潞安集團(tuán)王莊煤礦井下爆破安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研究

任 剛

（長治市煤炭安全信息調(diào)度中心，山西 長治 047100）

煤礦井下爆破安全問題一直備受業(yè)內(nèi)人士關(guān)注[1]。起初煤礦井下爆破的安全管理由特定人員完成，極易因工作人員疏忽而出現(xiàn)事故，之后科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步逐步出現(xiàn)了智能控制系統(tǒng)，大大提高了井下爆破的安全性和煤炭開采效率[2-4]。不同煤礦的井下地質(zhì)條件存在差異，使得井下爆破安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計工作較為復(fù)雜，而且必須根據(jù)煤礦的實際情況進(jìn)行設(shè)計才能取得更好的應(yīng)用效果[5-6]。因此基于潞安集團(tuán)王莊煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計井下爆破安全監(jiān)控系統(tǒng)，對于提高井下爆破安全監(jiān)督系統(tǒng)適應(yīng)性具有重要的意義。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

為了保證井下爆破時人員與設(shè)備的安全，須保證爆破之前工作人員處于安全區(qū)域，同時確保井下環(huán)境中的氣體濃度處于規(guī)定的范圍內(nèi)。為了實現(xiàn)上述功能要求，擬設(shè)計安全監(jiān)控系統(tǒng)中包括人員定位模塊、氣體檢測及超標(biāo)報警模塊、遠(yuǎn)程通信模塊等。其中，人員定位模塊能夠確保井下爆破之前人員處于安全區(qū)域；氣體檢測及超標(biāo)報警模塊能夠?qū)崟r觀察井下氣體的濃度及變化趨勢，一旦超標(biāo)立即報警；遠(yuǎn)程通信模塊實現(xiàn)井上與井下工作人員的信息溝通，實現(xiàn)井下安全狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體方案

隨著潞安集團(tuán)王莊煤礦開采深度不斷增加，井上計算機(jī)和井下監(jiān)控基站之間的通信越來越困難。工業(yè)以太網(wǎng)具有遠(yuǎn)距離信息傳輸能力強(qiáng)的優(yōu)勢，逐漸引起了人們的關(guān)注。礦井內(nèi)部條件較為惡劣，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，井內(nèi)基站與分站之間的通信與信息共享采用了CAN 總線。分站中配置標(biāo)示卡讀取模塊，能夠識別井下工作人員佩戴的標(biāo)示卡信號，進(jìn)而確定其所在區(qū)域，同時配置氣體實時監(jiān)測模塊，顯示井下氣體的濃度，一旦氣體濃度超過規(guī)定的安全范圍，立刻報警并且終止爆破作業(yè)。井下基站需要設(shè)置監(jiān)控人員，以防安全監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致事故。井下爆破作業(yè)開始之前井下的所有檢測數(shù)據(jù)均傳輸至井上計算機(jī)進(jìn)行顯示處理，進(jìn)而實現(xiàn)井上工作人員對于井下環(huán)境的實時監(jiān)視。安全監(jiān)控系統(tǒng)總體方案如圖1 所示。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

2.2 硬件設(shè)計

井下爆破安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由人員定位功能模塊、氣體實時監(jiān)測與報警功能模塊、基站控制功能模塊和CAN 轉(zhuǎn)工業(yè)以太網(wǎng)功能模塊組成。其中的人員定位功能模塊主要由射頻信號的發(fā)送和接收模塊組成，以便實現(xiàn)井下工作人員的定位功能。氣體實時監(jiān)測功能模塊主要由傳感器、調(diào)理電路及CPU 組成，實現(xiàn)井下氣體接收、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸功能，同時由蜂鳴器和警示燈實現(xiàn)井下氣體超標(biāo)報警?；究刂乒δ苣K能夠?qū)崿F(xiàn)井下環(huán)境的實時顯示以及井下爆破工作調(diào)整功能。CAN 總線轉(zhuǎn)工業(yè)以太網(wǎng)功能模塊主要是完成CAN 總線與工業(yè)以太網(wǎng)之間的信息傳輸。

2.2.1 射頻芯片選型

人員定位系統(tǒng)中包括射頻發(fā)送和射頻接收兩種功能，考慮芯片工作的穩(wěn)定性、抗干擾性、經(jīng)濟(jì)性，選擇一對型號為nRF24LE1 和nRF24L01+的芯片。井下工作人員佩戴nRF24LE1 芯片，能夠發(fā)出射頻信號，讀卡分站配置nRF24L01+芯片，用于接收前者發(fā)出的射頻信號，進(jìn)而傳輸至基站和井上計算機(jī)。

2.2.2 傳感器選型

傳感器主要應(yīng)用于氣體監(jiān)測及報警功能模塊的信號采集，涉及甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、硫化氫傳感器等。其中甲烷傳感器選用靈敏低耗的SS-1.1A 型傳感器，一氧化碳傳感器選用性能穩(wěn)定、靈敏耐用的CO/MF-500 型傳感器，硫化氫傳感器選用性能穩(wěn)定、靈敏低耗、使用壽命較長的NT-H2S型傳感器。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.2.3 芯片選型

