多層次總線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?jié)舛鹊膶崟r采集記錄并顯示；瓦斯?jié)舛瘸瑯藞缶?；井下風速采集記錄；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)；風機工作狀態(tài)；絞車工作狀態(tài)；電源過壓報警；失流報警；缺相報警；班次產量記錄；開關量采集及設備控制；載波數據傳輸；GSM/GPRS無線通信；參數設置；數據存儲；電源自動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采集、監(jiān)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，可同時采集16路的開關量和16路模擬量，并經A/D轉換形成數字量，安裝在井下防爆箱內。它為各類傳感器提供工作電源，并以RS485總線方式通信；與集中器間以載波通信方式進行數據交換。集中器間采用載波通信方式，集中器可定時或隨時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，以采集不同點的瓦斯?jié)舛?。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?jié)舛瘸瑯藭r，采集終端發(fā)出報警，報警燈不停閃爍的同時又誦討語音報警以提示人員進行緊急撤離。同時監(jiān)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，在報警同時打開風門及風機進行抽風，以降低瓦斯?jié)舛取Ｍ瑯?，當井下一氧化碳濃度超標也會發(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。

巷道風量的測量采用礦用智能風量傳感器，其測量范圍為風速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A/D轉換(或v/F轉換)后，可測得其通風量的大小，以了解井下空氣質量等。

由于井下到處都是易燃的煤，因此，當溫度過高時極易發(fā)生自燃的情況；由于井下燃燒為不完全燃燒，因此會產生大量的一氧化碳。上述情況會導致井下人員的一氧化碳中毒，當遇到明火時還會產生爆炸。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數字溫度傳感器DSl8B20，它僅需一根口線與單片機連接，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可編程溫度報警設置，在12位分辨率時最多在750 ms內可將溫度值轉換為數字量。根據現場情況可安裝多個溫度測量點以監(jiān)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損失，井下需要實時巡檢巷道壓力情況，并及時整修。因此，在承重架下安裝壓力傳感器實現壓力應變的實時監(jiān)測，可及時檢測到出現的險情，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，因此價格較一般同類型非防爆設備高許多。當出現過壓、失流、缺相或三相不平衡等情況時，常會燒壞電機造成停產，從而造成重大的損失。為盡量杜絕或減少出現此類狀況后造成損失，在電機進線上安裝精密的電壓、電流互感器，實時監(jiān)測電壓電流的變化。當出現非正常變化時及時報警，超出預定值時自動斷開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非常重要，因此對風機、水泵、絞車等重大設備工作狀態(tài)的監(jiān)測是采集終端的另一重要功能。實時監(jiān)測這些設備的二次觸點等開關量，然后經光電隔離、整形、限流電路接到單片機端口，單片機可根據這些開關狀態(tài)來判定設備的工作狀態(tài)。另外，主控室還可通過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，其對應LED即出現閃爍狀態(tài)，同時伴有語音報警。大多數同類設備與地面設備間的通信采用專線形式，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更加麻煩。對于豎井，電纜常會因為罐籠撞幫而被掛斷，出現維護困難的情況。本方案采用先進的低壓電力線載波通信技術，由于電力電纜在礦井建成的同時就完成了布線，且防護做的很好，從而避免了線路維護的麻煩。另外，隨井下掘進面向不同方向的擴展，電力電纜也會隨著鋪設好，因此不需要另外再鋪設專線，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