張 欣，蔡東余，肖鎮(zhèn)東，馮 雷

（1.長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春130012；2.大唐電信科技股份有限公司，北京100094；3.北京慧清科技有限公司，北京100098）

0 引言

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源，煤礦安全無論在國內(nèi)還是在國外都是煤礦業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展的重要保證[1]。但很多礦井自然環(huán)境惡劣，在煤炭開采過程中，瓦斯突出、中毒、窒息，礦井火災(zāi)、透水、頂板冒落、瓦斯爆炸等多種災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生。為了煤礦的安全和生產(chǎn)的正常運(yùn)行，過去的人工巡回檢查的監(jiān)測手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性和安全性的要求。因此，采用現(xiàn)代化的監(jiān)測手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測煤礦環(huán)境的各種有關(guān)參數(shù)及生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)，建立完善可靠的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)是非常重要的。

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要任務(wù)是針對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)安全環(huán)境的監(jiān)測，包括對礦井空氣中有害或危險(xiǎn)成分的監(jiān)測、礦井空氣物理狀態(tài)的監(jiān)測、通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測以及井下常用設(shè)備的監(jiān)測等[2]。在借鑒國外監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的研制也得到了快速發(fā)展，但現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在價(jià)格高、維護(hù)難的問題，不適用于中、小型煤礦的使用，而大多數(shù)安全事故恰恰就發(fā)生在這些煤礦中。因此，設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)性好、安全可靠、易維護(hù)的低成本煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)是符合目前市場實(shí)際需求的。

1 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)井下生產(chǎn)環(huán)境布局與傳感器設(shè)置

煤礦的組成結(jié)構(gòu)千差萬別、各不相同，很難找到一個(gè)固定的結(jié)構(gòu)模式來描述，但其基本組成是一致的。為了設(shè)計(jì)一款適用面廣的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，首先建立一個(gè)基本的煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境布局模型，基本涵蓋了中小型煤礦的主要功能結(jié)構(gòu)。該模型包括采煤工作區(qū)（挖煤的工作面）、掘進(jìn)工作面（采用電鉆打眼，放炮落灰方式打開的一個(gè)隧道，是采煤開始的先行工作區(qū)）、皮帶井車場（專門運(yùn)輸煤的井底車場，包括其附近巷道及存放皮帶運(yùn)輸器械的硐室）、軌道井車場（運(yùn)輸各種物質(zhì)的井底車場，包括其附近巷道及存放軌道運(yùn)輸器械的硐室）、主井（提升原煤至地面）、副井（提升人員及廢物）、進(jìn)風(fēng)大巷（風(fēng)源起點(diǎn)所在的巷道）、回風(fēng)大巷（回風(fēng)廢氣的排出巷道）、避難硐室（緊急逃生）、機(jī)電硐室（存放機(jī)電設(shè)備）、變電所（井下供電）、主水倉（匯集井下生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水）、水泵房（將井下廢水抽至地面）、N個(gè)分站（收集傳感器信息并與地面通信）。井下生產(chǎn)環(huán)境布局模型如圖1所示。

圖1 井下生產(chǎn)環(huán)境布局及傳感器設(shè)置圖

煤礦井下傳感器按其監(jiān)測的物理量類型可分為模擬量傳感器和開關(guān)量傳感器，監(jiān)測對象主要有瓦斯、一氧化碳、風(fēng)速、溫度、風(fēng)壓等模擬量以及風(fēng)門開關(guān)、風(fēng)機(jī)開停、煙霧、饋電等開關(guān)量[3]。根據(jù) AQ 1029—2007《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》，對各類井下傳感器進(jìn)行設(shè)置。傳感器具體設(shè)置見表1。其中瓦斯是煤礦安全的主要監(jiān)測對象，瓦斯的主要成分是甲烷，井下大部分工作地點(diǎn)都要設(shè)置甲烷傳感器，不同工作地點(diǎn)對甲烷傳感器的設(shè)置有不同的要求[4]。

