多層次總線下的煤礦安檢設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計
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近年來，國內(nèi)煤礦重大安全事故不斷發(fā)生，尤其是中小煤礦情況更為突出，給國家、人民造成了重大損失。為此，國務(wù)院十分重視煤礦安全生產(chǎn)問題，不斷加大行業(yè)管理力度，逐步形成量化監(jiān)督管理模式，并相繼成立“安全評價”部門機(jī)構(gòu)．實現(xiàn)常年有序、真實有效及信息網(wǎng)絡(luò)化管理．針對日前行業(yè)的發(fā)展需要，本方案為中小煤礦實現(xiàn)實時安全監(jiān)管目標(biāo)提供了必須的條件與手段。為減少布線的麻煩和投資，本方案中下行通道采用了先進(jìn)的低壓電力線擴(kuò)頻載波通信方式，以井下已布好的電纜作為通信介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上行通道采用無線網(wǎng)路通信方式，報警記錄通過GSM網(wǎng)以短消息形式傳到預(yù)定手機(jī)，或通過GPRS傳到上級主管部門計算機(jī)以便對事故作出及時處理。
1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
該煤礦安檢設(shè)備的基本功能有：煤礦各工作面瓦斯?jié)舛鹊膶崟r采集記錄并顯示；瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報警；井下風(fēng)速采集記錄；負(fù)壓(壓力)記錄；一氧化碳濃度采集記錄；溫度采集記錄；水泵電機(jī)工作狀態(tài)；風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)；絞車工作狀態(tài)；電源過壓報警；失流報警；缺相報警；班次產(chǎn)量記錄；開關(guān)量采集及設(shè)備控制；載波數(shù)據(jù)傳輸；GSM/GPRS無線通信；參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)存儲；電源自動切換管理以及系統(tǒng)自檢等功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備分為井下數(shù)據(jù)采集終端和地面數(shù)據(jù)集中器兩部分。
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2 采集終端設(shè)計
數(shù)據(jù)采集終端是用來采集、監(jiān)測、控制井下設(shè)備狀態(tài)并將數(shù)據(jù)記錄上傳給集中器的裝置，可同時采集16路的開關(guān)量和16路模擬量，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換形成數(shù)字量，安裝在井下防爆箱內(nèi)。它為各類傳感器提供工作電源，并以RS485總線方式通信；與集中器間以載波通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。集中器間采用載波通信方式，集中器可定時或隨時召喚井下各設(shè)備參數(shù)并存儲。
井下數(shù)據(jù)采集終端總體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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瓦斯傳感器安裝在井下各采煤工作面及巷道上，以采集不同點(diǎn)的瓦斯?jié)舛取Ａ砍虨镺～4％CH4，供電方式采取采集器統(tǒng)一直流15 V供電，保障其安全性。當(dāng)井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時，采集終端發(fā)出報警，報警燈不停閃爍的同時又誦討語音報警以提示人員進(jìn)行緊急撤離。同時監(jiān)控室里的集中器也發(fā)出報警，提醒地勤人員采取緊急措施。另外，在報警同時打開風(fēng)門及風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)，以降低瓦斯?jié)舛取Ｍ瑯?，?dāng)井下一氧化碳濃度超標(biāo)也會發(fā)出報警。需注意的是，由于氣敏傳感器都有一定的使用壽命，因此最好一年更換一次傳感器，以保障測量的準(zhǔn)確性。
