煤矿安全生产与监测设备

2012-01-25 16:26:50来源: 互联网

煤矿安全生产与监测设备

摘要:主要介绍一种适用于中小型煤矿安全生产与监测设备的设计方案。该设备能够实时采集、监测井下工作面的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、压力、温度等重要数据和风机、水泵、绞车和电机的开停状态,具有对交流电源的过压、失流、缺相及各种异常、危险情况的报警功能;另外还具有对班次产量的统计和数据存储功能。系统采用低压电力线载波通信及GSM/GPRS无线通信技术进行数据的传输。

      关键词:低压电力线栽波通信 PL3105C DPSK调制/解调 DSl8820 GSM/GPRS

      引 言

      近年来,国内煤矿重大安全事故不断发生,尤其是中小煤矿情况更为突出,给国家、人民造成了重大损失。为此,国务院十分重视煤矿安全生产问题,不断加大行业管理力度,逐步形成量化监督管理模式,并相继成立“安全评价”部门机构.实现常年有序、真实有效及信息网络化管理.针对日前行业的发展需要,本方案为中小煤矿实现实时安全监管目标提供了必须的条件与手段。为减少布线的麻烦和投资,本方案中下行通道采用了先进的低压电力线扩频载波通信方式,以井下已布好的电缆作为通信介质进行数据传输。上行通道采用无线网路通信方式,报警记录通过GSM网以短消息形式传到预定手机,或通过GPRS传到上级主管部门计算机以便对事故作出及时处理。

      1 硬件结构设计

      该煤矿安检设备的基本功能有:煤矿各工作面瓦斯浓度的实时采集记录并显示;瓦斯浓度超标报警;井下风速采集记录;负压(压力)记录;一氧化碳浓度采集记录;温度采集记录;水泵电机工作状态;风机工作状态;绞车工作状态;电源过压报警;失流报警;缺相报警;班次产量记录;开关量采集及设备控制;载波数据传输;GSM/GPRS无线通信;参数设置;数据存储;电源自动切换管理以及系统自检等功能。该系统结构如图1所示。设备分为井下数据采集终端和地面数据集中器两部分。

矿用系统结构图


      2 采集终端设计

      数据采集终端是用来采集、监测、控制井下设备状态并将数据记录上传给集中器的装置,可同时采集16路的开关量和16路模拟量,并经A/D转换形成数字量,安装在井下防爆箱内。它为各类传感器提供工作电源,并以RS485总线方式通信;与集中器间以载波通信方式进行数据交换。集中器间采用载波通信方式,集中器可定时或随时召唤井下各设备参数并存储。

井下数据采集终端总体功能结构如图2所示。

井下数据采集终端总体功能结构


      瓦斯传感器安装在井下各采煤工作面及巷道上,以采集不同点的瓦斯浓度。量程为O~4%CH4,供电方式采取采集器统一直流15 V供电,保障其安全性。当井下瓦斯浓度超标时,采集终端发出报警,报警灯不停闪烁的同时又诵讨语音报警以提示人员进行紧急撤离。同时监控室里的集中器也发出报警,提醒地勤人员采取紧急措施。另外,在报警同时打开风门及风机进行抽风,以降低瓦斯浓度。同样,当井下一氧化碳浓度超标也会发出报警。需注意的是,由于气敏传感器都有一定的使用寿命,因此最好一年更换一次传感器,以保障测量的准确性。

      巷道风量的测量采用矿用智能风量传感器,其测量范围为风速0.3~15 m/s;坑道断面积小于30 m2;允许误差小于+0.3 m/s;重复性误差读数值+1%;输出信号为200~1000 Hz/5~15 Hz或4~20 mA/1~5 mA;工作电压为Dc 15 v;工作电流小于60 mA;换能器工作频率为140~150 kHz。经A/D转换(或v/F转换)后,可测得其通风量的大小,以了解井下空气质量等。

      由于井下到处都是易燃的煤,因此,当温度过高时极易发生自燃的情况;由于井下燃烧为不完全燃烧,因此会产生大量的一氧化碳。上述情况会导致井下人员的一氧化碳中毒,当遇到明火时还会产生爆炸。因此井下温度的测量很重要,尤其对于那些井下较干燥的矿井显得更加必要。本方案中采用美国DalIas公司的增强型单总线数字温度传感器DSl8B20,它仅需一根口线与单片机连接,其测温范围为一55~+125℃,精度高,可编程分辨率为9~12位,对应温度分辨率为O.5~O.0625℃。该传感器还具有用户可编程温度报警设置,在12位分辨率时最多在750 ms内可将温度值转换为数字量。根据现场情况可安装多个温度测量点以监控井下温度的变化。

