嵌入式采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

煤炭、石油等化石能源是我國(guó)能源供應(yīng)的主體，特別是煤炭在保障我國(guó)能源安全中，起著基礎(chǔ)性作用。在我國(guó)目前的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭仍占能源總量中的70%左右。 可見(jiàn)煤炭已成為支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中堅(jiān)力量，并且這一現(xiàn)狀在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有太大變化。

在我國(guó)最新制定的煤炭科技十二五發(fā)展規(guī)劃中，提出了“綠色開(kāi)采與生態(tài)礦山”的概念，這就要求提高煤礦生產(chǎn)的安全和采礦區(qū)周邊環(huán)境的保護(hù)。雖然國(guó)家和企業(yè)已經(jīng)為了改善生產(chǎn)條件作了很大努力，但這依舊是一個(gè)沒(méi)有完全解決的問(wèn)題。在我國(guó)煤炭生產(chǎn)中，不安全事故頻頻發(fā)生，對(duì)環(huán)境的破壞和因此導(dǎo)致的死亡事件也屢屢見(jiàn)諸報(bào)端。要解決這一現(xiàn)況，除了提高工人作業(yè)水平以外，必須要加大對(duì)礦井安全設(shè)備的投入。本此設(shè)計(jì)所選定的項(xiàng)目就是立足于實(shí)際，以促進(jìn)煤炭安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)?？梢杂行У臏p少礦井事故的發(fā)生，最大限度保證井下人員的安全和采礦區(qū)周邊環(huán)境的和諧。

結(jié)合我們對(duì)煤炭嚴(yán)峻形勢(shì)的認(rèn)識(shí)和本次大賽的主題，我們將選題方向煤礦安全生產(chǎn)集中監(jiān)控領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)對(duì)構(gòu)建和諧社會(huì)和可持續(xù)性發(fā)展社會(huì)將具有十分重要的意義。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

煤礦在我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用?，F(xiàn)在中國(guó)發(fā)電量的大部分來(lái)自于煤電，煤炭經(jīng)濟(jì)在我國(guó)GDP中占有很大比重，可以說(shuō)煤一朝一夕都在影響著中國(guó)的每一個(gè)家庭的生活?？墒俏覀儾荒芎鲆暤氖?，在煤炭產(chǎn)業(yè)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和GDP增長(zhǎng)的同時(shí)，在煤炭生產(chǎn)中所產(chǎn)生的安全問(wèn)題和對(duì)環(huán)境的破壞問(wèn)題讓我們不得不去關(guān)注。

2005年3月9日,山西呂梁交城礦難,28人死亡

2006年2月1日晚上7時(shí)許,山西省晉城煤業(yè)集團(tuán)所屬寺河煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故,造成23名礦工死亡,另有53人一氧化碳中毒。

2007年03月06日湖南邵陽(yáng)市邵東縣宏發(fā)煤礦在維修巷道時(shí)發(fā)生瓦斯爆炸,15人死亡。

2008年01月20日,山西臨汾市汾西縣煤礦發(fā)生炸藥爆炸,20人死亡。

2009年01月20日21時(shí)0分, 山西臨汾地區(qū)汾西縣永安鎮(zhèn)蔚家?guī)X村一非法私開(kāi)煤礦窩點(diǎn)發(fā)生瓦斯爆炸,造成20人遇難。

……

當(dāng)然這只是列舉了一部分實(shí)例，這些驚心的實(shí)例時(shí)刻都在提醒我們煤炭安全生產(chǎn)的重要性。造成這一現(xiàn)象除了人為因素外，安全檢測(cè)設(shè)備的落后和不到位也是一個(gè)重要的原因。中國(guó)的許多煤礦企業(yè)在生產(chǎn)中，伴生著嚴(yán)重的資源、環(huán)境、安全等問(wèn)題，如果這一問(wèn)題得不到解決將影響長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，這與可持續(xù)性發(fā)展的理論是背道而馳的。據(jù)調(diào)查，全國(guó)的煤炭企業(yè)除46%的高突礦井外，大部分已進(jìn)入深水平開(kāi)采，滲水、瓦斯、坍塌等已成為越來(lái)越大的安全隱患。增加新的高性能檢測(cè)設(shè)備成為解決煤礦安全問(wèn)題的關(guān)鍵，同時(shí)考慮到很多中小心型煤礦企業(yè)的在安全設(shè)施方面的投入能力，開(kāi)發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，使用方便，安全高效的安全檢控設(shè)備成為當(dāng)今中國(guó)大多數(shù)煤炭企業(yè)的迫切需求。