表1 井下傳感器設(shè)置

1.1 采煤工作區(qū)甲烷傳感器的設(shè)置

在圖1所示井下生產(chǎn)環(huán)境布局圖中設(shè)有2個(gè)采煤工作區(qū)。其中采煤工作區(qū)1屬于長壁采煤工作區(qū)，其通風(fēng)方式為U形通風(fēng)，必須在上隅角、工作面、工作面回風(fēng)巷分別設(shè)置甲烷傳感器。而采煤工作區(qū)2也是長臂U形通風(fēng)采煤區(qū)，與采煤工作區(qū)1不同的是它具有專用排瓦斯巷。因此，應(yīng)在其專用排瓦斯巷、工作面混合回風(fēng)風(fēng)流處設(shè)置甲烷傳感器。

1.2 掘進(jìn)工作面甲烷傳感器的設(shè)置

掘進(jìn)工作面必須在工作面混合風(fēng)流、工作面回風(fēng)流中設(shè)置甲烷傳感器。此外，應(yīng)在掘進(jìn)工作面中設(shè)置局部風(fēng)機(jī)以達(dá)到風(fēng)電互鎖的目的。

1.3 其他區(qū)域甲烷傳感器的設(shè)置

除采煤工作區(qū)、掘進(jìn)工作面等瓦斯突出的地方應(yīng)設(shè)置甲烷傳感器外，其他工作地點(diǎn)如軌道井車場、皮帶井車場的工作面及回風(fēng)巷，以及主井、副井、水泵房、主水倉等與地面聯(lián)系的場所中也應(yīng)設(shè)置甲烷傳感器。

2 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)采用集散控制方式（DCS），整個(gè)系統(tǒng)從宏觀上可分為2大部分：上位機(jī)控制主站系統(tǒng)和下位機(jī)監(jiān)測分站系統(tǒng)。主站一般采用PC機(jī)，主站通過通信電纜與地下分站進(jìn)行信息交流。分站可脫離主站獨(dú)立工作，也可與主站聯(lián)合工作，但各分站之間互不通訊，分站可將采集的數(shù)據(jù)通過通信電纜送往主站。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測分站系統(tǒng)主要以微處理器為控制核心，分布在井下現(xiàn)場，根據(jù)監(jiān)測監(jiān)控的對象不同而配置不同，可以是模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可以是開關(guān)量監(jiān)測和控制系統(tǒng)。每個(gè)分站的監(jiān)測參數(shù)要求能夠?qū)崟r(shí)在現(xiàn)場顯示，因此各分站須配置顯示器件。同時(shí)，若分站出現(xiàn)參數(shù)異常情況，分站系統(tǒng)應(yīng)能在向主站上位機(jī)傳輸報(bào)警信號的同時(shí)在井下現(xiàn)場聲光報(bào)警，并能夠采取一定的緊急處置措施。

所設(shè)計(jì)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)主站上位機(jī)界面應(yīng)具有如下主要功能：軟件具有友好的交互界面；能客觀、真實(shí)、動態(tài)地演示說明各分站的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并同步顯示；能根據(jù)分站參數(shù)值的變化，在主站界面對應(yīng)顯示預(yù)警信息，并可彈出斷電警告指示界面。主站上位機(jī)界面設(shè)計(jì)方案如圖3所示。其中，在友好交互功能方面，主站界面可添加或刪除分站、分站中的測點(diǎn)；可根據(jù)各分站實(shí)時(shí)傳送來的數(shù)據(jù)在主界面上顯示模擬量曲線和開關(guān)狀態(tài)圖；具有按分站顯示參數(shù)及對應(yīng)報(bào)表輸出和打印功能；可直接從主界面上調(diào)節(jié)各分站的對應(yīng)參數(shù)；具有系統(tǒng)幫助功能等。

圖3 主站上位機(jī)界面設(shè)計(jì)方案

3 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)仿真

系統(tǒng)利用Java語言對主站上位機(jī)界面進(jìn)行仿真。Java語言具有較強(qiáng)的安全性、簡單性、開放性和可移植性[5]。它支持多線程，可以很好地模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種事件的同時(shí)發(fā)生（異步、并發(fā)）。它是第三代編程語言，所具有的面向?qū)ο蟮木幊趟枷氲奶攸c(diǎn)更符合模擬系統(tǒng)中各種測量對象的邏輯。它具有平臺獨(dú)立性，只要能支持安裝Java虛擬機(jī)，可在任何平臺上運(yùn)行并模擬Java程序。本系統(tǒng)不使用數(shù)據(jù)庫來構(gòu)造數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)體化數(shù)據(jù)，其原因也在于大多數(shù)數(shù)據(jù)庫服務(wù)不是跨平臺的，且數(shù)據(jù)庫移植和連接需要額外的驅(qū)動，對于操作人員及維護(hù)要求較高，取而代之的是使用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language，XML[6]）定義數(shù)據(jù)類型和存儲數(shù)據(jù)，它不需要額外的中間件，不需要專業(yè)的技術(shù)人員，打開生成的XML文件就能看到數(shù)據(jù)，使用XML而不用數(shù)據(jù)庫可使整個(gè)程序在功能沒有縮減的前提下變得小巧精煉。

