創(chuàng)新者：任國禮

煤礦井下氣體檢測系統(tǒng)技術(shù)

創(chuàng)新者：任國禮

進(jìn)行煤礦井下瓦斯氣體檢測，能實(shí)時(shí)掌握井下各區(qū)域瓦斯?jié)舛?，進(jìn)行瓦斯超限報(bào)警，及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)控制、人員疏散，避免瓦斯爆炸、人員傷亡的惡性事故發(fā)生。因此進(jìn)行煤礦井下瓦斯氣體檢測至關(guān)重要。本文圍繞煤礦井下氣體檢測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，引入以太網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了井下氣體檢測裝置與地面監(jiān)控主機(jī)。

煤礦井下存在有CH4、CO等易燃易爆氣體，當(dāng)因井下通風(fēng)不暢，造成瓦斯聚集，可能會(huì)引發(fā)瓦斯爆炸的惡性事故。事故發(fā)生后不僅會(huì)毀壞礦井，影響煤礦正常開采，而且嚴(yán)重情況下會(huì)造成井下礦工的傷亡。近幾年隨著煤礦地不斷開采，煤礦的挖掘深度不斷增加，煤層瓦斯氣體濃度增加等不利因素又增加了煤礦發(fā)生瓦斯爆炸的可能。為此檢測井下瓦斯氣體的濃度，進(jìn)行通風(fēng)控制、人員疏散等工作意義重大?，F(xiàn)有的井下氣體檢測裝置未能將數(shù)據(jù)上傳或是采用的通信技術(shù)落后，已經(jīng)不符合智慧礦山的要求，需要設(shè)計(jì)新型的煤礦井下氣體檢測系統(tǒng)，本文對此展開研究意義重大。

煤礦井下氣體檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1　煤礦井下氣體檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

煤礦井下氣體檢測系統(tǒng)中的氣體檢測裝置一般檢測井下CH4氣體濃度，當(dāng)然也有檢測井下氧氣或是毒性氣體的。從結(jié)構(gòu)上又可分為攜帶式與固定式：攜帶式允許井下人員攜帶檢測裝置實(shí)時(shí)或定期檢測進(jìn)行氣體種類與濃度，而固定式則安裝于井下固定地點(diǎn)，實(shí)時(shí)檢測該地點(diǎn)氣體種類與濃度。本文著重討論固定式氣體檢測裝置。

隨著科技發(fā)展，煤礦安全監(jiān)視系統(tǒng)越來越智能化，原有井下固定式檢測裝置由于沒有上傳數(shù)據(jù)的功能或是只能通過串口簡單地將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)未能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)視，已不適用現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)視系統(tǒng)。為此新型檢測裝置必須能夠?qū)⒉杉降脷怏w濃度數(shù)據(jù)傳遞到煤礦地面監(jiān)控中心。新的煤礦井下氣體檢測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。煤礦井下各氣體檢測裝置一方面完成對所在地點(diǎn)的氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)采集分析氣體組成與含量并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并進(jìn)行預(yù)警；另一方面通過以太網(wǎng)網(wǎng)路將數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸給地面監(jiān)控中心的監(jiān)控主機(jī)，以便煤礦管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控井下各監(jiān)測點(diǎn)的氣體瓦斯含量。

該新型煤礦井下氣體檢測系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，消除了原有RS232或是485通信造成的傳輸距離的限制，通信網(wǎng)絡(luò)能在煤礦井下進(jìn)行任意拓展、全方位覆蓋井下各處，且能夠根據(jù)井下的布局靈活配置氣體檢測裝置。而且地面監(jiān)控中心能夠獲取井下各區(qū)域的氣體瓦斯?jié)舛?，也可根?jù)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，當(dāng)濃度超限時(shí)也可對井下相關(guān)區(qū)域按危險(xiǎn)程度發(fā)出報(bào)警信號。

煤礦井下氣體監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

煤礦井下氣體檢測裝置的硬件簡化圖如圖2所示。圖中瓦斯傳感器、溫度傳感器將裝置所在煤礦井下區(qū)域的氣體與溫度轉(zhuǎn)換成電信號通過調(diào)理電路輸出給CPU單元。CPU以DSP作為硬件核心，完成信號的獲取采集運(yùn)算工作，并進(jìn)一步分析判斷是否瓦斯傳、溫度超限而后發(fā)出報(bào)警。同時(shí)裝置將采集到的瓦斯氣體數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸給地面監(jiān)控中心。按鍵與顯示部分完成讀取人員按鍵輸入與液晶顯示功能，電源部分給裝置內(nèi)各器件供電使裝置正常運(yùn)行，調(diào)試接口允許廠家在出廠前和現(xiàn)場調(diào)試設(shè)備。

裝置上電開機(jī)后首先進(jìn)行液晶顯示屏、DSP芯片、以太網(wǎng)控制器等器件的初始化，然后進(jìn)行瓦斯?jié)舛扰c溫度的采集工作。DSP芯片對輸入的瓦斯信號進(jìn)行濃度急速與判斷，如果超限發(fā)出警報(bào)。無論濃度是否超限，計(jì)算出的瓦斯?jié)舛染ㄟ^當(dāng)液晶屏實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀格式通過以太網(wǎng)傳遞給地面監(jiān)控中心。軟件流程圖如圖3所示。

圖2　煤礦井下氣體檢測裝置的硬件簡圖

圖3　軟件流程圖

地面監(jiān)控中心監(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)

地面煤礦監(jiān)控中心應(yīng)設(shè)置一臺(tái)符合工業(yè)控制要求的電腦作為井下瓦斯氣體監(jiān)控主機(jī)。該監(jiān)控主機(jī)要求能通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接收進(jìn)行氣體檢測裝置上傳的瓦斯數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理以便進(jìn)行界面顯示。而且地面瓦斯監(jiān)控主機(jī)允許煤礦管理人員進(jìn)行設(shè)定瓦斯超限閾值、設(shè)定數(shù)據(jù)讀取周期、打印報(bào)表等工作。

監(jiān)控主機(jī)軟件采用VB進(jìn)行程序編寫，程序設(shè)計(jì)主要由以太網(wǎng)通信控制部分、數(shù)據(jù)處理、界面顯示、超限報(bào)警、用戶管理、參數(shù)配置等幾部分組成，設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。監(jiān)控主機(jī)軟件通過以太網(wǎng)通信控制程序解析出井下各區(qū)域氣體檢測裝置上傳的數(shù)據(jù)后通存入數(shù)據(jù)庫中以便進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)庫同時(shí)也應(yīng)存儲(chǔ)煤礦管理人員的戶名密碼、監(jiān)測區(qū)域編號、中間運(yùn)行數(shù)據(jù)等等。監(jiān)控主機(jī)應(yīng)能提供良好的監(jiān)視控制界面，煤礦管理人員能直觀地觀測出井下監(jiān)測區(qū)域的瓦斯氣體濃度，并通過界面打印報(bào)表、維護(hù)系統(tǒng)等。

圖4　監(jiān)控主機(jī)軟件設(shè)計(jì)圖

結(jié)語

本文首先介紹了進(jìn)行煤礦井下瓦斯氣體檢測的重要性，然后結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)提出了新型的井下氣體檢測系統(tǒng)。本文接著對系統(tǒng)中的井下氣體檢測裝置與地面監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)使得井下各區(qū)域瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控變得更實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、直觀、可靠。對提高煤礦安全生產(chǎn)有重大意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.032