楊宏亮

（黑龍江穆陵卷煙廠，黑龍江哈爾濱150001）

煤炭礦井?dāng)?shù)量分布比較廣，最大范圍達幾十平方公里，分布比較零散，目前安全監(jiān)控主要是采用人工檢測礦井下設(shè)備運行狀況方式。由工人每日定時查看設(shè)備運行狀況同時記錄礦井中的重要數(shù)據(jù)。這種方式必然增加人員的勞動強度，也影響設(shè)備監(jiān)控和礦井?dāng)?shù)據(jù)的實時性及準(zhǔn)確性[1]。并且當(dāng)?shù)V井設(shè)備、電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時一般都不能及時發(fā)現(xiàn)，從而得不到有效監(jiān)控，防患和控制。

基于太陽能礦區(qū)測控系統(tǒng)是根據(jù)目前礦區(qū)的自然環(huán)境和礦區(qū)野外生產(chǎn)與管理的特殊需要而開發(fā)和研制的礦區(qū)設(shè)備多功能監(jiān)控系統(tǒng)。礦區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用比較先進的微電子技術(shù)與礦區(qū)專用成熟的傳感器技術(shù)、計算機診斷技術(shù)、自動化控制技術(shù)和太陽能電源應(yīng)用相結(jié)合，對礦井下瓦斯氣體及其設(shè)備工況進行分析、判斷更準(zhǔn)確、自動化控制更可靠。采用太陽能電源和數(shù)據(jù)收、發(fā)用單片機控制方式更具有技術(shù)先進、應(yīng)用可靠、使用方便、抗環(huán)境損壞的特點[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于太陽能礦區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)通過檢測示功圖、電流、電壓、瓦斯氣體、礦井?dāng)z像和巡檢記錄的數(shù)據(jù)，顯示出分析的結(jié)果，自動控制礦井設(shè)備安全運行。監(jiān)控信息及有關(guān)數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，以便管理人員可及時了解現(xiàn)場工況。礦井監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示。

1.1 礦區(qū)監(jiān)控電源系統(tǒng)

礦區(qū)中監(jiān)控系統(tǒng)的電源部分由太陽能電池板和免維護電池、以及BOOST和BUCK電路組成，通過變壓及穩(wěn)壓處理電路給監(jiān)控系統(tǒng)供電，考慮到野外的天氣不確定因素，免維護電池的容量可滿足在無光照情況可持續(xù)供電7天。采用太陽能供電不僅節(jié)能環(huán)保又可保證系統(tǒng)在無干擾情況下穩(wěn)定運行。

1.2 現(xiàn)場控制系統(tǒng)

接收數(shù)據(jù)由信號采集器經(jīng)無線傳輸模塊上傳的示功圖數(shù)據(jù)，并與隨機存儲器中的數(shù)據(jù)比對，以判斷當(dāng)前礦區(qū)設(shè)備的工作狀態(tài)；現(xiàn)場信號如三相電流、電壓等通過傳感器、變壓器變成標(biāo)準(zhǔn)信號由A/D轉(zhuǎn)換器完成信號采集；各種報警信息如掉電、防盜等信號經(jīng)過信號處理送入現(xiàn)場控制儀的中央處理器，現(xiàn)場控制儀對各種信號進行統(tǒng)計處理完成電機保護、通訊識別、報警處理，對影響礦區(qū)設(shè)備正常工作的各種因素進行定量分析、比較、自動控制，使其工作在最佳狀態(tài)。接收中心站通過GPRS傳來的遙控指令完成遙測、遙控等功能，同時它也接收鍵盤輸入等信號并完成現(xiàn)場顯示等要求[3]。

1.3 信號采集器

通過在氣體傳感器上加裝載荷位移傳感器檢測瓦斯氣體每一瞬間時載荷和位移的變化量，經(jīng)微處理器進行數(shù)學(xué)模型處理后得到形狀簡單而又真實并準(zhǔn)確反映礦區(qū)設(shè)備工作狀態(tài)的示功圖數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線模塊傳回至現(xiàn)場控制儀[4]。

1.4 中心站

通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收各測站傳送的數(shù)據(jù)，實時了解礦井動態(tài)參數(shù)，故障原因及其他設(shè)備參數(shù)，完成對礦井的集中管理功能?？梢暬瘓D形界面美觀、友好，并通過Internet實現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程瀏覽管理、在線分析等功能，對數(shù)字礦井的建設(shè)提供最基本的支持。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart

2 示功圖原理

平時礦井設(shè)備正常工作狀態(tài)下，反映在瓦斯氣體載荷的變化量很大[5]。假設(shè)把礦井下氣體視為一根反映泵在井下工作狀態(tài)的導(dǎo)線，礦井下瓦斯氣體的載荷位移以應(yīng)力波的形式由傳感器傳輸?shù)降孛?，通過在氣體傳感器上加裝載荷位移傳感器檢測光桿上每一瞬間時載荷和位移的變化量，經(jīng)微處理器進行數(shù)學(xué)模型處理后得到形狀簡單而又真實并準(zhǔn)確反映礦井下氣體狀態(tài)的示功圖，對影響礦井下瓦斯氣體的各種因素進行定量分析、比較、自動控制，使礦井下設(shè)備工作在最佳狀態(tài)。因此采用示功圖分析礦井下瓦斯氣體狀態(tài)，一直是地質(zhì)工作者應(yīng)用的方法。為了便于分析，常在理論示功圖的基礎(chǔ)上分析實測示功圖，理論示功圖（如圖2）為平行四邊形。

