王若楠,郭 剛,李 奕,謝曉東,楊鵬里

(山西大同大學(xué) a.煤炭工程學(xué)院,b.教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)中心,山西 大同 037003)

隨著煤礦井下開(kāi)采的發(fā)展,井下巷道眾多,由于礦井停電檢修、臨時(shí)停掘或其他原因造成盲巷[1]。盲巷是礦井中只有一個(gè)通道且未通風(fēng)的巷道,對(duì)于井下產(chǎn)生的盲巷管理應(yīng)立即切斷盲巷內(nèi)的電源,設(shè)置柵欄、揭示標(biāo)語(yǔ)、禁止人員進(jìn)入。在盲巷內(nèi)部存在大量瓦斯和有毒有害氣體,如果缺乏對(duì)盲巷的管理,極容易導(dǎo)致人員窒息、人員中毒和瓦斯爆炸等事故發(fā)生[2-3]。若盲巷內(nèi)CH4或者CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3%,或者其他有毒有害氣體含量超標(biāo)不能立即處理的,需要在24 h內(nèi)封閉。在盲巷中,為了避免發(fā)生安全事故,未密閉的盲巷需要有專門的瓦斯檢查員每天進(jìn)行巡檢柵欄質(zhì)量,以及巷道內(nèi)的瓦斯、CO2含量等環(huán)境參數(shù)并記錄入冊(cè)。密閉的盲巷需要一周至少一次巡檢[4],極大的浪費(fèi)了人力資源。

數(shù)字和高清設(shè)備的普及,促進(jìn)了視頻監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展。近年來(lái),由于監(jiān)管不及時(shí)、礦工安全意識(shí)不強(qiáng)、礦工操作不規(guī)范等導(dǎo)致的煤礦安全事故時(shí)有發(fā)生。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況并進(jìn)行預(yù)警,煤礦的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要[5-6]。在煤礦安全生產(chǎn)和管理中,已經(jīng)開(kāi)始積極運(yùn)用視頻監(jiān)控系統(tǒng)。如,井下變電所、運(yùn)煤皮帶和巷道處,周邊電纜交錯(cuò)、環(huán)境昏暗、安全事故時(shí)有發(fā)生。但現(xiàn)有的井下監(jiān)控系統(tǒng)大多針對(duì)井下生產(chǎn)環(huán)節(jié)、重要設(shè)備處、重要工作區(qū)域,針對(duì)盲巷這種非工作區(qū)域監(jiān)控較少,甚至沒(méi)有。

針對(duì)以上不足之處,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),要考慮到盲巷內(nèi)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控以及井下人員的違規(guī)入侵。建立煤礦井下盲巷智能監(jiān)控系統(tǒng),針對(duì)盲巷監(jiān)控的不便利、不實(shí)時(shí),研究預(yù)防對(duì)策,可為煤礦井下盲巷監(jiān)控升級(jí)改造提供參考。

1 煤礦井下盲巷智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)使用SIMATIC S7-1200主要控制器,以及其編程軟件、力控組態(tài)軟件,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)集井下盲巷內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè),盲巷內(nèi)人員流動(dòng)監(jiān)控,以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)視和故障預(yù)警的智能監(jiān)控系統(tǒng),使其達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、無(wú)人巡檢的功能。智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠直觀地顯示盲巷內(nèi)環(huán)境參數(shù)超標(biāo)預(yù)警的動(dòng)畫畫面,將井下盲巷內(nèi)的環(huán)境參數(shù)采集,形成數(shù)據(jù)報(bào)表、實(shí)時(shí)曲線圖和歷史曲線圖[7-8],提供系統(tǒng)運(yùn)行分析參考。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了環(huán)境參數(shù)超標(biāo)報(bào)警和井下人員入侵警戒區(qū)域報(bào)警功能,系統(tǒng)聲光報(bào)警信號(hào)同時(shí)報(bào)警,提示監(jiān)控室的管理人員。

2 井下盲巷智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

如圖1所示,井下盲巷網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控層、傳輸層、控制設(shè)備層構(gòu)成。監(jiān)控層由上位機(jī)監(jiān)控電腦、大屏幕顯示器、打印機(jī)構(gòu)成,可以實(shí)現(xiàn)管理人員對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控;上位機(jī)安裝力控組態(tài)軟件,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層的動(dòng)畫運(yùn)行、監(jiān)視功能和遠(yuǎn)程控制功能。傳輸層主要由系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備、傳輸線纜等組成,實(shí)現(xiàn)設(shè)備層采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和對(duì)控制設(shè)備操作指令下發(fā)等[9]?？刂圃O(shè)備層由SIMATIC S7-1200及模擬量輸入擴(kuò)展模塊SM1231、數(shù)字量輸出信號(hào)模塊SM1222、總開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、CH4傳感器、CO傳感器、CO2傳感器、煙霧傳感器、O2傳感器、防爆攝像儀等組成,主要實(shí)現(xiàn)采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且完成操作指令,同時(shí)安裝攝像機(jī),實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。上位機(jī)通過(guò)交換機(jī)與環(huán)境監(jiān)測(cè)PLC通過(guò)TCP/IP網(wǎng)線連接,并使用MODBUS通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,PLC使用模擬量和開(kāi)關(guān)量實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)終端的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Network monitoring system

