煤矿安全实时监测与控制信息系统的实现

2005/12/27 13:54:03

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; 搜救; 多通信方式; 智能数据终端
0 　引言
我国是一个产煤大国,每百万吨死亡率是美国的190 倍。所有煤矿均为瓦斯矿井,47 %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,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。
　　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P服务器”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P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、FailPRecover、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
　　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ZiLOG公司的Z80F6423 ,它拥有20MHz 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4 KB SRAM、64 KBFLASH、602Bit GPIO、IrDA 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2 K ×8 位EEPROM224C16 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(RFID) ,以便便携式数据终端与智能终端构成近程无线局域网(Pnet) 。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ZiLOG公司的Z8F042A ,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(RFID) 采用CC1000的芯片,基于Chipcon’s Smart RF 技术,可工作在ISM频段(300～1000 MHz) 。CC1000 集成了射频发射、射频接收、PLL 合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。微控制器可以通过CC1000 的串行接口(PDATA、PA1E 和PCLK) 对CC1000 进行设置,通过CC1000 的DIO 完成数据的接收和发送。而且CC1000 电流损耗低,有集成的位同步器,不需要外接的PF 开关PIF 滤波器,同时它供电电压低,体积较小,使矿工携带的RF 装置轻巧方便。
2. 2 　数据通信部分
智能终端数据输入输出( IPO) 模块和监控中心的数据传输采用带多个RS - 485 接口的单片机控制器组成。RS - 485 总线标准在以10 kbps 速率传输数据时传输距离可达12 m ,而用100 bps 时传输距离可达1. 2 km。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 km 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128 个智能终端。但是,考虑到RS - 485 的负载匹配,两个
中继器之间的总线上挂上40～50 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Windows 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。

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