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礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)研究
1. 引言
煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮了重要作用。然而當(dāng)前煤礦事故死亡人數(shù)居高不下，每年死于煤礦事故的官方數(shù)字是6000人，百萬噸死亡率大大高于世界主要產(chǎn)煤國家平均水平。這不僅給人民群眾造成了巨大的痛苦，國家財(cái)產(chǎn)遭受損失，更增加了社會的不穩(wěn)定因素，因此，安全生產(chǎn)是煤炭工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，必須把它放在煤礦各項(xiàng)工作的首位，防治礦井災(zāi)害己成為我國礦業(yè)健康發(fā)展的頭等大事。
2. 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算參數(shù)獲取的研究現(xiàn)狀
2.1 壓差法
用壓差計(jì)測定通風(fēng)阻力的實(shí)質(zhì)是測量風(fēng)流兩點(diǎn)間的勢能差和動壓差，計(jì)算出兩測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力。壓差計(jì)測量方法比較精確，整理數(shù)據(jù)簡單，但收放膠皮管費(fèi)時費(fèi)力，如有足夠的人力和高精度的壓差計(jì)，是可以順利完成測量任務(wù)的。對于局部地段阻力和阻力系數(shù)的測定，此法優(yōu)點(diǎn)更為顯著。
2.2 氣壓法
近年來隨著通風(fēng)測量儀表的發(fā)展和完善，礦井通風(fēng)阻力測量已由過去的傾斜壓差計(jì)法逐步向氣壓計(jì)法轉(zhuǎn)變。氣壓計(jì)法是采用精密氣壓計(jì)測量兩測的絕對靜壓，計(jì)算其靜壓差，再測算兩斷面間的動壓和位能差，利用伯努利方程計(jì)算兩測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力。氣壓計(jì)法測量比較迅速，但要測算出測點(diǎn)間的位壓差并進(jìn)行大氣壓變化的校正，計(jì)算較麻煩。尤其以前用過的恒溫氣壓計(jì)，其容器內(nèi)的氣溫難以保持穩(wěn)定，且要多次重定基點(diǎn)，使測定結(jié)果誤差較大，現(xiàn)已不使用。
3. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
井下測量傳感器通過電纜直接連接到監(jiān)測分站，監(jiān)測分站通過模擬開關(guān)分時采集傳感器信號，同時完成數(shù)據(jù)存儲及與監(jiān)控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交互的功能。這種結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)具有以下不足:傳感器輸出的信號一般為頻率信號，范圍為20OHz~1000Hz，測頻精度不高，可靠性差;每個傳感器都需要一條電纜來連接到監(jiān)測分站，使用電纜多，成本高，不容易擴(kuò)展，它適合測點(diǎn)集中的情況。
4. 總線方式選擇
現(xiàn)場總線是用于過程自動化或制造自動化中的，實(shí)現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備與高層設(shè)備之間互聯(lián)的，全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)。通過它可以實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的分布式控制。自80年代末以來，有幾種類型的現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并且廣泛地應(yīng)用于特定的領(lǐng)域。在分布式測控系統(tǒng)中，目前影響最廣泛的現(xiàn)場總線是CAN總線和RS-485總線。
5. 智能傳感器的設(shè)計(jì)
5.1 智能傳感器的功能及性能要求
(1) 自補(bǔ)償能力:通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移等進(jìn)行自動補(bǔ)償。(2) 數(shù)值處理功能:可以根據(jù)智能傳感器內(nèi)部的程序，自動處理數(shù)據(jù)，如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，剔除異常值等。(3) 遠(yuǎn)程通信功能:具有M一BUS總線接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程距離通信。(4) 信息存儲和記憶功能:能隨時存取檢測數(shù)據(jù)。(5) 掉電保護(hù):掉電后能有效保護(hù)內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)的丟失。(6) 數(shù)字量輸出功能:輸出數(shù)字信號，可方便的與計(jì)算機(jī)或接口總線相連。
5.2 智能氣壓傳感器的電源設(shè)計(jì)
為減少供電電源的數(shù)量，降低費(fèi)用，方便維護(hù)，各智能傳感器采用總線供電方式，由通信分站的本安電源遠(yuǎn)程供電。因總線電阻會帶來壓降，當(dāng)總線過長或智能傳感器過多時，總線末端的智能傳感器將供電不足，為此，各智能傳感器采用分時上電工作方式，即每一時刻只有一臺智能傳感器上電工作，而其余智能傳感器處于低功耗的空閑等待狀態(tài)。在空閑等待狀態(tài)下，片機(jī)P89LPC932上電，只有微功耗穩(wěn)壓器HT7150A(Ul)、HT7130A(UZ)和低功耗單耗電僅300A。