2.2 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)電氣系統(tǒng)由AC220V電源、AC220V空氣開(kāi)關(guān)、DC24V開(kāi)關(guān)電源、SIMATIC S7-1200、模擬量擴(kuò)展模塊、數(shù)字量擴(kuò)展模塊、溫度傳感器、CH4傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器、O2傳感器、總開(kāi)關(guān)、環(huán)境參數(shù)報(bào)警指示燈等組成,如圖1所示。PLC有一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn),接總開(kāi)關(guān);有6個(gè)模擬量輸入接點(diǎn),分別接氧氣傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、CH4傳感器、CO傳感器、CO2傳感器;有7個(gè)輸出接點(diǎn),分別接煙霧報(bào)警指示燈、溫度報(bào)警指示燈、CO報(bào)警指示燈、CO2報(bào)警指示燈、CH4報(bào)警指示燈、O2報(bào)警指示燈、區(qū)域入侵報(bào)警指示燈。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機(jī)、交換機(jī)、網(wǎng)線、監(jiān)控終端(上位機(jī))、錄像機(jī)等組成。像機(jī)使用本安型攝像機(jī),型號(hào)為KBA12S進(jìn)行視頻監(jiān)控。此型號(hào)攝像機(jī)將鏡頭、固體CCD器件和無(wú)線發(fā)射器集成在一起,使得攝像傳輸一體化;其結(jié)構(gòu)緊湊體積小、重量輕、防爆、抗震、防潮,適合井下惡劣環(huán)境;成像清晰,能夠在昏暗的環(huán)境中提供清晰的監(jiān)控畫面;同時(shí)完全兼容?？?、華為等通用的視頻品臺(tái),具有人員識(shí)別、電子圍欄等多個(gè)場(chǎng)景智能識(shí)別功能,有485、TCP/IP聯(lián)動(dòng)報(bào)警輸出能力,為后續(xù)的井下員入侵行為分析提供了技術(shù)支持。視頻監(jiān)控器將拍攝到的視頻信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給交換機(jī),通過(guò)網(wǎng)線送至上位機(jī),在上位機(jī)的監(jiān)控畫面中顯示視頻畫面。同時(shí)還可以將需要用到的視頻信號(hào)傳輸至錄像機(jī)進(jìn)行保存。監(jiān)控系統(tǒng)的屏幕,以盲巷中的人流為重點(diǎn),通過(guò)錄像中人員與禁入?yún)^(qū)域之間的空間聯(lián)系來(lái)判定入侵條件,從而達(dá)到了入侵者的報(bào)警要求[10]。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以與對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)相連接,在管理人員進(jìn)行設(shè)備操作或者報(bào)警時(shí),該系統(tǒng)可以按照設(shè)備所在位置,自動(dòng)調(diào)出預(yù)先設(shè)定的現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào),便于管理人員對(duì)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行觀測(cè)。與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比較,此系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能,通過(guò)上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)共享實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面;同時(shí)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,拓展了監(jiān)控的范圍;視頻信號(hào)傳輸方式采用無(wú)線傳輸方式,比傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式增加了視頻信號(hào)的傳輸范圍和傳輸穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要使用力控組態(tài)軟件ForceControl 7.1和西門子S7-1200PLC編程軟件TIA Portal V15.1進(jìn)行項(xiàng)目組態(tài)和編程[11]。

3.1 力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

1)應(yīng)用力控組態(tài)軟件,創(chuàng)建井下盲巷智能監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng),繪制出盲巷智能監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制動(dòng)畫圖,如圖2所示。

圖2 井下盲巷監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控主畫面Fig.2 Main screen of monitoring system of underground blind lanes