巷道風(fēng)量的測量采用礦用智能風(fēng)量傳感器，其測量范圍為風(fēng)速0.3～15 m/s；坑道斷面積小于30 m2；允許誤差小于+0.3 m/s；重復(fù)性誤差讀數(shù)值+1％；輸出信號為200～1000 Hz/5～15 Hz或4～20 mA/1～5 mA；工作電壓為Dc 15 v；工作電流小于60 mA；換能器工作頻率為140～150 kHz。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換(或v/F轉(zhuǎn)換)后，可測得其通風(fēng)量的大小，以了解井下空氣質(zhì)量等。
由于井下到處都是易燃的煤，因此，當(dāng)溫度過高時極易發(fā)生自燃的情況；由于井下燃燒為不完全燃燒，因此會產(chǎn)生大量的一氧化碳。上述情況會導(dǎo)致井下人員的一氧化碳中毒，當(dāng)遇到明火時還會產(chǎn)生爆炸。因此井下溫度的測量很重要，尤其對于那些井下較干燥的礦井顯得更加必要。本方案中采用美國DalIas公司的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20，它僅需一根口線與單片機(jī)連接，其測溫范圍為一55～+125℃，精度高，可編程分辨率為9～12位，對應(yīng)溫度分辨率為O.5～O.0625℃。該傳感器還具有用戶可編程溫度報警設(shè)置，在12位分辨率時最多在750 ms內(nèi)可將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。根據(jù)現(xiàn)場情況可安裝多個溫度測量點(diǎn)以監(jiān)控井下溫度的變化。
井下巷道均由鋼架或木架支撐，為防止冒頂、坍塌等危險情況造成人員重大傷亡和財產(chǎn)損失，井下需要實時巡檢巷道壓力情況，并及時整修。因此，在承重架下安裝壓力傳感器實現(xiàn)壓力應(yīng)變的實時監(jiān)測，可及時檢測到出現(xiàn)的險情，從而能夠避免重大事故的發(fā)生。
井下設(shè)備大多為防爆型設(shè)備，因此價格較一般同類型非防爆設(shè)備高許多。當(dāng)出現(xiàn)過壓、失流、缺相或三相不平衡等情況時，常會燒壞電機(jī)造成停產(chǎn)，從而造成重大的損失。為盡量杜絕或減少出現(xiàn)此類狀況后造成損失，在電機(jī)進(jìn)線上安裝精密的電壓、電流互感器，實時監(jiān)測電壓電流的變化。當(dāng)出現(xiàn)非正常變化時及時報警，超出預(yù)定值時自動斷開電源以保障設(shè)備的安全。
井下設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常對安全生產(chǎn)非常重要，因此對風(fēng)機(jī)、水泵、絞車等重大設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測是采集終端的另一重要功能。實時監(jiān)測這些設(shè)備的二次觸點(diǎn)等開關(guān)量，然后經(jīng)光電隔離、整形、限流電路接到單片機(jī)端口，單片機(jī)可根據(jù)這些開關(guān)狀態(tài)來判定設(shè)備的工作狀態(tài)。另外，主控室還可通過集中器向采集終端下發(fā)某設(shè)備工作狀態(tài)命令。
采集終端具有報警功能，當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)異常時，其對應(yīng)LED即出現(xiàn)閃爍狀態(tài)，同時伴有語音報警。大多數(shù)同類設(shè)備與地面設(shè)備間的通信采用專線形式，其主要弊端是安裝不方便且安全性不高，尤其對于井下分支較多的情況會更加麻煩。對于豎井，電纜常會因為罐籠撞幫而被掛斷，出現(xiàn)維護(hù)困難的情況。本方案采用先進(jìn)的低壓電力線載波通信技術(shù)，由于電力電纜在礦井建成的同時就完成了布線，且防護(hù)做的很好，從而避免了線路維護(hù)的麻煩。另外，隨井下掘進(jìn)面向不同方向的擴(kuò)展，電力電纜也會隨著鋪設(shè)好，因此不需要另外再鋪設(shè)專線，只需將具有載波通信功能的傳感器安裝設(shè)置好即可。由于井下交流電源多為127V和220 V，因此在將載波信號耦合到高壓電路上時必須做好隔離和防爆。本方案采用耐壓680 V的聚多元脂電容器作為隔離器件。微處理器PL3105為51兼容，具有8/16位ALU、2
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