關(guān)于煤礦井下作業(yè)環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研究

劉光遠

（同煤集團晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

目前，我國已經(jīng)非常重視煤礦開采安全問題，為避免出現(xiàn)瓦斯爆炸等安全事故，煤礦企業(yè)采取了一系列措施[1-2]。然而在實踐過程中，煤礦安全事故時有發(fā)生，尤其是瓦斯爆炸事故，嚴重威脅煤礦開采的可持續(xù)發(fā)展[3]。因此，應對煤礦井下作業(yè)環(huán)境進行實施監(jiān)控，有效預防煤礦安全事故[4-5]。

1 礦井作業(yè)環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示為礦井作業(yè)環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出安全監(jiān)控系統(tǒng)由多個部分構(gòu)成。以下對一些核心部分進行介紹。

地面監(jiān)控中心主要是中央控制計算機，其作用是接收來自ZigBee 協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)信息進行分析對比，檢查各項數(shù)據(jù)是否超過系統(tǒng)設(shè)定的指標。另外，還可以通過協(xié)調(diào)器向井下各裝置發(fā)送控制指令，實現(xiàn)對整個安全監(jiān)控系統(tǒng)的有效控制。如果系統(tǒng)檢測到礦井作業(yè)環(huán)境存在危險，一方面會下達指令對聲光報警系統(tǒng)進行控制，以警示井下工作人員；另一方面還會下達控制指令對通風機系統(tǒng)進行控制，加大通風量。

圖1 礦井作業(yè)環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

ZigBee 網(wǎng)絡與地面監(jiān)控中心之間需要通過協(xié)調(diào)地進行連接，井下部分采集得到的數(shù)據(jù)信息需要通過協(xié)調(diào)器傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。地面監(jiān)控中心下達的控制指令需要通過協(xié)調(diào)地傳達到井下各裝置中。路由器是整個網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點，作用是對數(shù)據(jù)信息進行匯總并轉(zhuǎn)發(fā)，同時轉(zhuǎn)達至上而下的控制指令。終端設(shè)備主要是瓦斯?jié)舛?、溫度和濕度傳感器，對礦井內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，并將采集得到的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心中的控制計算機中進行分析和處理。終端設(shè)備還需要接受井上監(jiān)控中心的控制指令，并按照控制指令完成各項動作。比如風機系統(tǒng)需要按照控制中心下達的指令提供對應的通風量。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

2.1 主要設(shè)備的硬件選型

1）控制器芯片選型?？晒┻x擇的控制器芯片類型有很多種，在結(jié)合煤礦實際情況的基礎(chǔ)上最終選用由英國公司生產(chǎn)的JN5139 型號芯片，該型號芯片為32 位微處理器，具有優(yōu)良的性能，整體功耗相對較低，可兼容多種傳輸模式。ROM 和RAM 的大小分別為192 kB 和8～96 kB，接口豐富，能夠與多種裝置進行連接。

2）溫濕度傳感器。選用的溫濕度傳感器由瑞士公司生產(chǎn)的型號為SHT11。規(guī)格尺寸很小，其長度、寬度和高度分別為7.5 mm、5 mm 和2.5 mm。能夠從整體上縮小終端設(shè)備的體積。傳感器在正式出廠前都要對其進行精確的校準，同時傳感器內(nèi)部自帶有校準程序，在實際應用時可以直接調(diào)用程序?qū)鞲衅鬟M行校準。因此在使用過程中具有相對較高的精度。

3）瓦斯傳感器。當前礦用瓦斯傳感器主要可以劃分成為兩種類型，分別為熱效式和熱導式，本系統(tǒng)在結(jié)合實際情況的基礎(chǔ)上選用的是熱效式瓦斯傳感器，傳感器中用到的催化元件型號為LXK-3。優(yōu)勢在于使用壽命長、檢測進度高、結(jié)果穩(wěn)定等。

2.2 終端節(jié)點進接口設(shè)計

如圖2 所示為終端節(jié)點總體結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出終端節(jié)點由多個部分構(gòu)成。系統(tǒng)選用的JN5139 芯片具有豐富的接口，完全能夠滿足實際使用需要。以下主要對瓦斯?jié)舛葌鞲衅鹘涌诤蜏貪穸葌鞲衅鹘涌诘脑O(shè)計情況進行簡要介紹。