2)定義外部設(shè)備及數(shù)據(jù)連接。井下盲巷環(huán)境參數(shù)監(jiān)控PLC設(shè)置如圖3所示。在工程項(xiàng)目中選擇I/O設(shè)備組態(tài),添加I/O設(shè)備,選擇PLC-SIEMENS S7-1200(TCP),在彈出畫面中,設(shè)備名稱設(shè)置為HJJKPLC(環(huán)境監(jiān)控PLC),更新周期設(shè)置為1 000 ms,超時(shí)時(shí)間設(shè)置為8 s,通訊方式選擇TCP/IP網(wǎng)絡(luò),其余保持默認(rèn);下一頁(yè)中,設(shè)備的IP地址設(shè)置為192.168.01.02,端口設(shè)置為102。

3)端口通信參數(shù)設(shè)置。PLC與上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接后,打開(kāi)TIA Portal V15.1編程軟件,找到PLC后,設(shè)置其IP地址與力控組態(tài)的IP地址保持一致。

圖3 外部設(shè)備及數(shù)據(jù)連接Fig.3 External equipment and data connection

4)定義數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)及數(shù)據(jù)連接。根據(jù)項(xiàng)目創(chuàng)建系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),將系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)、環(huán)境參數(shù)傳感器、環(huán)境參數(shù)報(bào)警器等設(shè)備連鎖控制點(diǎn)加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際工程的控制情況,建立數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)設(shè)置如圖4、圖5所示。將已經(jīng)創(chuàng)建的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行保存,然后和力控組態(tài)中的控件進(jìn)行連接,確保一一對(duì)應(yīng),完成數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

3.2.1井下盲巷監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控流程

本設(shè)計(jì)依據(jù)井下盲巷監(jiān)控系統(tǒng)要求,設(shè)計(jì)如圖6所示的監(jiān)控系統(tǒng)流程圖,并依據(jù)流程編寫PLC控制程序。

圖4 井下盲巷環(huán)境參數(shù)模擬量輸入輸出Fig.4 Analog input and output of environmental parameters of underground blind lanes

圖5 井下盲巷環(huán)境參數(shù)數(shù)字量輸入輸出Fig.5 Digital input and output of environmental parameters of underground blind lanes

3.2.2井下盲巷監(jiān)控系統(tǒng)PLC程序解釋

根據(jù)圖6所示的盲巷井下智能監(jiān)控系統(tǒng)流程圖監(jiān)控步驟,編寫梯形圖控制程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)井下盲巷的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

將上位機(jī)監(jiān)控畫面中的總開(kāi)關(guān)撥向開(kāi)的位置,系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)控盲巷內(nèi)的環(huán)境參數(shù),包括盲巷內(nèi)的溫度、CO含量、CO2含量、O2含量、CH4含量、煙霧含量等參數(shù)。PLC將各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)保存,并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)經(jīng)交換機(jī)上傳到上位機(jī)的監(jiān)控中心,上位機(jī)監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)。當(dāng)溫度超過(guò)30℃、O2體積分?jǐn)?shù)低于20%、煙霧體積分?jǐn)?shù)大于10%、CH4體積分?jǐn)?shù)超過(guò)1.5%、CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)0.0024%、CO2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)0.5%時(shí),故障報(bào)警程序啟動(dòng),發(fā)出報(bào)警信號(hào),上位機(jī)報(bào)警指示燈閃爍報(bào)警。

圖6 井下盲巷智能監(jiān)控系統(tǒng)流程示意圖Fig.6 Flow chart of intelligent monitoring system for underground blind lanes

井下盲巷環(huán)境參數(shù)監(jiān)控,井下盲巷設(shè)置溫度、CO含量、CO2含量、O2含量、CH4含量、煙霧含量等傳感器,將環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給PLC保存并上傳給監(jiān)控室的上位機(jī)。通過(guò)組態(tài)畫面顯示各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)報(bào)表、實(shí)時(shí)曲線圖。當(dāng)實(shí)測(cè)值達(dá)到報(bào)警條件,報(bào)警啟動(dòng),并通過(guò)聲音和視覺(jué)的方式向監(jiān)控層管理人員提出警告。在發(fā)出報(bào)警后,在警報(bào)提示視窗中,按下“確認(rèn)”按鈕,就可以將報(bào)警的聲音和報(bào)警指示燈關(guān)掉。

視頻監(jiān)控系統(tǒng),在海康工業(yè)視覺(jué)特征軟件中選擇設(shè)備管理,通訊協(xié)議選擇S7-1200,通訊IP地址與PLC地址設(shè)置一致。首先配置移動(dòng)偵測(cè),其功能是判斷某個(gè)區(qū)域內(nèi)是否有移動(dòng)的物體,當(dāng)有移動(dòng)的物體時(shí),出發(fā)設(shè)備執(zhí)行聯(lián)動(dòng)動(dòng)作;然后繪制區(qū)域,在監(jiān)控畫面中的柵欄內(nèi)1 m處至巷道口這一部分區(qū)域進(jìn)行繪制。最后設(shè)置靈敏度:靈敏度設(shè)置越大,越容易出發(fā)報(bào)警;時(shí)間閾值表示目標(biāo)進(jìn)入警戒區(qū)域,設(shè)置在該區(qū)域停留的時(shí)間,超過(guò)該時(shí)間將產(chǎn)生報(bào)警,時(shí)間閾值設(shè)置越大,目標(biāo)在偵測(cè)區(qū)域內(nèi)持續(xù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng);檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)用于指定檢測(cè)目標(biāo),設(shè)備將對(duì)指定的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