6. 通信分站的設(shè)計(jì)
6.1 通信分站的功能設(shè)計(jì)
一方面，通信分站與井下的智能傳感器組成主從式M一BUS總線通信系統(tǒng)，通信分站作為主機(jī)，工作在查詢方式，通過M一BUS總線對各智能傳感器進(jìn)行巡測，完成對測量數(shù)據(jù)的采集和存儲。另一方面，通信分站還與監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成主從式RS-485總線通信系統(tǒng)，通信分站作為從機(jī)，工作在中斷方式，當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)訪問該分站時，該分站可以立即響應(yīng)，根據(jù)計(jì)算機(jī)的命令進(jìn)行下一步的工作。
6.2 通信分站的組成及工作原理
信分站由RS-485總線從機(jī)接口電路、M一BUS總線主機(jī)接口電路、單片機(jī)、擴(kuò)展RAM、數(shù)據(jù)保護(hù)電路等組成。撥碼鍵盤用于設(shè)定所在的分站地址，由系統(tǒng)管理員將該地址錄入到監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件，監(jiān)控軟件就通過該地址訪問相應(yīng)分站;數(shù)據(jù)保護(hù)電路用于存儲通信分站所接收到的智能傳感器的信息;由于智能傳感器數(shù)據(jù)量較大，我們又?jǐn)U展了RAM(2K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器6116);雙串口單片機(jī)的串口。
6.3 通信分站接口硬件設(shè)計(jì)
通信分站既要通過RS-85總線與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信，還要通過M-BUS總線與智能傳感器通信，因此需要有專門的通信接口電路。監(jiān)控計(jì)算機(jī)與各個通信分站組成RS-485通信系統(tǒng)，通信分站作為系統(tǒng)的從機(jī)。為了便于RS-232串行接口的計(jì)算機(jī)與通信分站之間通信，必須進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)串行接口的相互轉(zhuǎn)換。因此，每個通信分站都帶有RS-485從機(jī)接口電路。
7. 通信接口的設(shè)計(jì)
7.1 通信接口的功能設(shè)計(jì)
通信接口是地面計(jì)算機(jī)與通信分站通信的橋梁。計(jì)算機(jī)串行通信口輸出的RS-232信號只適用于點(diǎn)對點(diǎn)近距離通信，無法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與通信分站的遠(yuǎn)距離通信。再結(jié)合本系統(tǒng)的具體情況，因此，必須將RS-232和RS-485兩種標(biāo)準(zhǔn)的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)正確通信。通信接口實(shí)現(xiàn)的就是這一功能。
7.2 通信接口的組成及工作原理
通信接口主要有以下幾個部分組成:本安型電源電路、RS-232T/TL電平轉(zhuǎn)換電路、TTL瓜S-485電平轉(zhuǎn)換電路、狀態(tài)指示電路及防雷擊電路組成，其中本安型電源電路包括雙重過壓保護(hù)、雙重過流保護(hù)及短路保護(hù)。由于計(jì)算機(jī)輸出RS-232信號，因此先要將232信號轉(zhuǎn)換為TTL信號，然后經(jīng)過光禍隔離提高系統(tǒng)的抗干擾能力，最后再經(jīng)過TTL瓜S-85電路得到我們所需要的RS-485信號。RS-232/TTL電平轉(zhuǎn)換電路和TTL股S-85電平轉(zhuǎn)換電路的電源分別由DC心C和穩(wěn)壓電路提供，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
8. 結(jié)語
在我們設(shè)計(jì)的礦井通風(fēng)安全自動監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)中，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析處理，判斷報(bào)警，并形成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表、曲線或計(jì)算機(jī)文檔，并且將數(shù)據(jù)送入局域網(wǎng)，以便相關(guān)工作人員及時掌握礦井通風(fēng)的安全狀況，管理人員經(jīng)授權(quán)后，可以通過網(wǎng)頁對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊娟, 沈漢年. 礦井通風(fēng)系統(tǒng)評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)[J]. 工業(yè)安全與防塵, 2000,(01).
[3] 賈進(jìn)章, 劉劍, 宋壽森. 通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)值分析[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2003,(06).
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