采煤工作面作為整個(gè)采煤作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的第一工作區(qū)，容易發(fā)生瓦斯爆炸、漏水和冒頂?shù)仁鹿?，一旦發(fā)生礦難不但會(huì)直接影響到采煤工人的生命安全，更可能會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。因此，采煤工作區(qū)作為事故地帶，是構(gòu)成整個(gè)煤礦安全體系的最關(guān)鍵一環(huán)。如何保證采煤工作面的安全生產(chǎn)，一直是一個(gè)難以解決的嚴(yán)峻課題。

ATMEL公司的32位AVR嵌入式微處理器性能高、功耗低、價(jià)格適宜，特別是芯片內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)接口，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)的難度，它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力為數(shù)字信號(hào)的處理提供了有力的支持，除此之外它還具有其它優(yōu)良的性能，成為完成本次設(shè)計(jì)的最佳選擇。本次設(shè)計(jì)擬采用基于AVR 32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的EVK1100評(píng)估系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合套件本身所提供的資源，通過(guò)擴(kuò)展其它板卡實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中要求的全部功能。鑒于AVR以上的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合目前的煤礦采煤工作面的安全監(jiān)控存在的不足，設(shè)計(jì)一款基于32位嵌入式AVR微處理器的采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)，提供了一種新型嵌入式的方案，以達(dá)到進(jìn)一步提高采煤工作面的安全性和可靠性。

考慮到作品的實(shí)用性，除實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面的監(jiān)控以外，通過(guò)簡(jiǎn)單的修改(設(shè)計(jì)本身支持這種裁剪和功能擴(kuò)成)，本次設(shè)計(jì)成果也可以很容易的轉(zhuǎn)換到其它安全監(jiān)控領(lǐng)域，如其它采礦工作的安全監(jiān)控、家居安全的監(jiān)控、工廠生產(chǎn)車(chē)間安全生產(chǎn)和倉(cāng)庫(kù)防盜的監(jiān)控、道路安全運(yùn)營(yíng)的監(jiān)控等等。

山東科技大學(xué)原名山東煤礦學(xué)院，對(duì)煤炭的生產(chǎn)和研究都有很長(zhǎng)的歷史，在幾十年的發(fā)展中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在煤炭研究領(lǐng)域建立了健全的體系。目前擁有國(guó)家級(jí)煤礦礦山災(zāi)害實(shí)驗(yàn)室，在煤炭安全上從科研到開(kāi)發(fā)，我校都走在了全國(guó)煤炭領(lǐng)域的前列。

同時(shí)我們嵌入式實(shí)驗(yàn)2003年成立，積累了很多的有關(guān)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)校擁有眾多資深學(xué)者和教授，為中國(guó)煤炭事業(yè)和嵌入式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)展培養(yǎng)了大量的人才。本次設(shè)計(jì)也得到有關(guān)老師的支持和鼓勵(lì)，同時(shí)通過(guò)向他們的請(qǐng)教，讓我們團(tuán)隊(duì)成員對(duì)這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。相信通過(guò)老師的指導(dǎo)和我們的努力我們一定能夠完成本次設(shè)計(jì)。

二、需求分析

2.1 功能要求

采煤工作面作為采煤工作的第一現(xiàn)場(chǎng)，那里的情況瞬時(shí)萬(wàn)變，是整個(gè)井下安全體系中最關(guān)鍵的一環(huán)。本次設(shè)計(jì)將重點(diǎn)關(guān)注如何確保采煤工作面安全生產(chǎn)這一嚴(yán)峻問(wèn)題。

保證生產(chǎn)過(guò)程安全所采取的措施中，除了增強(qiáng)工人自身安全意識(shí)外，另一個(gè)重要的因素就是完善基于各種監(jiān)控設(shè)備的預(yù)警系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在影響采煤工作面安全的各種可檢測(cè)因素中，瓦斯?jié)舛?、頂板壓力、水位、粉塵濃度成為關(guān)鍵，同時(shí)為了便于地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)了解井下的工作場(chǎng)景，實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面監(jiān)控也是必不不可少的。