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礦井通風(fēng)安全自動(dòng)監測報警系統的開(kāi)發(fā)研究
1. 引言
煤炭是我國的基礎能源，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮了重要作用。然而當前煤礦事故死亡人數居高不下，每年死于煤礦事故的官方數字是6000人，百萬(wàn)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，國家財產(chǎn)遭受損失，更增加了社會(huì )的不穩定因素，因此，安全生產(chǎn)是煤炭工業(yè)發(fā)展的重要基礎，必須把它放在煤礦各項工作的首位，防治礦井災害己成為我國礦業(yè)健康發(fā)展的頭等大事。
2. 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò )解算參數獲取的研究現狀
2.1 壓差法
用壓差計測定通風(fēng)阻力的實(shí)質(zhì)是測量風(fēng)流兩點(diǎn)間的勢能差和動(dòng)壓差，計算出兩測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力。壓差計測量方法比較精確，整理數據簡(jiǎn)單，但收放膠皮管費時(shí)費力，如有足夠的人力和高精度的壓差計，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的測定，此法優(yōu)點(diǎn)更為顯著(zhù)。
2.2 氣壓法
近年來(lái)隨著(zhù)通風(fēng)測量?jì)x表的發(fā)展和完善，礦井通風(fēng)阻力測量已由過(guò)去的傾斜壓差計法逐步向氣壓計法轉變。氣壓計法是采用精密氣壓計測量?jì)蓽y的絕對靜壓，計算其靜壓差，再測算兩斷面間的動(dòng)壓和位能差，利用伯努利方程計算兩測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力。氣壓計法測量比較迅速，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，計算較麻煩。尤其以前用過(guò)的恒溫氣壓計，其容器內的氣溫難以保持穩定，且要多次重定基點(diǎn)，使測定結果誤差較大，現已不使用。
3. 系統總體方案設計
井下測量傳感器通過(guò)電纜直接連接到監測分站，監測分站通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)采集傳感器信號，同時(shí)完成數據存儲及與監控計算機數據交互的功能。這種結構的監測系統具有以下不足: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(gè)傳感器都需要一條電纜來(lái)連接到監測分站，使用電纜多，成本高，不容易擴展，它適合測點(diǎn)集中的情況。
4. 總線(xiàn)方式選擇
現場(chǎng)總線(xiàn)是用于過(guò)程自動(dòng)化或制造自動(dòng)化中的，實(shí)現智能化現場(chǎng)設備與高層設備之間互聯(lián)的，全數字、串行、雙向的通信系統。通過(guò)它可以實(shí)現跨網(wǎng)絡(luò )的分布式控制。自80年代末以來(lái)，有幾種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟并且廣泛地應用于特定的領(lǐng)域。在分布式測控系統中，目前影響最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)是CAN總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)。
5. 智能傳感器的設計
5.1 智能傳感器的功能及性能要求
(1) 自補償能力:通過(guò)軟件對傳感器的非線(xiàn)性、溫度漂移等進(jìn)行自動(dòng)補償。(2) 數值處理功能:可以根據智能傳感器內部的程序，自動(dòng)處理數據，如進(jìn)行統計處理，剔除異常值等。(3) 遠程通信功能:具有M一BUS總線(xiàn)接口，可實(shí)現遠程距離通信。(4) 信息存儲和記憶功能:能隨時(shí)存取檢測數據。(5) 掉電保護:掉電后能有效保護內部存儲的數據，防止數據的丟失。(6) 數字量輸出功能:輸出數字信號，可方便的與計算機或接口總線(xiàn)相連。
5.2 智能氣壓傳感器的電源設計
為減少供電電源的數量，降低費用，方便維護，各智能傳感器采用總線(xiàn)供電方式，由通信分站的本安電源遠程供電。因總線(xiàn)電阻會(huì )帶來(lái)壓降，當總線(xiàn)過(guò)長(cháng)或智能傳感器過(guò)多時(shí)，總線(xiàn)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(shí)上電工作方式，即每一時(shí)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P89LPC932上電，只有微功耗穩壓器HT7150A(Ul)、HT7130A(UZ)和低功耗單耗電僅300A。
6. 通信分站的設計
6.1 通信分站的功能設計
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(xiàn)通信系統，通信分站作為主機，工作在查詢(xún)方式，通過(guò)M一BUS總線(xiàn)對各智能傳感器進(jìn)行巡測，完成對測量數據的采集和存儲。另一方面，通信分站還與監控計算機組成主從式RS-485總線(xiàn)通信系統，通信分站作為從機，工作在中斷方式，當監控計算機訪(fǎng)問(wèn)該分站時(shí)，該分站可以立即響應，根據計算機的命令進(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(xiàn)從機接口電路、M一BUS總線(xiàn)主機接口電路、單片機、擴展RAM、數據保護電路等組成。撥碼鍵盤(pán)用于設定所在的分站地址，由系統管理員將該地址錄入到監控計算機軟件，監控軟件就通過(guò)該地址訪(fǎng)問(wèn)相應分站;數據保護電路用于存儲通信分站所接收到的智能傳感器的信息;由于智能傳感器數據量較大，我們又擴展了RAM(2K字節數據存儲器6116);雙串口單片機的串口。
6.3 通信分站接口硬件設計
通信分站既要通過(guò)RS-85總線(xiàn)與監控計算機通信，還要通過(guò)M-BUS總線(xiàn)與智能傳感器通信，因此需要有專(zhuān)門(mén)的通信接口電路。監控計算機與各個(gè)通信分站組成RS-485通信系統，通信分站作為系統的從機。為了便于RS-232串行接口的計算機與通信分站之間通信，必須進(jìn)行標準串行接口的相互轉換。因此，每個(gè)通信分站都帶有RS-485從機接口電路。
7. 通信接口的設計
7.1 通信接口的功能設計
通信接口是地面計算機與通信分站通信的橋梁。計算機串行通信口輸出的RS-232信號只適用于點(diǎn)對點(diǎn)近距離通信，無(wú)法實(shí)現監控計算機與通信分站的遠距離通信。再結合本系統的具體情況，因此，必須將RS-232和RS-485兩種標準的信號進(jìn)行轉換才能實(shí)現正確通信。通信接口實(shí)現的就是這一功能。
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(gè)部分組成:本安型電源電路、RS-232T/TL電平轉換電路、TTL瓜S-485電平轉換電路、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(guò)壓保護、雙重過(guò)流保護及短路保護。由于計算機輸出RS-232信號，因此先要將232信號轉換為T(mén)TL信號，然后經(jīng)過(guò)光禍隔離提高系統的抗干擾能力，最后再經(jīng)過(guò)TTL瓜S-85電路得到我們所需要的RS-485信號。RS-232/TTL電平轉換電路和TTL股S-85電平轉換電路的電源分別由DC心C和穩壓電路提供，這樣可以提高系統的抗干擾能力。
8. 結語(yǔ)
在我們設計的礦井通風(fēng)安全自動(dòng)監測報警系統中，需要對數據進(jìn)行集中分析處理，判斷報警，并形成各種統計報表、曲線(xiàn)或計算機文檔，并且將數據送入局域網(wǎng)，以便相關(guān)工作人員及時(shí)掌握礦井通風(fēng)的安全狀況，管理人員經(jīng)授權后，可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對系統進(jìn)行遠程監控。
參考文獻
[1] 楊娟, 沈漢年. 礦井通風(fēng)系統評價(jià)方法與標準[J]. 工業(yè)安全與防塵, 2000,(01).
[3] 賈進(jìn)章, 劉劍, 宋壽森. 通風(fēng)系統穩定性數值分析[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2003,(06).
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