LED技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明監(jiān)控系統(tǒng)

介紹一種基于LED技術(shù)的煤礦照明與安全監(jiān)控系統(tǒng),在提供煤礦生產(chǎn)照明環(huán)境的同時(shí),充分利用其低壓供電特性,搭建了一套集路標(biāo)指示、報(bào)警檢測、人員身份識別、事故疏散以及礦井地理信息、管理調(diào)度等為一體的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。

1　LED技術(shù)及在礦井應(yīng)用中的優(yōu)勢

LED (Light Emitting Diode)是一種將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體元件,它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色發(fā)光的原理,采用電場發(fā)光,是一種冷光源,無頻閃且色溫接近日光,能有效保護(hù)井下作業(yè)人員的視力;可以完全避免因普通照明燈引發(fā)的瓦斯爆炸事故。LED采用低壓直流電源供電,工作電壓在6～24 V之間,比使用高壓電源更為安全、經(jīng)濟(jì),其功耗僅為傳統(tǒng)白熾燈的30% ,能有效地節(jié)約能源。此外,還具有響應(yīng)時(shí)間快、穩(wěn)定性好,工作壽命長( > 10萬h) 、免維護(hù)的特點(diǎn)。在礦井中,可以安裝超高亮白光LED燈帶提供坑道照明;還可以間插安裝紅、綠、黃、橙色LED用于標(biāo)志間隔距離、監(jiān)測點(diǎn)、岔道、安全撤離路線、預(yù)警、報(bào)警等信息;可以在坑道內(nèi)間隔適當(dāng)距離配置蓄電池后備電源,即便出現(xiàn)塌方事故軋斷照明通信線路,也可以確保局部照明與LED指示信息,幫助井下人員逃生。

LED供電能夠采用24 V的低壓線路,這也為實(shí)現(xiàn)礦井安全監(jiān)測設(shè)備(模塊級)供電及數(shù)據(jù)通信提供了一個安全、穩(wěn)定的供電環(huán)境。完全可以建立一個基于單片機(jī)模塊的小型通信網(wǎng)絡(luò),對煤礦安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的瓦斯、一氧化碳、風(fēng)量、溫度以及視頻信息等監(jiān)測模塊提供可靠的信息采集、傳輸通道;還可采用LED技術(shù)中的紅外編碼身份識別技術(shù),將紅外采集探頭以適當(dāng)間隔距離安裝在LED照明燈帶中,對礦井內(nèi)的人員進(jìn)行身份信息的采集與傳輸,及時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給礦井地面上的上位機(jī),并通過通信網(wǎng)絡(luò)匯總到生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)控服務(wù)器,與管理信息數(shù)據(jù)庫、礦井坑道地圖等構(gòu)成一個立體的、實(shí)時(shí)的人員分布地理信息系統(tǒng),對生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)控和救援、疏散等都能提供可靠的保障。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1是采用LED技術(shù)實(shí)現(xiàn)的坑道照明與安全監(jiān)控系統(tǒng)在井下坑道中的分布示意圖。

(1) LED照明燈帶及后備供電。圖1中,連接所有節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的帶狀線纜采用市面上廣泛銷售的“可塑霓虹燈”的封裝形式,將白光LED串聯(lián)、并聯(lián)等距排列安裝,可以解決整個坑道的照明問題。LED取代白熾燈具有功耗小,使用壽命長等明顯優(yōu)勢。它是一個點(diǎn)光源,比較容易對光的輻射方向和發(fā)光面積進(jìn)行精確的控制,特別是在一些照明面積要求不大的應(yīng)用領(lǐng)域(礦井)優(yōu)勢更為明顯。采用傳統(tǒng)光源照明,往往因?yàn)檎彰髅娣e超出了實(shí)際的需求而形成一種能源的浪費(fèi),而LED光源,既能滿足照明要求,又不至于形成能源浪費(fèi)。由于采用低壓直流供電方案,每隔50 m左右便可配置一套后備蓄電池,既能實(shí)現(xiàn)停電或故障時(shí)的應(yīng)急照明,還能在塌方等事故發(fā)生造成斷電的情況下,提供疏散指示與局部照明。

(2) 路標(biāo)、疏散路線指示。白光LED照明條件下,運(yùn)用彩色的LED點(diǎn)光源可以間隔分布于燈帶中,用于指示間距、安全通道、岔道、撤離路線等路標(biāo)標(biāo)識。比如用紅色表示緊急撤離路線,用黃色表示注意路段,用綠色表示20 m、50 m、100 m的間距信息;用組合的符號表示方向、岔道等交通標(biāo)識等;利用點(diǎn)陣型LED模塊還可以進(jìn)一步提供更為詳細(xì)的方位等信息。