      井下巷道均由钢架或木架支撑,为防止冒顶、坍塌等危险情况造成人员重大伤亡和财产损失,井下需要实时巡检巷道压力情况,并及时整修。因此,在承重架下安装压力传感器实现压力应变的实时监测,可及时检测到出现的险情,从而能够避免重大事故的发生。

      井下设备大多为防爆型设备,因此价格较一般同类型非防爆设备高许多。当出现过压、失流、缺相或三相不平衡等情况时,常会烧坏电机造成停产,从而造成重大的损失。为尽量杜绝或减少出现此类状况后造成损失,在电机进线上安装精密的电压、电流互感器,实时监测电压电流的变化。当出现非正常变化时及时报警,超出预定值时自动断开电源以保障设备的安全。

      井下设备的工作状态是否正常对安全生产非常重要,因此对风机、水泵、绞车等重大设备工作状态的监测是采集终端的另一重要功能。实时监测这些设备的二次触点等开关量,然后经光电隔离、整形、限流电路接到单片机端口,单片机可根据这些开关状态来判定设备的工作状态。另外,主控室还可通过集中器向采集终端下发某设备工作状态命令。
采集终端具有报警功能,当某一设备出现异常时,其对应LED即出现闪烁状态,同时伴有语音报警。大多数同类设备与地面设备间的通信采用专线形式,其主要弊端是安装不方便且安全性不高,尤其对于井下分支较多的情况会更加麻烦。对于竖井,电缆常会因为罐笼撞帮而被挂断,出现维护困难的情况。本方案采用先进的低压电力线载波通信技术,由于电力电缆在矿井建成的同时就完成了布线,且防护做的很好,从而避免了线路维护的麻烦。另外,随井下掘进面向不同方向的扩展,电力电缆也会随着铺设好,因此不需要另外再铺设专线,只需将具有载波通信功能的传感器安装设置好即可。由于井下交流电源多为127V和220 V,因此在将载波信号耦合到高压电路上时必须做好隔离和防爆。本方案采用耐压680 V的聚多元脂电容器作为隔离器件。微处理器PL3105为51兼容,具有8/16位ALU、2×16位ADC,内部集成了电力载波通信模块,该模块是专为电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器,载波通信的抗干扰能力很强。

      3 数据集中器设计

数据集中器功能结构如图3所示。

数据集中器功能结构


      数据集中器是放置在主控室用来汇集、监测井下设备运行状况、对异常情况进行报警及显示,并能上传的设备。同时,它还具有对地面绞车运行状况实时监控、计量提升煤罐次数并计算生产量的功能。数据集中器可同时管理多个井矿下的采集终端设备,采用大容量掉电非遗失数据存储器NVRAM,对井下各测量点数据可进行定间隔(1~60 mim可设)存储一个月的数据;可根据矿上生产情况设定班次及上下班交接时间,同时采集、计算并保存当前班、上一班、上上一班的生产量作为工人工作量核算的依据。采集方法是:在罐笼提升绞车电机进线上安装电压、电流互感器,利用绞车档位控制开关的空触点进行上下、档位的辨别,根据罐笼提升重量的变化导致电机输出功率的变化来判别出是空罐、上下人员还是煤罐。需注意的一点是:由于厂矿电压昼夜变化都较大,因此根据公式P=U×I可看出当电压变化时电流也随着变化,电流互感器感应电流也会随着变化,另外还会出现提升过程中罐笼撞绑导致感应电流瞬时过大的情况,也会有为防止罐笼过度摇摆出现危险而在提升过程中暂停(也叫稳绳)的情况。所以,在实际应用中对提升过程采集的信号经A/D转换后,还需要进行求平均值以及设置稳绳时间、空罐重量参数、正常罐重参数、超重报警参数等参数的设置。根据提升有效罐次乘以标准罐煤重量计算出当前班次的产量,到换班时间设备自动进行换班存储,将当前班次产量转存为上一班次,上一班次转存为上上班次,依次循环。对于小型煤矿,这样的产量统计方式可以避免因错计、漏计、少计的人为因素而导致矛盾的发生。

为便于进行参数的设置,集中器还具有人机接口。液晶显示采用清华蓬远公司内藏T6963C控制器的液晶模块,分辨率为128×64点阵,能显示汉字和图形,可当地通过键盘进行参数设置、远动控制操作等。实时刷新显示井

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关键字:安全生产  监测设备

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0125/article_13811.html
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