煤矿安全实时监测与控制信息系统的实现.pdf

第 2期 2 0 0 5年 4月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o m a t i o n NO ．2 Ap r ． 2 00 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 5 0 2 0 0 0 4 ～0 3 煤矿安全实时监测与控制信息系统的实现 刘志寒 ， 姚 萌 华东师范大学 信息科学技术学 院 ， 上海2 0 0 0 6 2 * 摘要 介绍了一种应用现代计算机技术以及网络化技术的煤矿安全实时监测与控制信息系统， 它兼容现 行煤矿 安全 系统数据 。研 制 了各类传输格 式的数据 汇接 器构建 井下网络 ， 形成立体化数据 采集 系统 ； 构建 了 井上安全监控软件 平 台和煤矿安全信 息数据 库 ， 形成全局监控 网络 。 关键词 煤矿 ；安 全监测 ；逃 生监测 ；搜牧 ；多通信 方 式；智 能数据终 端 中图分类号 T D7 6； T P 3 9 文献标识码 B I mp l e me n t a t i o n o f Re a l t i me M o n i t o r i n g a n d Co n t r o l I n f o r ma t i o n S y s t e m f o r Co a l M i n e S a f e t y LI U Zh i h a n． YAO M e n g Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f Ea s t Ch i na No r ma l Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 6 2，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r i n t r o d u c e d a r e a l t i me s a f e t y b y t e c h n o l o g y o f c o mp u t e r a n d n e t wo r k ． mi n e s a f e t y s y s t e m．Ha v e d e v e l o p e d d a t a j o i n t c o l l e c t i o n n e t wo r k u n d e r g r o u n d ．Th e s o f t wa r e b a s e we r e d e s i g n e d f o r s u r f a c e c o n t r o l c e n t e r ． mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l i n f o r ma t i o n s y s t e m f o r c o a [mi n e Th e s y s t e m i s c o mp a t i b l e wi t h t h e d a t a o f e x i s t i n g c o a l d e v i c e s o f a l l k i n d s o f t r a ns mi s s i o n f o r ma t t o b u i l d d a t a p l a t f o r m o f s a f e t y mo n i t o r i n g a n d s a f e t y i n f o r ma t i o n d a t a Ke y wo r d s c o a l mi n e，s a f e t y mo n i t o r i n g，e s c a p i n g mo n i t o r i n g，s a l v a g e，mu l t i - c o mm u n i c a t i o n mo d e ， i n t e l l i g e n t d a t a t e r mi n a l 0 引言 我 国是一 个产煤 大 国 ， 每 百万 吨死亡 率是 美 国 的 1 9 O倍 。所有煤 矿 均 为瓦斯 矿井 ， 4 7 的矿 井属 于高瓦斯或 瓦斯突 出矿井 。