基于MCU的煤矿瓦斯监测系统设计.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 中国作为煤炭生产大国，开采量日益增大，但随 之而来的煤矿事故也越发频繁与严重[1-2]。根据国家煤 矿安全监测局的统计，在发生的所有煤矿事故中，因 瓦斯所造成的煤矿事故占总事故数的 50以上[3-4]。通 过对所有的瓦斯事故进行分析，可将其分为三大类， 分别是瓦斯窒息、瓦斯爆炸和瓦斯突出，所以，针对 井下瓦斯浓度等信息及时对井下安全状态做出判断是 十分重要的[5-6]。目前使用的瓦斯监测系统功能比较单 一，所采集的井下信息含有大量未经处理的错误信息， 极易发生误报警，这些误报警信息频繁出现会对工作 人员造成很大的干扰，长久以往极易导致工作人员麻 木，进而引发瓦斯事故，带来极大的安全隐患[7-8]。因 此，设计一套能够实时监测且监测能力可靠的瓦斯监 测系统对煤矿的安全生产具有重要的意义。 1监测系统设计的要求与组成 本文所涉及的瓦斯监测系统要能够根据井下特殊的 工作环境对工作面巷道中的瓦斯气体进行有效监测，同 时将实时数据上传地面监控中心，所以，对它的技术指 标和功能要求与其他的气体监测有所不同。 1.1系统要求与功能 在井下对瓦斯浓度等信息的监测主要依靠各类传感 器与监测仪表，它们的灵敏度、精度、功耗与适用范围 等对整个监测系统的精确性有着重要影响。其主要性能 指标要满足，灵敏度为 0.01，功耗低于 100 mW，工 作温度范围 -25耀70 益，仪表需满足防爆，装配有接地、 漏电保护、过流保护，结构简单，加工方便的要求。 系统主要针对瓦斯气体进行监测，该系统整体上应 具有较好的稳定性、实时性和便于维护的特点。同时， 为了能更好地进行报警显示，在此基础上还需具备声光 报警、良好的人机操作界面、数据通信、数据定时存储、 信息分析与查询功能，从而满足实时、准确的监测要求。 1.2系统总体设计方案 结合井下实际情况，对瓦斯气体的监测主要包括瓦 斯气体浓度、巷道内部通风速度、CO 浓度、掘进工作 面移动距离等，将这些采集到的数据进行整理，并经过 井下分工作站处理器的处理计算后，上传至井下集中的 交换机，通过交换机将所有处理后的数据传输给地面监 测中心，通过监测中心的软件处理分析，便可以实时动 态监测瓦斯气体的状态。监测系统总体方案如图 1 所示。 根据系统总体结构图，可将其分为多传感器采集系 统和监测站系统两部分。多传感器系统主要完成对瓦斯 气体浓度、CO 气体浓度、风速和掘进面移动距离等基 收稿日期2020-04-07 作者简介俎全江，1986年生，男，黑龙江鹤岗人，2013年毕业于 鹤岗职工大学煤矿开采技术专业，工程师。 基于 MCU 的煤矿瓦斯监测系统设计 俎全江 （ 山西煤炭运销集团三聚盛煤业有限公司，山西 娄烦 030303 ） 摘要 长期以来，井下瓦斯安全问题一直制约煤矿的安全生产，同时也威胁着职工的生命安全，而传统瓦斯监测系 统功能结构单一、维护成本高且不能保证数据的实时性和可靠性，对实际生产造成严重的影响。针对此问题，设计一套 基于 MCU （ Microcontroller Unit，微控制单元 ） 的煤矿瓦斯监测系统，该系统分为井下监测分站与井上监测中心两大部 分，利用典型可靠的微处理器在井下实现数据初步处理与分析，在上传地面监测中心进行进一步处理，从而实现瓦斯气 体的实时与可靠监测。该系统的使用便于工作人员对瓦斯气体进行监测，提高了煤矿安全生产的可靠性，具有十分重要 的意义。 关键词 煤矿；瓦斯；监测系统 中图分类号 TD712文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0120-02 Design of Coal Mine Gas Monitoring System Based on MCU ZU Quanjiang Sanjusheng Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Sales Group, Loufan 030303, Shanxi, China Abstract For a long time, the underground gas safety problem has been restricting the safety production of coal mine, but also threatening the life safety of workers. However, the traditional gas monitoring system has a single functional structure, high main- tenance cost and can not guarantee the real-time and reliability of data, which has a serious impact on the actual production. In view of this problem, this paper designed a set of coal mine gas monitoring system based on MCU. The system is divided into two