在濃度數(shù)據(jù)采集后應(yīng)進(jìn)行必要的的處理。本方案中采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方法，對(duì)n次結(jié)果取均值，以減少隨機(jī)誤差，達(dá)到數(shù)字濾波、防止傳感器誤報(bào)警和提高設(shè)備可靠性的效果。本方案中，n取5。

均值濾波優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，因其值上下浮動(dòng)，會(huì)有比較好的濾波效果；不足在于當(dāng)測(cè)量的速度較慢或者對(duì)系統(tǒng)整體的快速性要求較高時(shí)，不適用，浪費(fèi)單片機(jī)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的空間，因而采用均值濾波法還是較為恰當(dāng)。

5 結(jié)語

在研究選煤廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和傳感器原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩層結(jié)構(gòu)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，其核心是保證單個(gè)傳感器測(cè)量精準(zhǔn)，利用激光甲烷傳感器，實(shí)現(xiàn)同一節(jié)點(diǎn)的甲烷濃度監(jiān)控，同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行差異化調(diào)整，確保瓦斯?jié)舛仍诎踩秶畠?nèi)。

目前本系統(tǒng)已在馬脊梁礦選煤廠投入運(yùn)行，該系統(tǒng)對(duì)煤倉瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確，上位機(jī)界面簡(jiǎn)潔，可操作性強(qiáng)，對(duì)風(fēng)機(jī)的速度控制快速，降低了人工投入，在保證系統(tǒng)安全的前提下，最大限度地降低對(duì)生產(chǎn)的影響，有效提高了選煤廠的生產(chǎn)效率和安全性，具有一定的借鑒意義。