圖2 理論示功圖Fig.2 Theoretical indicator diagram

圖2中A、B線為上軸瓦斯氣體傳感器的靜載荷變化的理論示功圖加載線，A-B-C為上軸瓦斯氣體傳感器的載荷變化線。C、D為下軸瓦斯氣體的靜載荷變化的理論示功圖卸載線，C-D-A為下軸瓦斯氣體的載荷變化線。

實際工作中，影響礦井下氣體的因素很多，反映礦井下氣體狀態(tài)的圖形變化很大，如圖3為實測正常的示功圖。

圖3 實測正常的示功圖Fig.3 Indicator diagram of normal measurement

圖3中兩條線是分析示功圖用的最大理論負(fù)載線和最小理論負(fù)載線。由于礦井下瓦斯氣體狀態(tài)十分復(fù)雜，圖形變化各異，如礦井下瓦斯氣體高濃度狀態(tài)圖，如圖4所示，其中F’、D’為礦井下瓦斯氣體狀態(tài)量。

圖4 礦井下瓦斯氣體高濃度狀態(tài)圖Fig.4 Diagram of gas of high concentration in the mine

圖5虛線交叉點為礦井下瓦斯氣體傳感器控制點，控制點應(yīng)根據(jù)礦井下瓦斯氣體狀態(tài)而設(shè)定。圖中瓦斯氣體傳感器荷點為65%，瓦斯氣體傳感器位移點為50%。

圖5 礦井下傳感器實際控制點Fig.5 Actual control point of the sensor in the mine

礦井下瓦斯氣體傳感器控制點的設(shè)定是能夠有效的監(jiān)測到礦井下瓦斯氣體采集的信號量變化，根據(jù)圖5中F’、D’不間斷變化的規(guī)律。在礦井下瓦斯氣體的采集點按百分點在0～100內(nèi)任意設(shè)置。如圖5載荷控制點為65%，位移控制點在50%，方法如下：

PK=（PC-PL）/[（PH-PL）/100]

式中：PK-氣體控制點 PC-氣體位置采樣值

PH-采樣的最高值 PL-采樣的最低值

當(dāng)示功圖出現(xiàn)異常變化時，智能監(jiān)控器通過圖形數(shù)據(jù)比較，產(chǎn)生聲和光報警，在規(guī)定的時間后控制礦井下設(shè)備停止作業(yè)。

3 軟件設(shè)計原理

開機自檢結(jié)束后，進行按序接收各類信息，檢測數(shù)據(jù)，開始分析，比較并識別正常與異常的圖形和數(shù)據(jù)。礦井下設(shè)備狀態(tài)給出示功圖，電量功率參量，系統(tǒng)效率。

當(dāng)?shù)V井出現(xiàn)異常狀態(tài)相應(yīng)的圖形和數(shù)據(jù)出現(xiàn)時，監(jiān)控系統(tǒng)控制指令，執(zhí)行電路斷開礦井下設(shè)備電機電源、避免事故的發(fā)生，并發(fā)出聲光報警顯示故障狀態(tài)。

當(dāng)故障消除后，指令控制執(zhí)行電路首先進行啟機前的聲光報警，3min后接通礦井下設(shè)備電源啟機運行。在電機啟動運行前，電路兩次悠車試啟機動作，時間根據(jù)傳感器周期的時間選擇。以悠車后平衡塊停在啟機最容易的位置上啟機，確保設(shè)備運行安全。

監(jiān)控器自動記錄當(dāng)前運行時間，重啟機時間，巡檢時間，監(jiān)測時間和相關(guān)的圖形、報警數(shù)據(jù)等各個參數(shù)，并存儲三天以上的相關(guān)數(shù)據(jù)和工況信息?？砂存I查詢，逐項顯示為礦井工作人員提供管理信息。

監(jiān)控中心計算機系統(tǒng)接收礦井經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)和圖形，自動形成生產(chǎn)報表，按要求存儲，以備查詢。軟件工作原理流程圖如圖6所示。

圖6 軟件原理流程圖Fig.6 Software principle flowchart

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)可實現(xiàn)對礦井下目前所有的傳感器參數(shù)進行遠(yuǎn)程采集，并具有隔離和抗干擾能力；通信能夠全兼容有線、無線、微波、光纜等通信系統(tǒng)和高速、低速等通信方式，使數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木C合能力變得十分強大，完全適用于礦井下的復(fù)雜數(shù)據(jù)系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可減少人力、物力投入，節(jié)省大量電能，降低維護消耗，是提高礦井安全生產(chǎn)管理措施和生產(chǎn)效益的國內(nèi)最先進的創(chuàng)新節(jié)能產(chǎn)品。

［1］李新東.礦山安全系統(tǒng)工程［M］.煤炭工業(yè)出版社，2005，27(3)：71～75.

［2］李葉，沈斐敏，等.礦井安全評估管理系統(tǒng)鑒定材料［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2006，（5）：45～49.

［3］E.GELENBE&G.PUJOLLE.Introduction to Queueing Networks.John Wiley&Sons Ltd ［J］.Systems Engineering Theor and Practice,2007,53(3)：417～423.

［4］RAIF O.ONVURA.Asynchronous Transfer Mode Networks：Performancelssues.ARTECH HOUSE［J］.IEEETrans on Reliability,2008，(3)：84～87.

［5］MARTIN DE PRYCKE.Asynchronous Transfer Mode Solution for Broadband ISDN(Second Edition).Ellis Horwood［J］.IEEE Trans on Power Systems,2008，(4)：1927～1933.