(3) 身份識別與安全監(jiān)控模塊。LED燈帶的低壓供電與通信線路為監(jiān)控系統(tǒng)提供了便利的條件。

選用紅外光編碼/解碼技術(shù),利用安裝于礦工LED燈具上的紅外編碼模塊和等間隔LED光帶上的光解碼接收探頭,實(shí)現(xiàn)井下人員的身份識別、考勤、跟蹤、分布位置等管理功能。線路中還可以任意掛接瓦斯檢測模塊、火警探測、排風(fēng)監(jiān)測、攝像監(jiān)測等,這些模塊都采用最新32位嵌入式微控制器設(shè)計(jì),集成RS232和標(biāo)準(zhǔn)CAN接口,借助于工業(yè)CAN總線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,購建一套在線監(jiān)測管理信息系統(tǒng)。

(4) 通信網(wǎng)絡(luò)。在LED燈帶布線系統(tǒng)中可以并行排列抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)總線通信網(wǎng)絡(luò)———CANbus系統(tǒng), CAN是一種多主方式的串行通信總線,基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率,高抗電磁干擾性,而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10 km時(shí), CAN 仍可提供高達(dá)50 Kbit/ s的數(shù)據(jù)傳輸速率。使用這種工業(yè)級的通信方式,可以保證通信數(shù)據(jù)的可靠性、實(shí)時(shí)性,又能結(jié)合LED供電線路的特點(diǎn)。CAN總線容錯性能好,可以大大降低后期的維護(hù)、維修和擴(kuò)充成本,它是坑道通信的最佳形式。CAN總線回到地面則與地面終端連接,而各地面終端與管理中心的網(wǎng)絡(luò)傳輸,可借助于ADSL或者光纖等方式實(shí)現(xiàn)。

3　安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成與在線管理信息系統(tǒng)

圖2是安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。沿著LED燈帶掛接在CAN總線上的各種傳感器、監(jiān)視、監(jiān)測模塊在坑道口通過通信集中器連接到地面上的上位機(jī)終端,再通過ADSL、DDN專線或者光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)連接到監(jiān)控中心,基于地理位置分布等方面的因素可以采用Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息傳輸。

系統(tǒng)中,以圖形方式實(shí)時(shí)監(jiān)測單個煤礦的全部傳感器的工作情況以及井下設(shè)備的工作狀態(tài),在圖2上能夠看到每個傳感器顯示的如瓦斯?jié)舛却笮『驮O(shè)備的開停狀態(tài),通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)向、變化趨勢等信息。瓦斯?jié)舛戎苯由婕吧a(chǎn)的安全性,可通過軟件設(shè)計(jì)提供實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛取⒆兓厔莸认嚓P(guān)數(shù)據(jù)的處理和分析功能。系統(tǒng)可據(jù)所采集數(shù)據(jù)自動生成相應(yīng)專題圖并做出超限警報(bào)提示。此外,礦井信息與空間位置信息有著密切的關(guān)系,因此可以引入能夠把空間位置信息與屬性數(shù)據(jù)信息結(jié)合在一起的軟件平臺。采用Map Info等,利用其完善的地圖操作功能,定位、地圖導(dǎo)航及各種統(tǒng)計(jì)分析功能實(shí)現(xiàn)了可視化的生產(chǎn)調(diào)度、安全調(diào)度及安全監(jiān)控等功能。同時(shí)能夠?qū)υ綄釉浇玳_采、貫通采空區(qū)、貫通含水層這些可能發(fā)生重大事故及日常巷道掘進(jìn)貫通中容易出現(xiàn)的安全隱患都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。配合人員身份識別,可實(shí)現(xiàn)井下人員考勤、定位等信息顯示。

利用先進(jìn)的軟件研發(fā)手段,系統(tǒng)具有煤礦工作站采掘工程圖動態(tài)編輯、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信、安全分析預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督、整改方案制作、網(wǎng)絡(luò)督辦等系列功能,能夠任意選擇顯示目標(biāo)煤礦和相應(yīng)煤礦的采掘工程圖,能夠隨意查詢游覽采掘工程圖和其他生產(chǎn)關(guān)系圖透明疊加進(jìn)行空間分析;能夠直接在圖2上測量距離,能夠直接在數(shù)字采掘工程圖越界位置處編制警告督辦令,并通過網(wǎng)絡(luò)及時(shí)下發(fā)。安全監(jiān)控功能包括在線檢測、瓦斯超限、曲線分析和全局監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線分析和郵件處理等功能。

4　結(jié)束語

基于LED技術(shù)的煤礦照明與安全監(jiān)控系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)白熾燈照明技術(shù),在使用安全低壓的條件下,具有節(jié)能、安全、防爆能力強(qiáng)的顯著優(yōu)勢。結(jié)合最新嵌入式微控制系統(tǒng)以及抗干擾能力極強(qiáng)的CAN總線數(shù)據(jù)通信平臺,通過Internet或者光纖與監(jiān)控中心服務(wù)器相連,可充分發(fā)揮出功耗低、處理能力強(qiáng)、兼容性好、集成度高、模塊化、體積小、可靠安全的性能。