圖2 終端節(jié)點總體結(jié)構(gòu)示意圖

1）溫濕度傳感器接口設(shè)計。對于礦井環(huán)境而言，溫度和濕度是其中非常重要的參數(shù)，如圖3 所示為設(shè)計的溫濕度傳感器接口電路圖。傳感器檢測到的溫度和濕度信號為電壓模擬量信號，該信號經(jīng)過放大器放大、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號后，通過數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絁N5139 微控制器中。可以在系統(tǒng)中設(shè)定溫度、濕度的上限和下限，當檢測結(jié)果不在設(shè)定的安全范圍內(nèi)時，系統(tǒng)就會通過聲光報警系統(tǒng)進行報警，以提示工作人員。

圖3 溫濕度傳感器接口電路圖

2）瓦斯傳感器接口設(shè)計。瓦斯?jié)舛葯z測是本安全系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，因此必須確保檢測結(jié)果的準確性。傳感器檢測得到的同樣為電壓模擬量信號，為提升檢測結(jié)果的靈敏度，對檢測得到的電壓信號進行放大處理。放大器的芯片型號為TLV2780，具有放大過程穩(wěn)定、精度高等優(yōu)勢，可以滿足本系統(tǒng)使用需要。如圖4 所示為瓦斯傳感器接口電路結(jié)構(gòu)示意圖。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

3.1 協(xié)調(diào)器的軟件程序設(shè)計

圖4 瓦斯傳感器接口電路結(jié)構(gòu)示意圖

在安全監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器起到橋梁的作用，實現(xiàn)井上部分和井下部分的連接。同時協(xié)調(diào)器也是整個傳輸網(wǎng)絡的管理者，需要對網(wǎng)絡中不同裝置分配網(wǎng)絡地址、對數(shù)據(jù)信息以及控制指令進行轉(zhuǎn)發(fā)等。

如圖5 所示為協(xié)調(diào)器的軟件程序工作流程圖。監(jiān)控系統(tǒng)開始運行后，協(xié)調(diào)器首先需要進行初始化處理，對相關(guān)裝置參數(shù)進行歸零，檢測各裝置功能是否正常等。自檢正常后，整個網(wǎng)絡就開始正常運行?？梢詫W(wǎng)絡運行狀態(tài)進行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)存在故障問題，就需要對其進行處理，以確保網(wǎng)絡的正常運行。當網(wǎng)絡中有新的終端節(jié)點加入時，協(xié)調(diào)器需要對其分配網(wǎng)絡節(jié)點地址，終端節(jié)點獲得網(wǎng)絡節(jié)點地址后才能加入到系統(tǒng)中參與運行。當終端節(jié)點采集得到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器后，協(xié)調(diào)器就會將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面監(jiān)控中心進行處理。

圖5 協(xié)調(diào)器的軟件程序工作流程圖

3.2 終端節(jié)點軟件程序設(shè)計

終端節(jié)點的軟件程序主要包含兩部分內(nèi)容，其一為網(wǎng)絡通信功能，主要實現(xiàn)終端節(jié)點與整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的連接。其二為數(shù)據(jù)采集功能，主要是通過溫濕度傳感器和瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗ΦV井內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行采集。與系統(tǒng)中的路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器相比較而言，終端節(jié)點實現(xiàn)的網(wǎng)絡通信功能相對簡單，只需要確保終端節(jié)點能夠與網(wǎng)絡系統(tǒng)連接即可。配備在井下工作人員身上的移動終端采集節(jié)點和安裝在礦井內(nèi)部不同區(qū)域的固定終端采集節(jié)點，會按照程序設(shè)定的周期對周圍環(huán)境中的環(huán)境參數(shù)進行采集，并將采集得到的結(jié)果通過ZigBee 無線網(wǎng)絡傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中。如下頁圖6 所示為溫濕度采集軟件程序流程圖。

4 結(jié)論

將煤礦溫度、濕度和瓦斯?jié)舛劝踩O(jiān)控系統(tǒng)佩戴在工作人員身上的移動終端和固定在煤礦不同區(qū)域的固定終端，能夠?qū)φ麄€礦井不同區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，并將其傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心進行分析。系統(tǒng)一旦檢測到礦井環(huán)境存在危險，就會通過聲光報警系統(tǒng)提示工作人員，同時下達控制指令對通風系統(tǒng)進行控制。煤礦井下作業(yè)環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用能顯著提升礦井安全程度，避免出現(xiàn)瓦斯爆炸安全問題。

圖6 溫濕度采集軟件程序流程圖