多层次总线下的煤矿安检设备系统设计
出处：论文网
时间：2007-03-10
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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