該視頻監(jiān)控系統(tǒng)在盲巷柵欄周邊設(shè)置一個(gè)矩形警示框檢測(cè)區(qū)域來(lái)監(jiān)視所拍攝的圖像。由攝像機(jī)獲得的圖像信息,攝像機(jī)內(nèi)部的微處理器根據(jù)移動(dòng)對(duì)象識(shí)別的方法,對(duì)圖像進(jìn)行處理。在監(jiān)測(cè)到有人員進(jìn)入警戒區(qū)域且停留時(shí)間超過(guò)15 s,微處理器就會(huì)向PLC發(fā)送區(qū)域入侵事件警告信息,通過(guò)聲光報(bào)警的方式,對(duì)入侵人員發(fā)出“您已進(jìn)入警戒區(qū)域,請(qǐng)及時(shí)退出”的警告,并及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面發(fā)送到監(jiān)控平臺(tái),用“聲音開(kāi)”提示管理人員,讓他們對(duì)報(bào)警情況進(jìn)行關(guān)注。如果盲巷內(nèi)工作人員繼續(xù)在警戒區(qū)域內(nèi)停留,微處理器觸發(fā)區(qū)域入侵事件并發(fā)送上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控畫面,在組態(tài)監(jiān)控畫面上顯示報(bào)警信息,同時(shí)聲光報(bào)警,提醒管理人員盲巷禁入?yún)^(qū)域有人入侵。報(bào)警后在報(bào)警顯示窗口,形成報(bào)警記錄,點(diǎn)擊確認(rèn),即可關(guān)閉報(bào)警聲光信號(hào)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

井下盲巷智能監(jiān)控系統(tǒng),在運(yùn)行過(guò)程中采集到:溫度26.9℃,煙霧體積分?jǐn)?shù)0.27%,O2體積分?jǐn)?shù)21.63%,CO體積分?jǐn)?shù)0.009 6%,CO2體積分?jǐn)?shù)0.2%,CH4體積分?jǐn)?shù)0.39%。CO體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)報(bào)警啟動(dòng),智能監(jiān)控系統(tǒng)功能均能實(shí)現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)在組態(tài)軟件中進(jìn)行處理可以形成數(shù)據(jù)報(bào)表如圖7所示,同時(shí)還可以累計(jì)數(shù)據(jù)形成歷史報(bào)警報(bào)表如圖8所示,需要時(shí)可以查詢、打印和保存數(shù)據(jù),提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)設(shè)置了環(huán)境參數(shù)超限報(bào)警和人員入侵報(bào)警,在環(huán)境參數(shù)超限報(bào)警后界面顯示后有聲光報(bào)警,并有報(bào)警記錄生成。系統(tǒng)中記錄的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)都可以提高對(duì)井下盲巷的管理,以及為系統(tǒng)的后期優(yōu)化升級(jí)提供參考。

圖8 歷史報(bào)警信息Fig.8 Historical alarm information

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于PLC和力控組態(tài)軟件,設(shè)計(jì)了井下盲巷環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)井下盲巷智能化監(jiān)控監(jiān)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1)提高數(shù)據(jù)處理分析水平?？梢詫?duì)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),替代人工巡檢,保證了巡檢數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí),對(duì)故障精準(zhǔn)定位,系統(tǒng)管理人員可以及時(shí)針對(duì)隱患進(jìn)行處理。為無(wú)人巡檢模式的升級(jí)改造提供參考。

2)安裝井下盲巷監(jiān)控系統(tǒng)后,能對(duì)井下工作人員不規(guī)范行為進(jìn)行監(jiān)控,確保工人的人身安全,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3)具有擴(kuò)展性。本設(shè)計(jì)只對(duì)井下一條盲巷進(jìn)行了監(jiān)控,若應(yīng)用多個(gè)盲巷,可擴(kuò)展監(jiān)測(cè)點(diǎn),采用485總線,應(yīng)用MODBUS通訊協(xié)議,實(shí)現(xiàn)多條盲巷的監(jiān)控,提高礦山信息化管理水平和自動(dòng)化水平。