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測量分為模擬量和開關(guān)量2類。上位機(jī)仿真模擬器運(yùn)行后，首先讀取2個(gè)模擬數(shù)據(jù)（XML格式）的結(jié)構(gòu)文件，一個(gè)是模擬量數(shù)據(jù)模型的XML文件，另一個(gè)是開關(guān)量數(shù)據(jù)模型的XML文件。模擬器后臺運(yùn)行2個(gè)線程，分別負(fù)責(zé)模擬實(shí)際環(huán)境井下模擬量傳感器與開關(guān)量傳感器的采集過程。圖4為主控程序模塊內(nèi)部架構(gòu)圖，簡要描述了主控程序?qū)τ诃h(huán)境變量采集的輸入接口。模擬量的值有良好、預(yù)警、報(bào)警等警戒狀態(tài)范圍。開關(guān)量的狀態(tài)則對應(yīng)測量名存在對應(yīng)狀態(tài)名，如通風(fēng)口測試點(diǎn)的開關(guān)量對應(yīng)有風(fēng)、無風(fēng)等狀態(tài)。同時(shí)模擬量與開關(guān)量還有斷電、給電、正常、故障等工作狀態(tài)標(biāo)識。在模擬實(shí)際井下環(huán)境數(shù)據(jù)采集的2條線程運(yùn)行過程中，系統(tǒng)采取阻尼變化的給值方式，隨機(jī)的增減值，系統(tǒng)也支持對指定測試點(diǎn)手動調(diào)節(jié)各個(gè)環(huán)境變量值來模擬一些突發(fā)的極端的自然狀況。所有的測試點(diǎn)設(shè)備工作狀態(tài)，除了系統(tǒng)會模擬實(shí)際情況改變狀態(tài)外，也可通過操作面板人為改變參數(shù)來模擬實(shí)際場景的突發(fā)情況，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)給與狀態(tài)提醒。關(guān)閉系統(tǒng)前，系統(tǒng)會自動保存所有被測量的最后一次測量值或狀態(tài)，下次打開模擬器時(shí)，會以最后記錄為起始狀態(tài)，保持被測量的連貫性。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)仿真總流程圖如圖5所示。

圖4 主控程序模塊內(nèi)部架構(gòu)圖

4 結(jié)語

本文在對實(shí)際煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，抽象建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境布局模型，對井下各類傳感器尤其是甲烷傳感器進(jìn)行了設(shè)置。利用JAVA語言進(jìn)行了主站上位機(jī)界面仿真，具有良好的交互界面。使用XML定義數(shù)據(jù)類型和存儲數(shù)據(jù)，大幅降低了程序的開發(fā)成本及維護(hù)成本。通過仿真測試，所設(shè)計(jì)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)性好、安全可靠、易維護(hù)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對井下生產(chǎn)環(huán)境中不安全因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)警，有效地預(yù)防事故的發(fā)生或擴(kuò)大從而能夠保證井下人員的安全及設(shè)備的正常作業(yè)，適和中、小型煤礦使用。

圖5 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)仿真總流程圖

[1]喬曉梅.煤礦安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2012，31（3）：133－135.

[2]郝迎吉，周玉清，陳佳立.一種新型煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)電，2005（3）：20－23.

[3]孫繼平.煤礦安全監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（10）：1－4.

[4]趙丹，劉劍，馬恒，等.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設(shè)置[J].煤礦安全，2009（10）：64－67.

[5]魯廣英.基于Java的面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)的探討與研究[J].煤炭技術(shù)，2010，29（9）：228－229.

[6]孫劍，郝維來，徐瑩.XML數(shù)字簽名在煤礦信息化中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2010，29（8）：139－141.