多層次總線(xiàn)下的煤礦安檢設備系統設計

1 硬件結構設計

該煤礦安檢設備的基本功能有：煤礦各工作面瓦斯濃度的實(shí)時(shí)采集記錄并顯示；瓦斯濃度超標報警；井下風(fēng)速采集記錄；負壓(壓力)記錄；一氧化碳濃度采集記錄；溫度采集記錄；水泵電機工作狀態(tài)；風(fēng)機工作狀態(tài)；絞車(chē)工作狀態(tài)；電源過(guò)壓報警；失流報警；缺相報警；班次產(chǎn)量記錄；開(kāi)關(guān)量采集及設備控制；載波數據傳輸；GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)通信；參數設置；數據存儲；電源自動(dòng)切換管理以及系統自檢等功能。該系統結構如圖1所示。設備分為井下數據采集終端和地面數據集中器兩部分。

2 采集終端設計

數據采集終端是用來(lái)采集、監測、控制井下設備狀態(tài)并將數據記錄上傳給集中器的裝置，可同時(shí)采集16路的開(kāi)關(guān)量和16路模擬量，并經(jīng)A/D轉換形成數字量，安裝在井下防爆箱內。它為各類(lèi)傳感器提供工作電源，并以RS485總線(xiàn)方式通信；與集中器間以載波通信方式進(jìn)行數據交換。集中器間采用載波通信方式，集中器可定時(shí)或隨時(shí)召喚井下各設備參數并存儲。

井下數據采集終端總體功能結構如圖2所示。

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)的瓦斯濃度。量程為O～4％CH4，供電方式采取采集器統一直流15 V供電，保障其安全性。當井下瓦斯濃度超標時(shí)，采集終端發(fā)出報警，報警燈不停閃爍的同時(shí)又誦討語(yǔ)音報警以提示人員進(jìn)行緊急撤離。同時(shí)監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(shí)打開(kāi)風(fēng)門(mén)及風(fēng)機進(jìn)行抽風(fēng)，以降低瓦斯濃度。同樣，當井下一氧化碳濃度超標也會(huì )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；重復性誤差讀數值+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轉換(或v/F轉換)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，當溫度過(guò)高時(shí)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(huì )產(chǎn)生大量的一氧化碳。上述情況會(huì )導致井下人員的一氧化碳中毒，當遇到明火時(shí)還會(huì )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公司的增強型單總線(xiàn)數字溫度傳感器DSl8B20，它僅需一根口線(xiàn)與單片機連接，其測溫范圍為一55～+125℃，精度高，可編程分辨率為9～12位，對應溫度分辨率為O.5～O.0625℃。該傳感器還具有用戶(hù)可編程溫度報警設置，在12位分辨率時(shí)最多在750 ms內可將溫度值轉換為數字量。根據現場(chǎng)情況可安裝多個(gè)溫度測量點(diǎn)以監控井下溫度的變化。

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(shí)時(shí)巡檢巷道壓力情況，并及時(shí)整修。因此，在承重架下安裝壓力傳感器實(shí)現壓力應變的實(shí)時(shí)監測，可及時(shí)檢測到出現的險情，從而能夠避免重大事故的發(fā)生。

井下設備大多為防爆型設備，因此價(jià)格較一般同類(lèi)型非防爆設備高許多。當出現過(guò)壓、失流、缺相或三相不平衡等情況時(shí)，常會(huì )燒壞電機造成停產(chǎn)，從而造成重大的損失。為盡量杜絕或減少出現此類(lèi)狀況后造成損失，在電機進(jìn)線(xiàn)上安裝精密的電壓、電流互感器，實(shí)時(shí)監測電壓電流的變化。當出現非正常變化時(shí)及時(shí)報警，超出預定值時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)電源以保障設備的安全。

井下設備的工作狀態(tài)是否正常對安全生產(chǎn)非常重要，因此對風(fēng)機、水泵、絞車(chē)等重大設備工作狀態(tài)的監測是采集終端的另一重要功能。實(shí)時(shí)監測這些設備的二次觸點(diǎn)等開(kāi)關(guān)量，然后經(jīng)光電隔離、整形、限流電路接到單片機端口，單片機可根據這些開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)判定設備的工作狀態(tài)。另外，主控室還可通過(guò)集中器向采集終端下發(fā)某設備工作狀態(tài)命令。

采集終端具有報警功能，當某一設備出現異常時(shí)，其對應LED即出現閃爍狀態(tài)，同時(shí)伴有語(yǔ)音報警。大多數同類(lèi)設備與地面設備間的通信采用專(zhuān)線(xiàn)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(huì )更加麻煩。對于豎井，電纜常會(huì )因為罐籠撞幫而被掛斷，出現維護困難的情況。本方案采用先進(jìn)的低壓電力線(xiàn)載波通信技術(shù)，由于電力電纜在礦井建成的同時(shí)就完成了布線(xiàn)，且防護做的很好，從而避免了線(xiàn)路維護的麻煩。另外，隨井下掘進(jìn)面向不同方向的擴展，電力電纜也會(huì )隨著(zhù)鋪設好，因此不需要另外再鋪設專(zhuān)線(xiàn)，只需將具有載波通信功能的傳感器安裝設置好即可。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(shí)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