張曉峰

（中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X礦，山西 河津 043300）

粉塵是煤礦五大自然災(zāi)害之一，煤塵爆炸不僅會(huì)導(dǎo)致井毀人亡惡性事故的發(fā)生，長(zhǎng)期吸入呼吸性粉塵將造成塵肺病，給井下工作人員的身心健康造成極大的傷害[1]。由于井下噴霧防塵點(diǎn)多、設(shè)施分布零散、水質(zhì)條件差、噴頭易堵塞等原因，維護(hù)檢修工作量極大，不僅難以實(shí)施有效監(jiān)管，無(wú)法保障井下各防塵降塵噴霧裝置的正常運(yùn)行，粉塵危害也得不到有效控制，給煤礦安全生產(chǎn)和礦工身體健康帶來(lái)重大隱患[2]。為此，結(jié)合王家?guī)X煤礦的礦井特點(diǎn)，開(kāi)展了該礦井中防塵監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，通過(guò)在礦井中進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

1 防塵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)礦井中結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了防塵監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)[3]：

（1）通過(guò)井下以太網(wǎng)組建綜合防塵網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可以根據(jù)相應(yīng)區(qū)域的粉塵傳感器的采集數(shù)據(jù)自動(dòng)控制。

（2）系統(tǒng)在地面可對(duì)井下各防塵噴霧點(diǎn)進(jìn)行噴霧時(shí)段、噴霧灑水量、防降塵區(qū)域粉塵、圖像數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置和管理。

（3）系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和使用性能符合煤礦井下防降塵工作的實(shí)際需求，零部件選型以國(guó)產(chǎn)、通用為主。

（4）采用耗水少、霧化效果好的扇形強(qiáng)霧噴頭技術(shù)，在確保防降塵效果的同時(shí)合理控制噴霧灑水量。

1.2 防塵監(jiān)控總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合王家?guī)X煤礦礦井特點(diǎn)，開(kāi)展了該煤礦中防塵監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。全礦井綜合防塵監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面采集監(jiān)控計(jì)算機(jī)、WEB 服務(wù)器等組成。其中，主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)所屬分站的控制、校時(shí)、狀態(tài)查詢及參數(shù)設(shè)置命令，并將命令分解給所屬分站執(zhí)行；采集所屬噴霧控制分站的圖片和狀態(tài)等信號(hào)，匯總并傳送至上位機(jī)系統(tǒng)[4]。此系統(tǒng)的PC 機(jī)直接安裝在調(diào)度室，CPU：奔4/2.8 G以上；內(nèi)存：4 GB；硬盤：1 T；顯示器采用GA、SVGA 或支持桌面操作系統(tǒng)的任何圖形。同時(shí)，防塵監(jiān)控主站控制箱設(shè)計(jì)采用32 位ARM7TDMI-STM內(nèi)核的LPC2212-CPU 作為控制核心，利用VC++.net 軟件進(jìn)行軟件編輯設(shè)計(jì)。整個(gè)防塵監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖如圖1。

圖1 整個(gè)防塵監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 噴霧網(wǎng)絡(luò)控制主站設(shè)計(jì)

噴霧網(wǎng)絡(luò)控制主站是此防塵監(jiān)控系統(tǒng)中的主要模塊，該模塊系統(tǒng)主站由光纖收發(fā)器、路由器等部分組成。該噴霧控制主站的工作電壓AC127 V（+15%～ -20%），50 Hz，功率消耗≤35 W，CPU 型號(hào)為32 位LPC2212，通訊方式為RS485。主站控制箱設(shè)計(jì)采用32 位ARM7TDMI-STM 內(nèi)核的LPC2212-CPU 作為控制核心，選用512K*16 位RAM /STC62WV512 芯片存儲(chǔ)分辨率為640×480的圖像，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[5]。噴霧網(wǎng)絡(luò)控制主站的框架圖如圖2。

