多层次总线下的煤矿瓦斯预警系统设计.pdf

42 5计量与测试技术62007年第 34卷第 3期 多层次总线下的煤矿瓦斯预警系统设计 Design of CoalGas Prediction and Warning Syste m in Multi- layer Bus 崔 敏 尤文斌 白国花 张 萌 中北大学 教育部仪器科学与动态测试重点实验室, 山西 太原 030051 摘 要 主要介绍一种适用于中小煤矿安全生产与监测设备的设计方案, 该系统采用无线加有线结合的方式, 能够实时采集、 监测井下工作面的瓦斯 浓度、 一氧化碳等重要数据, 具有对各种危险情况的报警功能。 关键词 煤矿; 预警系统; 无线加有线 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, 国家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 0部门机构, 实现常年有序、 真实有效及信息网络化管 理。针对目前行业的发展需要, 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。 1 预警系统的设计 该系统建立在以 W indo 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。 系统能够实时监测 可采集和传输气体传感器数据, 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。 该系统是一个以网络化为中心的安全监测系统, 由 地面数据集中器、 软件系统、 网络系统、 井下传输系统、 井 下数据采集终端和气体传感器 可扩展为多种传感器 组成, 如图 1所示。本系统中, 最低层通道采用光纤传输 方式, 中间层通道采用无线网络通信方式。 图 1 煤矿安全监测系统示意图 这种智能化监控系统是以煤矿安全生产为基础, 射 频识别模块 RFI D为主要设备, 有线通信网络为纽带, 监管中心的 PC为中枢的新型智能化计算机管理系统, 综合运用了多种通信技术, 突破了传统煤矿安全管理模 式, 是煤矿安全生产管理系统的新趋势。所以无线加有 线的网络控制方式在井下能得到很好的应用。 2 智能终端设计 智能终端总线设计图如图 2所示。 图 2 井下数据采集终端功能结构图 瓦斯传感器安装在井下各采煤工作面及巷道上, 以 采集不同点的瓦斯浓度。当井下瓦斯浓度超标时, 采集 终端发出报警, 报警灯不停闪烁的同时又通过语音报警 以提示人员进行紧急撤离。同时监控室里的集中器也发 出报警, 提醒地勤人员采取紧急措施。另外, 在报警同时 打开门风及风机进行抽风, 以降低瓦斯浓度。 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 APD转换器采样。模拟电压量转换为数字量后, 由 MCU读取, 此时 MCU将按照所选择的通道, 按预定义的 物理量, 把输入的 APD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 Zi LOG公司的 Z80F6423 , 它拥有 20 MHz时钟频率的高性能 CPU。除了强大的 CPU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 崔敏等多层次总线下的煤矿瓦斯预警系统设计43 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。 Z80F6423包 括4KBSRAM、 64KBFLASH、 602BitGPI0 、 Ir DA编译码电路、I2C、 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I2C 总 线 的2K 8 位 EEP2 ROM224C16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。 211 数据通信部分 为保证煤矿安全生产, 必须结合实际需要, 有效地采 用有线和无线数据传输方式的有效结合, 以及现代的先 进的通信方式的应用, 才能保证煤矿安全生产的实际需 要。 212 无线射频模块设计 本系统在智能终端上设置了射频模块 RFI D, 以便 各个数据采集终端与 数据集中器构成 无线局域 网 Pnet。 213 数码显示驱动电路的设计 为了直观地反映传感器所测的当前气体浓度, 选用 数码管显示的方式, 这也是一般检测设备常用的方式。 对于数码显示驱动芯片的选择, 常用的专用数码管显示 电路有 8279和 MAX7219 , 在使用性能上, 后者相对使用 方便灵活, 连线简单, 不占用数据存储器空间, 在实验设 计中, 我们主要选用了这种数码管进行实验设计。 MAX7219是美国 MAXI M公司生产的串行输入 /输 出共阴极显示驱动器, 该芯片可直接驱动最多 8位 7段 数字 LED显示或 64个 LED和条形图显示器。与微处理 器的接口非常简单, 仅用 3个引脚与微处理器相连接, 即 可实现最高 10 MH z串行口。MAX7219的位选方式独具 特色, 它允许用户选择译码选位, 而且每个显示位都能个 别寻址和刷新, 而不需要重写其它的显示位, 这使得软件 编程十分简单而且灵活。另外, 它具有数字和模拟亮度 控制以及与 MOTOROLA SPI , QSPI及 MATI ONAL MI2 CROW IRE串行口相兼容等特点。 MAX7219的驱动程序首先必须对 5个控制寄存器 初始设置即初始化, 各控制寄存器设置含义如下 移码模式选择寄存器 地址 F9H 共有 4种移码模 式选择, 当数据位全 0时选择 /非移码模式 0。在此方式 下, 8个数据位分别一一对应 7个段和小数点。通常选 择此方式。 扫描限制寄存器 地址 FBH。用于设置显示的 LED个数 1 8个 , 当 D2D1D0 111 、 D7D6D5D4D3无 关时, 可接 8个 LED管。 亮度调节寄存器 地址 FAH, 共有 16级选择, 用于 LED显示亮度的强弱设置。 