另 一方 面 ， 我 国煤 矿安 全技术相对 十分落后 ， 井下 安检设备缺乏 ， 安全管理 制度不完善 ， 致使监测瓦斯数据的准确性和可靠性 不足 ； 同时 ， 煤 矿安全 信息 化技 术不 高 ， 井 下安 全 信 息不能及 时传到井 上生产控制 中心 。通过煤矿行业 安检设备 的调查研 究 ， 笔 者研 究 开发 了一 套井 下实 时瓦斯数据 采集系统 ， 预防 和及 时处 理各 种 突发 事 故和 自然 灾害 。同 时 ， 还设 计 了相应 的井 下求 助 系 统 ， 一旦发生事故 ， 能引 导矿 工 及时撤 离事 发 地点 ， 收稿 日期 2 0 0 4 1 1 ～1 5 *基 金项 目 上 海市重 大科 技攻 关资 助项 目 0 3 2 5 1 2 0 7 5 作者 简 介 刘志 寒 1 9 7 9 一 ， 女 ， 四川 I 丹棱 人 ， 华东师 范大 学 电子 系硕士研究生， 研究方向为信号检测 、 传输与处理。 并为井上求助人 员提供井下信息辅 助搜 救 。 1 煤矿 安全监测 系统 的构 成 该 系统 是 一 个 以 网络 化 为 中心 的 安全 监 测 系 统 ， 由地 面监控 中心 、 软件系统 、 网络 系统 、 井下 传输 系统 、 井 下智能终端 和各种矿用 传感 器组 成 ， 如 图 1 所示 。 答 答⋯ ． 数 据 终 端 U U ⋯ ⋯U 图 1 煤矿安全监测系统网络结构图 维普资讯 2 0 0 5年第 2期 刘志寒等 煤矿安 全 实时监测与控 制信息 系统 的实现 5 地面监控 中心是整个系统的核心 ， 集 中管理 和控 制整个监控系统的运行。该中心由系统管理服务器、 监控 主机 、 网络设 备等组 成 。其 中， 监控 主机用来 运 行监控 系统软件 ， 同时还可 以将多台计算机组成计算 机网络 ， 实现数据共享 。在地面监控 中心 的网络系统 构架 中采用 了“ 浏览器／ 月 艮 务器” 结构 ， 也 即“ 瘦客户机 模式” 。在这个体系结构中 ， 各层次分工如下 瘦客户 提供简洁的人机交互界面， 完成数据的 输入／ 输 出 ； 业务服务 完成业务逻辑 ， 实现客 户与数据库对 话 ， 还应 实现分 布式 管理 、 负 载均衡 、 F a i l ／ Re c o v e r 、 安 全隔离 等 ； 数据 服务 提供 数据的存 储服务 。矿领导 、 系统 操作员 、 其它需查询此数据的人均可通过网络进行 访 问 。在多层体系 中 ， 由于 客 户机 不是 直接访 问数 据库 ， 而是通过业 务逻辑服务层访 问 ， 因此 可通 过该 层有效地实现各公用数 据库 的连接 。 井下智能终端 以单片机系统 为控制 中心 ， 将采集 的煤矿安全数据打包 ， 送到井下接入地 面公共 网并传 输到地 面控 制 中心 ， 还 接收井 上控 制 中心 的控 制命 令 ， 实现井下风电瓦斯闭锁 。网络系统 和传输 系统包 括近程无线 电收发 、 调制解调器 、 路 由器、 公共 网等 。 2 煤矿安全监测 系统 的设 计 2 ． 1 智能终 端 1 智 能终端设计 智 能终端总线设计 图如 图 2所示 。 地 址总 线 数据总线 l1 U A R T 控制总线 R F 模块 l I C O N T R O L U NI T R 4 8 5 I I 害I { 转换器l l 吾f l 电 图 2 智能终端总线设计图 整 个智能终端模 块 以一 个单 片机为 控制 中心 ， 各类传感器将各种气体浓度值变换成模拟量 如电 流 、 电压 、 频率信号 或 直接 变换 成 预定 义结 构数 字 量 。这些模拟量经过特殊的信号适配电路， 形成有 相应动态范 围的电压信号量 。由 MCU 控制器来 选 择某一时刻某一路模拟量供 A／ D转换器采样。模 拟电压量转换 为数字量后 。 由 MC U 读取。此 时 MC U 将按照所选 择的通道 ， 按预 定 义的 物理量 ， 把 输入的 A ／ D转换值换算成为具体物理含义的数据 值 如 甲烷或一 氧化碳 的气体浓度 。单 片机将 按照 井上监控中心发出的查询命令 ， 将各种传感器采集 到 的环境 参数通过 串行通信 口发送 到井 上的数据控 制中心。地面监控中心的主机可将数据存储到后台 数据库中， 供以后作分析处理 。