阮東鵬
(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉城煤炭事業(yè)部,山西 晉城 048000)
煤礦本質(zhì)安全主要是形容設(shè)備的電氣系統(tǒng)能進(jìn)行自我保護(hù)的能力。影響煤礦生產(chǎn)本質(zhì)安全的主要因素包括人員本質(zhì)安全、設(shè)備本質(zhì)安全、環(huán)境本質(zhì)安全。人員的本質(zhì)安全可以通過專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)、專業(yè)訓(xùn)練等得到保障,而環(huán)境與設(shè)備的本質(zhì)安全就依賴于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。我國煤礦事故時(shí)有發(fā)生,一大因素就是現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控方面存在較大的問題與不足,從煤礦安全角度入手進(jìn)行研究,應(yīng)用新型的數(shù)字傳感技術(shù),對煤礦生產(chǎn)設(shè)備與人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,最終實(shí)現(xiàn)對裝備與人員的保護(hù)。以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)成莊煤礦為研究對象,基于該礦生產(chǎn)環(huán)境,采用終端CAN 總線與ZigBee 通信模塊技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了一套煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),以期達(dá)到降低煤礦安全事故的目的。
根據(jù)成莊煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求特點(diǎn)以及應(yīng)用環(huán)境,可以確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及工作要點(diǎn)。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則主要有:安全性、可靠性;技術(shù)先進(jìn)性,應(yīng)采用先進(jìn)的硬件與軟件控制技術(shù);標(biāo)準(zhǔn)化,采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)接口,增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性與設(shè)備兼容性;經(jīng)濟(jì)適用性,即在滿足使用要求的前提下盡量降低成本。
煤礦監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示,主要包括數(shù)據(jù)采集層、信號傳輸層以及數(shù)據(jù)分析層。系統(tǒng)通信方案設(shè)計(jì)選用ZigBee 無線通信技術(shù)和CAN總線技術(shù)相結(jié)合的方式,該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性以及井下適應(yīng)能力,具有較好的抗爆能力。ZigBee無線通信技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)靈活、功耗低、維護(hù)方便等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集模塊首先將設(shè)備的信號采集并集中整理,通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器監(jiān)控中心,由監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并得出設(shè)備的狀態(tài)信息。
圖1 煤礦監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of coal mine monitoring system
3.1.1 網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)模塊的主要功能是接收整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù),并將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化、處理、存儲(chǔ),最后通過CAN 總線發(fā)送到監(jiān)控分站。網(wǎng)關(guān)模塊主要硬件包括微處理器以及信號處理微型芯片,在此根據(jù)實(shí)際功能的需求選擇西門子公司生產(chǎn)的STM-CT6 型微處理器以及CC2530 芯片,網(wǎng)關(guān)模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 網(wǎng)關(guān)模塊硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of gateway module
3.1.2 ZigBee 模塊
ZigBee 模塊主要負(fù)責(zé)信號的接收與發(fā)送,這種節(jié)點(diǎn)的無線發(fā)射功率大且接收信號的靈敏度比較高,通信傳輸距離較長,適用于煤礦井下通信使用。ZigBee 模塊采用的是CC2530 芯片,該型芯片是專門用于信號采集與發(fā)送的單芯片,具有高頻收發(fā)器、低成本、內(nèi)存較大、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
3.1.3 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)