圖2 噴霧網(wǎng)絡(luò)控制主站的框架圖

2.2 分站硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴霧網(wǎng)絡(luò)控制分站硬件系統(tǒng)主要由電路主板、485 接口、粉塵傳感器、濕度傳感器、圖像傳感器、防爆電動(dòng)閥、菲尼爾紅外線傳感器、開(kāi)關(guān)電源、防爆機(jī)殼等部分組成。分站采用Winbond 華邦8 位雙串口單片微控制器 W77E58 作為控制主芯片，用于采集圖片傳感器的實(shí)時(shí)圖片和RS485 通信，采用美信公司的DS1302+電池作為日歷時(shí)鐘芯片，當(dāng)分站系統(tǒng)因故斷電時(shí)，日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)不丟失，確保分站恢復(fù)斷電后按照預(yù)設(shè)時(shí)間噴霧，確保整個(gè)系統(tǒng)的噴霧運(yùn)行。采用X5045 作為系統(tǒng)的看門狗和參數(shù)保存，外擴(kuò)64K RAM 用于存放數(shù)據(jù)。分站硬件系統(tǒng)的連接示意圖如圖3。

圖3 分站硬件系統(tǒng)的連接示意圖

2.3 地面系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地面系統(tǒng)軟件分為兩大部分：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)客戶端部分。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控部分運(yùn)行于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控服務(wù)器上，負(fù)責(zé)與井下系統(tǒng)的通信、監(jiān)控、圖像數(shù)據(jù)的WEB 發(fā)布以及進(jìn)行相關(guān)的噴霧測(cè)試。設(shè)計(jì)軟件模塊包括：通信模塊、存儲(chǔ)模塊、測(cè)試模塊、發(fā)布模塊、管理模塊及監(jiān)控模塊等。其中，存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)相關(guān)的監(jiān)控圖像、運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)；監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)與顯示監(jiān)控圖像。另外，該模塊軟件開(kāi)發(fā)工具采用VC++.net 編制設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)客戶端部分采用VC++ 6.0 JavaScript 編制設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用Microsoft Access 編制設(shè)計(jì)。地面系統(tǒng)軟件模塊的總體框架圖如圖4。

圖4 地面系統(tǒng)軟件模塊的總體框架圖

2.4 系統(tǒng)中主站軟件設(shè)計(jì)

噴霧網(wǎng)絡(luò)控制主站軟件的設(shè)計(jì)采取的通信優(yōu)先原則，采用LPC2212 的雙串口，各串口之間采用RS232 驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)上行通信用于和地面監(jiān)控采集PC 的通信，下行通信用于和噴霧分站的通信[6]。中斷采用嵌套技術(shù)設(shè)計(jì)，高優(yōu)先級(jí)中斷屏蔽低先級(jí)中斷，可以提高噴霧監(jiān)控主站的CPU 使用效率和通信任務(wù)間的切換效率。系統(tǒng)的主站軟件流程圖如圖5。

圖5 系統(tǒng)中主站軟件流程圖

3 防塵監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證此礦井中防塵監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能，在王家?guī)X煤礦中進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試周期為4 個(gè)月。在測(cè)試過(guò)程中，此系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)視煤礦井下區(qū)域、地段的降塵效果和噴霧防塵裝置的工作狀況，并將井下防塵區(qū)域?qū)崟r(shí)圖像傳送至地面，地面調(diào)度室和相關(guān)職能部門實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)監(jiān)視井下各噴霧防塵點(diǎn)的工作狀態(tài)和噴霧效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)防降塵點(diǎn)開(kāi)啟/關(guān)閉噴霧的直接控制。同時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，整個(gè)噴霧及降塵相關(guān)設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化遠(yuǎn)程操作和控制，無(wú)人員進(jìn)行設(shè)備的操作及控制。通過(guò)對(duì)礦井中粉塵濃度的監(jiān)測(cè)可知，噴霧降塵后，礦井的粉塵濃度達(dá)標(biāo)，降塵效果相對(duì)較好。據(jù)人員評(píng)價(jià)，該防塵監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，使得礦井中相關(guān)維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度降低80%，作業(yè)人員也大大減少，礦井的安全系數(shù)提高了3 倍以上，整體達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

建立全礦井綜合防塵監(jiān)控系統(tǒng)，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化控制方式、粉塵傳感器及超細(xì)霧化噴頭等先進(jìn)技術(shù)措施和裝置，成為當(dāng)前礦井中智能化防塵監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的重要方向。為此，以王家?guī)X煤礦為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)防塵監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，開(kāi)展了該煤礦中智能化防塵監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)的研究。通過(guò)對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，得出該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行良好，能更加智能化地對(duì)礦井中進(jìn)行自動(dòng)噴霧降塵操作，并通過(guò)顯示界面進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，提高了礦井中的安全系數(shù)，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。