关断模式寄存器 地址 FCH, 有两种模式选择, 一 种是关断状态模式 D0 0, 一种是正常操作状态 D0 1, 通常选择操作状态。 显示测试寄存器 地址 FFH, 两种选择用于设置 LED是测试状态还是正常操作状态, 当在测试状态时 D0 1各位全应亮, 一般选择正常操作状态 D0 0。 显示模块采用四位七段数字 LED 显示器, 选用 MAX7219作为驱动控制芯片。 在程序设计时, 首先要对 MAX7219进行初始化, 其 主要程序代码如下 void SPI_ MasterInit void / /spi主机初始化 { SFRPAGE 0X00 ; SPI0CFG 0X70; SPI0CKR 0X27 ; SPI0CN 0X00 ; } void songshu char shu / /发数函数 { charADS ; SPI EN 1 ; ADS shu; SPI0DAT ADS ; while SPI0CN SPIF 0 ; } void send char add, char dat { LOAD 0X00 ; songshu add; songshu dat; LOAD 0X01 ; } void max7219_init void / /初始化 MAX7219 { send0 x0c , 0 x01; send 0 x0b , 0 x04; send 0 x0a, 0 xf1; send 0 x09 , 0 xff; } 3 小结 这种智能化监控系统是以煤矿安全生产为基础, 射 频识别模块 RFID为主要设备, 有线通信网络为纽带, 监管中心的 PC为中枢的新型智能化计算机管理系统, 综合运用了多种通信技术, 突破了传统煤矿安全管理模 式, 是煤矿安全生产管理系统的新趋势。所以无线加有 线的网络控制方式在井下能得到很好的应用。 下转第 49页 吴民光等三相交直流仪表检定装置的直流电压测量结果不确定度评定49 数学模型 C Tx- TN 灵敏系数 c1 9C/9Tx 1 , c2 9r /9TN - 1 4 . 2 合成标准不确定度 uc C的计算 输入量与彼此独立互不相关, 所以合成标准不确定 度按下式得到 u 2 c r 9r 9Tx uTx 2 9r 9TN uTN 2 [ c1u Tx ] 2 [ c2uTN ] 2 ucr 5123 2 17132 2 10 - 3V 1811mV 4 . 3 有效自由度 veff u 4 c u 4 TN v TN u 4 Tx v Tx 59 5 扩展不确定度的评定 取置信概率 P 95 则取 k95 1. 65 扩展不确定度 u95 r为 u95 k95uc r 1165 1811mV 30mV 扩展不确定度的报告 准确度为 0 . 5级, 量程为 100V的直流电压表示值误 差测量结果的扩展不确定度为 测量 100V 时, u95 30mV。后者是由合成不确定度 uc r 1811mV和包含 因子 k95 1 . 65之乘积得到的。根据中心极限定理, u Tx /u TN 3013 , u TN4, 为优势分量, 被测量以矩形 分布估计。 6 对不确定度报告结果的评定 6 . 1 评定概述 JJG124- 20045电流表、 电压表、 功率表及电阻表6规 定测量条件下, 整个检定装置的扩展不确定度应该小于 被检表基本误差限的 1/3 -1/5 。 6 . 2 评定结果 被检直流电压表, 直流 100V电压档位, 最大允许示 值误差 0 . 1 输出值 。输出直流 100V电压时, 其 允许误差为 100mV, 1/3限为 33mV 30mV, 显然装置满 足规程检定该精度及以下直流电压表的要求。 参考文献 [1] JJF1059- 1999测量不确定度评定与表示 1 中国计量出版社, 19991 [2] JJF1033- 2001计量标准考核规范 1中国计量出版社, 20011 [3] JJF124- 2004电流表、 电压表、 功率表及电阻表 1 中国计量出版 社, 20041 [4]倪育才 1测量不确定度评定 1中国计量出版社, 20041 作者简介 吴民光, 男, 主任高级工程师。工作单位 成都市计量监督检定 测试所。通讯地址 610021 成都东风路北二巷 5号。 李轶, 成都市计量监督检定测试所 成都 610021。 收稿时间 发稿时间 2007- 1- 7 上接第 43页 参考文献 [1]田家栋, 候宗宽, 张文云 1 多层次总线下的煤矿安检设备系统设 计. 单片机与嵌入式系统应用 120051111 [2]刘志寒, 姚萌 1煤矿安全实时监测与控制系统的实现, 工矿自动 化, 2005, 41 [3]雷煌 1矿井 CAN总线网络关键技术研究 1煤矿机械, 20051121 作者简介 崔敏, 女, 在读博士生。工作单位 中北大学 教育部仪器科学与 动态测试重点实验室。通讯地址 030051山西省太原市。 尤文斌, 白国花, 张萌, 中北大学 太原 030051。 收稿时间 2006- 12- 26 上接第 47页 2131211 标准器的测量不确定度所引入的不确定度分 量 u21 由钢卷尺的检定证书, 测量结果的不确定度 为 012mm, k 2 , 故有 u21 011mm 2131212 拉力偏差所引入的不确定度分量 u22 由钢卷尺的检定证书可知, 钢卷尺检定中所用的张 紧力为 49N, 实际用液位计检定装置进行检定时有偏差, 由于张紧力的影响产生的读数误差控制在 1mm的范围 内, 为均匀分布, u22 0129mm uLs u 2 21 u 2 22 0131mm 214 合成不确定度 由 2式得到的合成不确定度为 u 2 c C 2 Lu 2 L C 2 Lsu 2 Ls uc 0169mm 215 扩展不确定度 取 k 2, 则扩展不确定度为 U kuc 1138mm 3 结果报告 用液位计检定装置检定液位计示值误差测量结果的 扩展不确定度为 U 1138mm, k 2 。 作者简介 杨茹, 女, 工程师。工作单位 广州市能源监督检测所。通讯地 址 510170广州市东风西路西山庙前街 1号。 收稿时间 2007- 01- 15