存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)收集存儲(chǔ)系統(tǒng)臨時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù),為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供安全保障,系統(tǒng)連接外部存儲(chǔ)的芯片采用CH376,該芯片處理器具有較好的存儲(chǔ)功能,可提供12 MHz 的SPI 通信接口以及最高3 Mbps 速度的異步串口。
系統(tǒng)的核心處理器選用的是ARM 公司開發(fā)的STM76TGY8 型微型處理芯片,該處理器具有數(shù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)預(yù)警等功能,監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求是首先對傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析,該系統(tǒng)的軟件控制程序基于Keil Vision8 為開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程。該開發(fā)平臺(tái)是一款基于VC++ 語言的開發(fā)軟件,具有較好的通用性與兼容性。系統(tǒng)軟件的主要設(shè)計(jì)程序包括數(shù)據(jù)采集程序、網(wǎng)關(guān)通信程序、數(shù)據(jù)處理程序路由器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì),上位機(jī)操作系統(tǒng)等軟件的設(shè)計(jì)。
完成系統(tǒng)的軟件與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,需對其功能進(jìn)行試驗(yàn)測試,以確保系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。以煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)溫度監(jiān)控與無線網(wǎng)絡(luò)通信為例,對其功能測試做簡要介紹。
安全監(jiān)控系統(tǒng)的溫度監(jiān)控對保障井下安全具有重要意義,試驗(yàn)主要針對溫度變化情況搭建試驗(yàn)平臺(tái)測試。該試驗(yàn)平臺(tái)主要硬件設(shè)備包括Zig Bee 模塊(CC2530)、電源、GWSD100 型溫度傳感器、計(jì)算機(jī)、SD 存儲(chǔ)卡、信號微處理器等。試驗(yàn)時(shí)首先將各硬件設(shè)備連接好,在控制計(jì)算機(jī)上,通過調(diào)試助手觀測傳感器模塊所采集溫度信息,并與試驗(yàn)環(huán)境實(shí)際測量的溫度進(jìn)行對比,系統(tǒng)所采集的溫度情況見表1。
表1 溫度測試結(jié)果Table 1 Temperature test results
根據(jù)成莊煤礦礦井的特點(diǎn),選擇2 棟教學(xué)樓樓道為試驗(yàn)場景。為了搭建無線通信測試試驗(yàn)平臺(tái),需準(zhǔn)備的硬件設(shè)備包括ZigBee 模塊、電源、GWSD/100 型傳感器、計(jì)算機(jī)、USB 轉(zhuǎn)串口線、USB 轉(zhuǎn)TTL 數(shù)據(jù)線、SD 存儲(chǔ)卡等。
試驗(yàn)時(shí)連接好各試驗(yàn)設(shè)備,其中一個(gè)ZigBee模塊與微處理器相連接,另外一個(gè)ZigBee 模塊通過USB 數(shù)據(jù)接收線與中央控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接;接通測試平臺(tái)電源,將傳感器監(jiān)測到的溫度信息進(jìn)行無線傳輸;移動(dòng)ZigBee 模塊,改變距離,重復(fù)多次試驗(yàn),將每次測試的數(shù)據(jù)結(jié)果做好詳細(xì)的記錄,驗(yàn)證ZigBee 模塊的信號傳輸能力,并計(jì)算其信號傳輸過程中的丟包率。
測試結(jié)果顯示,2 個(gè)ZigBee 模塊在不同的距離以及障礙物的作用下,信號傳遞效率具有明顯差異,當(dāng)傳遞距離為200~300 m 時(shí),模塊可以正常接收數(shù)據(jù),沒有發(fā)生丟包的現(xiàn)象,通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳遞;當(dāng)傳遞距離為400~500 m 時(shí),信號傳遞出現(xiàn)丟包現(xiàn)象;當(dāng)距離大于500 m 時(shí),發(fā)生比較明顯的數(shù)據(jù)丟失情況,無法有效完整地傳遞信號。說明ZigBee 模塊的有效距離為300 m。
針對成莊煤礦安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與系統(tǒng)可靠性等方面存在較多不足的問題,基于該礦生產(chǎn)環(huán)境,設(shè)計(jì)了一套煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),以達(dá)到降低煤礦安全事故的目的。根據(jù)煤礦生產(chǎn)的特點(diǎn),采用終端CAN 總線與ZigBee 通信模塊技術(shù)為基礎(chǔ),對安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了簡要介紹,然后根據(jù)需要對安全監(jiān)控系統(tǒng)的各分系統(tǒng)進(jìn)行了測試,由于篇幅所限只列出了溫度參數(shù)監(jiān)控與無線通信測試2 類測試試驗(yàn)。測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo),可以很好地實(shí)現(xiàn)對成莊煤礦的安全監(jiān)控,提高了煤礦安全生產(chǎn)可靠性。