井上监控中心发出 的控 制命令 ， 可控制智能终端 引发语音报 警 、 语音 提 示信号 、 闪光报警信 号 、 报 警警 笛提 示 音 ， 或者 控 制 外 部设备操作 ， 如通 风机 组 可 以在井 下有 害气 体 浓 度超标 的时候打开 ， 为井下 通风换 气 。 单 片机 采用 Z i L 0G 公 司 的 Z 8 0 F 6 4 2 3 ， 它拥 有 2 O MHz时 钟 频 率 的 高 性 能 C P U。 除 了 强 大 的 C P U 内核 外 ， 其 外 围 电路也很 有 特色 ， 基本 不需 增 加 多少外部器件就 可 以构成 完 整 的系统 ， 大大 减少 了系统成 本 和 设 计 复 杂 度 。Z 8 0 F 6 4 2 3包 括 4 KB S RAM、 6 4 KB F L AS H、 6 O B i t GP I O、 I r D A 编 译码 电路 、 I C、 2个 UART 接 口， 以 及 1个 实 时 时 钟 、 1个看 门狗 电路 。特 别是 自带 的看 门狗 ， 对 于煤 矿 安全检测 系统而 言 ， 可靠性 和稳定性都得 到 了保证 。 本 系统具 有数 据存储 功能 ， 而且 断 电后 仍能 保 持时间 、 甲烷 浓度 等数 据 ， 以便在 特殊 情况 下 ， 提供 井 下 数 据 信 息 。 采 用 带 I C 总 线 的 2 K 8位 E E P ROM一 2 4 C1 6作 为存储 器 。该 芯 片采 用 串行 通 信， 因此软硬件的设计较简单。 2 无线 射频模块设计 本 系统在智 能终端上设置 了射频 模块 RF I D ， 以便便携式数据终端与智能终端构成近程无线局域 网 P n e t 。便携 式数 据终 端 由矿 工 随身 携带 ， 完 成 移动数据 的采 集 。该 便 携 式数 据 终端 采 用 Z i L OG 公 司的 Z 8 F 0 4 2 A， 当矿 工走 到 能与井 下智 能终 端通 信 的范 围内 ， 由便 携式 数据 终端 向井下 智能 终端 发 出信息 ， 交换彼 此信 息数 据 。此 信 息数 据包 括 矿工 个人 信息 、 地址 信息 以及 矿工 携带 的 传感 器采 集 的 煤矿安 全信息数据 。矿 工可以从井下智 能终端得 到 是否 有超限报警信息 。该便携式数 据终端的设计 为 煤矿 安全实时监测与控 制信息 系统提供 了逃生监测 功能 和 辅 助 搜 救 功 能 。 射 频 模 块 RF I D 采 用 C CI O 0 0的芯 片 ， 它基 于 C h i p c o n s S ma r t RF技 术 ， 可工作在 I S M 频段 3 0 0 ～1 0 0 0 MHz 。C C1 0 0 0集 成 了射 频 发 射 、 射 频 接 收 、 P L I 合 成 、 F S K 调 制 解 调 、 可 编 程 控 制 等 多种 功 能 。微 控 制 器 可 以 通 过 C C1 0 0 0的 串行 接 口 P DATA、 P A1 E和 P C I K 对 维普资讯 6 工矿 自动 化 2 0 0 5年 4月 C C 1 0 0 0 进行设置， 通过 C C 1 0 0 0的 D I O完成数据 的接 收和发 送 。而且 C C1 0 0 0电流 损耗 低 ， 有集 成 的位 同步器 ， 不需 要外 接 的 P F开关 ／ I F滤 波器 ， 同 时它供电电压低 ， 体积较小 ， 使矿工携带的 R F装置 轻 巧方便 。 2 ． 2 数 据通信部 分 智能终端数据输入输出 I ／ o 模块和监控中心 的数据 传输 采用 带多 个 RS一4 8 5接 口的单 片机 控 制器组成 。RS 一4 8 5总线标 准在 以 1 0 k b p s速 率传 输数据 时传输 距离可达 1 2 I D _ ， 而用 1 0 0 b p s时传 输 距离 可达 1 ． 2 k m。如果降低 波特 率 ， 传输 距离 还可 进一步提高。但 在矿井下， 空间距离 比较 大， 1 ． 2 k m 的传输 距 离难 以满 足通 信传 输 要求 ， 因此加 入 中继器解决该 问题 ， 理 论 上每 个 中继 器之 间可 以带 1 2 8个智能终 端 。但 是 ， 考虑 到 RS 一4 8 5的负 载 匹 配 ， 两个 中继器之 间的总线 上挂上 4 0 5 0个智能终 端 ， 其可靠 性 、 准确性 和传输距离 能同时得到保证 。 通信机 制采 用 主从 式 。