parts underground monitoring sub-station and underground monitoring center. The typical and reliable microprocessor is used to realize the preliminary data processing and analysis in the underground, and the data is uploaded to the ground monitoring center for further processing, so as to realize the real-time and reliable monitoring of gas. The use of this system is convenient for the staff to monitor the gas and improve the reliability of coal mine safety production, which is of great significance. Key words coal mine; gas; monitoring system （总第 177 期） 技术研究 120 2020 年第 6 期2020 年 6 月 础数据的采集。监测分站则主要完成对传感器采集数 据的处理分析，过滤排除无关信息，解析所需数据后 将其汇总上传至监测中心。为了实现对瓦斯气体的实 时监测，系统至少需布置 3 个监测分站，最多扩展 32个 分站。井下工作面与井上距离远，环境复杂，故采用 RS485 转光纤、光纤转 RS485 的通讯方式进行数据传 输，以实现数据的实时、稳定、远程传输。 2硬件系统设计 2.1系统硬件原理结构 对井下瓦斯气体的监测主要通过监测分站与各传 感器相互结合完成，监测分站完成数据的逻辑处理与 分析，并将其所在单元的数据汇总上传；传感器则完 成数据的采集功能，并将采集数据先传输给监测分站 的 MCU 控制单元。图 2 为监测分站硬件系统的原理框 图，它主要由各类传感器、显示器、通讯接口、MCU 主控制器、报警器等部分组成。 图 2系统硬件电路框图 2.2主控制器选型 作为井下监测系统的核心组成单元，MCU 微处理 器的选用要能适应井下复杂的工作环境，具有较高的 稳定性和可靠性。因此，本系统选用高速结构典型芯 片 LPC2138 微处理器，其特性为a 具有 32 位的高速 处理能力，且封装结构稳定；b 芯片内部包含 16 个数 码转换输入通道，且每个通道的数模转换时间都小于 2.44 滋s；c 具有多个 UART （ 异步收发传输器 ） 和 I2C 串行接口，其中，I2C 串行接口传输数据的速度可达 400 kbit/s，47 个管脚的接口可以承受 5 V 的电压；d 可 以利用芯片内部的 PLL （ 锁相环 ） 编程实现 60 MHz 的 CPU 运行频率，而所需要的时间仅为 100 滋s；e 因内 部具有向量中断控制器，可以对中断的优先级与地址进 行配置，此外，还具有 9 个沿边或电平触发的外部中断 引脚，通过控制外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 2.3电源电路设计 本系统采用隔离式电源设计让电源电路更稳定，图 3 为电源电路原理图，二极管 D4 和 D5 为反接设计， 经电感 L3、电容 E2 滤波稳压后输出一个 5 V 的直流 电，其中一路隔离电压供微处理器系统使用，其余供各 类传感器使用。 GND.接地端；DC.电源模块；VIN.输入正引脚；VIN-.输入负引脚； VOUT.输出正引脚；NC.可接、可不接的引脚；VOUT-.输出负引脚； C39、C5.电容；1、2、3、4、5.引脚编号；IGND.接地电流。 图 3电源电路 3软件程序设计 因为井下瓦斯监测系统软件编译复杂，本系统采用 分层设计的方式，通过主程序调用子程序实现。主程序 的主要任务是不断检验串口的有效位，调用采集数据 子程序进行数据的采集与存储。当进入主程序后，系统 会先监测串口是否有标志位，当检测到存在有效标志 位时便会启动数据采集子程序，将采集的数据存储后， 进行逻辑处理与判别，看是否达到所设定报警的阈值， 如果达到报警阈值，则进入报警子程序进行报警处理； 如果监测到状态良好，则对系统进行复位，通过逻辑循 环不断重复此过程，从而实现对井下瓦斯的实时监测， 具体的主程序流程如图 4 所示。 4结语 根据井下实际情况，针对传统瓦斯监测单一且数据 处理不合理的问题，设计了一套基于 MCU 微处理器的 煤矿瓦斯监测系统，通过对井下瓦斯气体监测系统的 要求与功能需求，将该系统分为井下分站监测系统与 井上监控中心两大部分。通过井下布置传感器，将各项 数据采集先传输给井下的监测分站，通过监测分站对 数据处理分析后上传到地面监测中心，利用 MCU 微处 理布置的分站，极大地提高了瓦斯气体监测的可靠性 和实时性，保证了井下生产的安全、可靠，对煤矿安全 生产具有重要意义。 