基于ARM可配置內(nèi)核的煤礦瓦斯預(yù)警系統(tǒng)

吳曉明

【摘要】 煤礦開采是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的工作，因此煤礦安全問題一直是人們高度關(guān)注的事。但是每年因煤礦開采而死亡的人數(shù)雖略有下降，但一直是很高的。其中煤礦瓦斯爆炸又是引起煤礦事故的重要原因，所以煤礦瓦斯預(yù)警系統(tǒng)是保障煤礦安全開采比不可少的一項(xiàng)措施。

【關(guān)鍵詞】 煤礦安全 光纖以太網(wǎng)+CAN總線 模糊數(shù)據(jù)融合 瓦斯預(yù)警

隨著時(shí)代的發(fā)展，能源較以前而言變得多樣化，比如現(xiàn)在非常熱的對(duì)于太陽能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能等可再生能源的研究。

雖然對(duì)以上新能源的研究確實(shí)取得了一定的成績(jī)，且在未來可再生能源肯定是能源的主要的選擇方向，但在目前新能源在世界能源總量中所占比例依舊很低。

一、系統(tǒng)方案概述

雖然最近幾年我國(guó)的煤礦瓦斯監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的很快，但是還存在一些關(guān)鍵技術(shù)問題沒有解決，例如各種環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器精度和可靠性不高，大部分的廠家都是專用的通信協(xié)議，互不兼容，改進(jìn)和擴(kuò)充系統(tǒng)時(shí)必須找對(duì)應(yīng)的廠家，在缺乏技術(shù)支持的情況下不得不改換整套的系統(tǒng)，而且信息處理技術(shù)還不夠先進(jìn)導(dǎo)致結(jié)果不夠精確也不夠及時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)直接的傳輸、存儲(chǔ)、顯示和打印等功能，分析、挖掘的深度不夠。

二、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)主要由地面主站、以太網(wǎng)通信系統(tǒng)、CAN 總線通信系統(tǒng)、井下監(jiān)控分站、本安電源、各種傳感器、變頻器和通風(fēng)機(jī)構(gòu)成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。監(jiān)控分站采集來自傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理和判決之后，生成對(duì)應(yīng)的狀態(tài)供現(xiàn)場(chǎng)顯示和報(bào)警，同時(shí)可以根據(jù)得出的正常、輕微和危險(xiǎn)這三個(gè)融合結(jié)果對(duì)變頻器輸出的頻率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

監(jiān)控分站中的數(shù)據(jù)通過 CAN 總線將數(shù)據(jù)送到以太網(wǎng)——CAN 網(wǎng)關(guān)來接入光纖以太網(wǎng)，以太網(wǎng)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，地面的主機(jī)對(duì)傳送上來的信息進(jìn)行分析和處理，實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)的文字、曲線等信息。

2.1地面主站

地面主站由 PC 主機(jī)、以太網(wǎng)轉(zhuǎn) RS232 模塊、打印機(jī)和投影儀組成。分站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過地面主交換機(jī)轉(zhuǎn)換成RS232 信號(hào)后傳送給 PC 主機(jī)，由支持 DDE 技術(shù)的 VB 來編寫驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)通過 MSComm 控件對(duì)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，然后組態(tài)王通過 DDE 技術(shù)和 VB 進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集的功能。

以太網(wǎng)轉(zhuǎn)RS232 模塊采用 ETH232 GH 微型以太網(wǎng)/串口轉(zhuǎn)換器，它是一款帶光電隔離的以太網(wǎng)/串口轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)、電源、串口的三方隔離。

2.2 以太網(wǎng)通信系統(tǒng)

以太網(wǎng)通信系統(tǒng)包括地面主交換機(jī)、光纖收發(fā)器和井下的防爆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。井下的防爆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用 KJ127 礦用隔爆型以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，它采用高性能的千兆工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，有 2 對(duì) 1000M 的冗余光纖接口和 2 對(duì)的 100M 下聯(lián)冗余光纖或 RJ45 接口，能構(gòu)建 1000M 的高速冗余雙環(huán)網(wǎng)和下聯(lián) 100M 的冗余雙環(huán)網(wǎng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)管控制的功能，當(dāng)鏈路故障或斷裂時(shí)能快速的重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)鏈路，最大的重構(gòu)自愈時(shí)間小于 300ms，擁有 6 路的可選接口，可以是 100M 光纖以太網(wǎng)接口或 CAN/RS485 總線接口，這樣交換機(jī)輸出的總線上就可以直接掛載具有 CAN總線和 RS485 總線接口的設(shè)備，構(gòu)成多主式或者主從式的總線局域監(jiān)控網(wǎng)，一臺(tái)交換機(jī)最多可掛載 6 臺(tái)監(jiān)控分站。

2.3井下監(jiān)控分站

井下監(jiān)控分站主要包括主控芯片 S3C2440A、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、信號(hào)采集模塊、LCD顯示、RS485 接口和 CAN 通信模塊等。信號(hào)采集模塊共有 16 路傳感器測(cè)量通道，其中八路是模擬量通道，八路是頻率和開關(guān)量復(fù)用輸入通道。

2.4通風(fēng)機(jī)

通風(fēng)機(jī)變頻器選擇 FR-E500 系列變頻器，它體積較小，性價(jià)比較高，能支持 RS485 通信，擁有獨(dú)立的 RS485 接口，PU 口也可用于 RS485 的通信，支持 3 點(diǎn)的模擬量輸入，起動(dòng)頻率可以在 0-60Hz 范圍內(nèi)設(shè)置，輸出范圍是 0.2-400Hz，支持最大為 15 種的多段速度選擇，可以設(shè)置為 30Hz， 60Hz和 90Hz 三段式速度控制，分別對(duì)應(yīng)多傳感器模糊融合中融合結(jié)果為正常、輕微和危險(xiǎn)時(shí)的輸出頻率。

2.5系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

針對(duì)煤礦井下環(huán)境極其惡劣、復(fù)雜，而不同煤礦又千差萬別的特點(diǎn)，項(xiàng)目軟硬件各層次擬采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各個(gè)環(huán)節(jié)在可靠的前提下設(shè)計(jì)成最小系統(tǒng)，可配置性強(qiáng)，使其靈活地組成系統(tǒng)以適應(yīng)不同規(guī)模、不同工程環(huán)境要求的安裝、配置、調(diào)試等。

同時(shí)，可以很方便的遷移應(yīng)用到森林防火、水下環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。

三、結(jié)論

本著以人為本、加強(qiáng)安全生產(chǎn)的想法，本人在原有的煤礦瓦斯預(yù)警的系統(tǒng)上，進(jìn)行了改進(jìn)。本系統(tǒng)降低了事故發(fā)生的概率，保障了開采人員的生命安全。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李景魁.基于無線傳感網(wǎng)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2013，（11）

[2]徐士敏.煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站平臺(tái)的研究[J].山東煤炭科技，2016，（2）

[3]晏勇，周相兵.基于物聯(lián)網(wǎng)礦井瓦斯動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，（1）