在 正常 情况 下 ， 由下 端 服务器查 询各个 智能 终 端 ， 将采 集 的数据 储存 至 后 台数据库 中。当智能终端采集的数据超过其 自身设 定 的报警 门限值时 ， 它 会主动上告报警 消息 ， 提示下 端 服务 器立刻采集本智能终端 的数据 。 3 煤矿安全 监测 系统的功能 该 系统建立 在 以 Wi n d o ws操 作 系统 为 平 台 的 环境 下 ， 软件 系统采 用模 块化 、 多任 务 、 多 窗 口的设 计 思想 。系统功能分 为三大模块 安全实 时监 测 、 逃 生监测 、 辅助搜救 。 安全实 时监测 可采集和传输 各种类 型传感 器数 据 ， 对采集 的煤矿安 全数据进 行实时 处理 和分析 ， 并 可实现超 限报警 和断 电控制 的处理 。矿井 下瓦斯 浓 度分布图采用等高线形式 ， 用红黄绿 等颜色表示不 同 的浓度 ， 根据这些变化 ， 进行 生产决 策 或 继续 生产 ， 或加强通 风 ， 或抽放瓦斯 ， 甚 至停止生产 。 逃生监测 矿井下瓦斯超限报警时， 地面控制中 心可根据从矿井下传上来的实时数据采用遗传算法 优化 出撤离路线 ， 通 过 井下 智能 终 端将 撤离 路线 显 示 出来 。 辅助搜 救 如果 发生事故 ， 便携式数据 终端与智 能终端构成近程无线局域网， 具有无线数据交换及 定位的功能， 能提供井下矿工定位信息 ， 配合井上搜 救工 作 。每个矿工 的身上 携带 便携 式 数据 终端 ， 将 矿 工数据传送 至井 上 的监控 中心 。事 故发 生后 ， 即 使通信系统中断， 仍可以根据通信 中断前从井下传 上来 的矿工定位信 息及时搜救 。 4 结语 由计算机技术和网络化技术形成的安全监测信 息网络着 眼于动态管理 ， 能动 态地分析 、 预测和预 防 事故 的发生 ， 使 事故 的概 率 达到 最低 。开 发先 进技 术水平 的煤 矿安全 实 时监测 与 控制 信息 系统 ， 对提 高煤矿 生产效率 、 降低 煤 矿事 故 和加快 煤 矿现 代化 建设 的步伐有着重要 意义 。煤矿 安全实时监测 与控 制信 息系统在对矿 井下 的瓦斯实 时数据进行实 时监 控基 础上 ， 增 加 了逃生监测 和搜救功能 ， 提高 了煤矿 安 全监测 的应用价值 和煤矿安全 实时监测与控 制信 息系统的实用价值 。 参考文献 [ 1 ] 景旭， 卢 文． 单片机矿井安全监测系统[ J ] ． 自动化 与仪表， 2 0 0 3 ， 2 ． [ 2 ] 夏国俊． 煤矿安全管理百科全书[ M] ． 合肥 安徽 文化 音像出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 石秉义． 一种优化设计 的煤矿安 全监控 系统[ J ] ． 微型 机 与应 用 ， 1 9 9 8 ， 1 O ． [ 4 ] 刘向昕 ， 陈子春 ， 刘 国峰． 采掘工作面瓦斯治理技术的 研究及应用[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 0 3 ， 5 4 3 ～4 5 ． [ 5 ] 中国集成电路大全编委会． 中国集 成 电路 大 全集 成运算放大器[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 1 9 8 5 ． 牵引梭车遥控无级变速 电控 系统 兖州矿业 集团 公司东滩煤矿和太原矿 山机械集团公司联合开发了遥控无级变速 电控系统， 由于是防爆 型的， 还能够扩 展使用到矿井其它需要无级调速的电动机驱动中去 。 该系统 由电动机驱动控制 、 系统检测与控制中心、 通信与控制三个部分组成 ， 遥控 、 遥信 、 遥调。监控 中心 由可编程序控 制器和工控机组成 ， 可编程序控制器负责接受遥控系统送来的控制指令， 然后根据指令实现驱动、 确定转 向、 调速 、 系统保护 和故障停机等功能 ， 工控机负责采集故障信号 、 运行参数 ， 经处理后送到显示器显示 、 可编程序控制器执行 。电动机驱动部分 是以 目前最先进的可调速电动机 开关磁阻 电动机控制技术为中心实现系统控制。 目前大功率 开关磁阻电动机在煤 矿还 少有应用。变频控制器控制变频器的开关频率 ， 以改变开关磁阻电动机的速度， 达到调速的目的。遥控通信的传输 、 发射 、 接 收采用 比较成熟 的矿井通信技术 ， 即泄漏通信技术。 李剑锋 维普资讯