CO 气 体 传 感 器 瓦 斯 气 体 传 感 器 风 速 传 感 器 测 距 传 感 器 传输接口 服务器地面监控中心显示器 地面 井下 交换机 监测1分站监测2分站监测32分站 图 1监测系统整体结构图 瓦斯传感器 CO传感器 风速传感器 测距传感器 电源 时钟单元 声光报警 显示单元 看门狗电路Flash A/D 转 换 模 块 MCU 微处理器 键盘输入 输出 IGND VOUT NC VIN VIN- VOUT- C39 C5 3 4 5 DC L3 E2 2 1 D4D5 GND （下转 140 页） 俎全江 基于 MCU 的煤矿瓦斯监测系统设计 121 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （上接 121 页） 图 4系统主程序流程图 参考文献 ［1］ 苏举端， 高春艳， 谢殿荣.煤矿瓦斯监测系统的分析与研究 ［J］ . 工业安全与环保， 2009， 3510 30-32. ［2］ 王其军.瓦斯监测系统故障智能诊断技术研究 ［D］ .青岛 山东 科技大学， 2007. ［3］ 张治斌， 王玉芬， 李长江.ZigBee 无线传感器网络在瓦斯监测 系统中的应用 ［J］ .矿山机械， 200711 32-34. ［4］ 王勇， 殷大发， 邸彭浩， 等.煤矿瓦斯监测系统异常数据识别技 术研究与应用 ［J］ .工矿自动化， 20134 87-90. ［5］ 朱高中.基于单片机的矿井瓦斯浓度监测系统的研究 ［J］ .仪 表技术与传感器， 201211 101-103. ［6］ 武军伟， 康健.基于 51 单片机的煤矿瓦斯监控系统研究 ［J］ . 煤炭技术， 20122 111-113. ［7］ 唐艳， 孙秀云， 徐静.基于 80C51 单片机的远程液位监控系统 的设计 ［J］ .农业装备与车辆工程， 20076 55-56. ［8］ 徐军， 刘畅.基于单片机的矿井瓦斯检测报警系统设计研究 ［J］ . 科技资讯， 20117 66. （ 责任编辑白洁 ） 复位串口有 效标志位 数据存储 数据信息采集子程序 是否达到 报警阈值 初始化程序 主程序 开始 串口是否 有标志位 N Y N Y 故障预警子系统 系统复位 返回 3.2恒减速制动测试 在测试过程中，电控柜设置为自动模式，利用系 统测试界面设置 PID 控制参数，比例系数设置为 26， 微分时间设置为 100 ms，积分时间设置为 40 ms，目 标减加速度为 -2 m/s2。利用测试界面将 G1耀G8液压电 磁阀设置为关闭状态，设置比例阀控制电压为 0 V，将 液压站开启，提升机运行，将安全回路断开，系统利 用断电信号开启电磁控制阀，电磁控制阀能够实现提 升机的恒减速制动。图 5 为恒减速的制动过程。通过 上述分析可知，安全回路断电与系统响应时间设置为 0.2 s，创建恒减速 0.6 s，具有良好的控制性能。这 2组 试验结果满足 AQ 10332007 煤矿用 JTP 型提升绞车 安全校验规范，在恒减速安全制动时，盘闸空程时 间≤0.3 s，通过安全制动信号在恒定减速度发送的时 间常数小于 0.8 s[6]。 图 5恒减速的制动过程 4恒减速液压制动系统的特性 系统使用电液比例阀与电机电枢电流的方式实现 电压系统的相互协同，当电机电枢电流为 0 A 时，使 输出力矩转变为 0 N m，系统压力设置为残压，制动 器实现最大转矩的设计，实现盘闸抱死。如果电机电 枢电流转变为 1 倍转矩电流，会使油液压力朝着开闸 油液需求转变，使提升机运动。充分考虑开闸过程中 的安全裕量，设置电机电枢电流为 1 倍转矩电流时， 降低油液压力，避免提升机出现倒转的情况。 另外，相应的参数设置与提升机制动系统制动力 矩密切关系。因此，在实际工作中，要保证制动力矩， 在使用过程重视参数的设置。相关参数检测的内容包 括系统油压、盘闸偏摆、速度检测、闸瓦间隙等。另 外，基于传统制动系统，降低提升机冲突，使恒减速制 动使用范围扩大。与传统制动系统相比，该恒减速液 压制动系统的结构比较简单，具有较高的可靠性，成 本比较低，维修方便。 5结语 阐述恒减速液压制动系统中液压源动力学的相关内 容，实现恒减速液压制动系统试验的创建，并且实现液 压制动系统的可行性测试，以满足目前规程的规定结 果，为今后恒减速液压制动系统的使用提供试验支持。 参考文献 ［1］ 康喜富， 黄家海， 权龙， 等.提升机高速重载恒减速制动系统特 性分析 ［G］ //第九届全国流体传动与控制学术会议 （9th FPTC-2016） 论文集.杭州 中国机械工程学会流体传动与控 制分会， 2016. ［2］ 刘任豪， 邓世建， 蔺志佳.矿井提升机恒减速制动优化系统 Simulink-AMESim 联合仿真 ［J］ .煤矿机械， 2019， 405 10-12. ［3］ 胡昔兵.一种矿井提升机恒减速安全制动系统设计研究 ［J］ . 有色设备， 2018， 322 4-7. ［4］ 孙福利， 寇子明， 吴娟， 等.矿用提升机制动系统虚拟仿真研 究 ［J］ .煤矿机械， 2019， 406 169-171. ［5］ 孟志广.能量不守恒在行星轮减速机构中的表现 ［J］ .科学中 国人， 2017， 2221 5. ［6］ 樊彬.矿井提升机制动性能的提升与改进问题研究 ［J］ .能源 与节能， 20197 31-32. （ 责任编辑白洁 ） 安全回路掉电信号 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 249250251252253254255 时间/s 油压 电压 减速度 140