氣體監(jiān)測芯片使用環(huán)境較為惡劣，需要嵌入井下分站內(nèi)部，因此進(jìn)行芯片選型時需要充分考慮芯片的體積大小、集成度、能源消耗、數(shù)據(jù)處理效率、I/O 接口擴(kuò)展性、性價比等因素。綜合考慮選擇型號為C8051F040 的單片機(jī)，其外圍配置簡單，工作穩(wěn)定性高，抗干擾性強(qiáng)，能夠適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境。

確定選用型號為ENC28J60 的以太網(wǎng)芯片。該類型以太網(wǎng)芯片使用的是國際IEEE802.3 協(xié)議，自帶SPI 接口，能夠接收井下輸送上來的各種數(shù)據(jù)信息，具有很好的兼容性，適合于在煤礦井下惡劣的工作環(huán)境使用。圖3 給出了ENC28J60 型以太網(wǎng)芯片的結(jié)構(gòu)及引腳。

圖3 ENC28J60 型以太網(wǎng)芯片的結(jié)構(gòu)及引腳

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 人員定位程序

人員定位程序具有標(biāo)示卡射頻發(fā)送和讀卡分站射頻接收兩個功能，前者程序主要是將工作人員位置信息發(fā)送至讀卡基站，而后者收到射頻信號之后對相關(guān)信息進(jìn)行處理，將處理結(jié)果發(fā)送至井下基站。nRF24L01+芯片不僅能夠讀寫控制程序，還具有很好的程序存儲功能，能夠?qū)崟r處理來自標(biāo)示卡發(fā)出的射頻信號信息，其具體的控制流程如圖4 所示。

圖4 人員定位控制流程圖

2.3.2 數(shù)據(jù)采集程序

井下數(shù)據(jù)信息的采集主要由傳感器完成。以氣體監(jiān)測傳感器為例，當(dāng)傳感器接收到氣體濃度信號時，通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊對氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，將氣體濃度轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號，比較監(jiān)測氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，判斷井下氣體濃度是否超標(biāo)。如果超標(biāo)發(fā)出報警信號，否則繼續(xù)采集氣體數(shù)據(jù)，持續(xù)進(jìn)行氣體濃度監(jiān)測。

2.3.3 通信程序

煤礦井下采集的數(shù)據(jù)涉及工作人員信息和氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)，其通信過程如下：井下基站→CAN 總線→以太網(wǎng)→井上計算機(jī)→數(shù)據(jù)處理→基站控制。當(dāng)井下向井上傳輸數(shù)據(jù)信息時，位置信息首先發(fā)送至CAN-Tx-flag，之后進(jìn)入傳輸循環(huán)。系統(tǒng)狀態(tài)顯示1 時代表存在位置信息發(fā)送，若顯示0 則代表無位置信息發(fā)送。井下信息傳輸至井上的過程中使用了輪詢判斷方法，采用了CAN 總線中的CANTransmit（CAN1，&g-tCanTxMsg）判斷函數(shù)，數(shù)據(jù)存儲由g-tCanTxMsg 完成。井下傳輸上來的人員和環(huán)境信息輪詢監(jiān)測之后對井下基站發(fā)出指令信息，以實現(xiàn)井下人員和環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。

2.3.4 CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)程序

井上和井下數(shù)據(jù)通信依賴于工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線。CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)程序主要實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)和CAN 總線之間數(shù)據(jù)的共享傳輸，保證井下數(shù)據(jù)能夠順利傳輸至井上計算機(jī)進(jìn)行處理分析，也保證井上控制信息能夠快速傳輸至井下控制基站。井下CAN總線采用的通信模式為半雙工通信，通信順暢性由計算機(jī)配置的TCP 協(xié)議保障。上行通信時CAN 總線優(yōu)先接收井下人員與環(huán)境信息數(shù)據(jù)，之后執(zhí)行CAN 總線中斷程序，將接收到數(shù)據(jù)信息存入緩沖區(qū)，執(zhí)行TCP 協(xié)議把相關(guān)數(shù)據(jù)輸送至井上計算機(jī)。下行通信時，以太網(wǎng)需要接收來自CAN 總線的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)緩存于以太網(wǎng)，之后將數(shù)據(jù)經(jīng)CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊發(fā)送至CAN 總線，實現(xiàn)井上控制信息傳輸至井下基站。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)綜合測試

綜合測試過程中需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值，以太網(wǎng)傳輸參數(shù)可以由調(diào)試助手完成，實現(xiàn)井上計算機(jī)與井下分站之間的數(shù)據(jù)傳輸。測試開始先將系統(tǒng)初始化，待工作人員配帶標(biāo)示卡發(fā)出位置信號時，井上計算機(jī)可以通過接收人員的位置信息，判斷其是否處于安全區(qū)域，同時也能夠根據(jù)井下氣體檢測數(shù)據(jù)判斷井下環(huán)境是否安全，如果環(huán)境安全即可發(fā)出爆破指令。如圖5 給出了系統(tǒng)綜合測試過程中計算機(jī)顯示得到的結(jié)果，可以看出系統(tǒng)在模擬環(huán)境中能夠穩(wěn)定可靠工作，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。

圖5 綜合測試顯示結(jié)果

4 結(jié)論

煤礦井下爆破監(jiān)控系統(tǒng)完成了各個模塊的硬件選型和軟件設(shè)計。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)井下爆破監(jiān)控的功能，提高了爆破的安全水平。