秦錦東

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦安監(jiān)站， 山西 大同 037000）

引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，現(xiàn)代化控制、監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸應(yīng)用到煤炭的生產(chǎn)管理過程中，不僅提高了作業(yè)人員工作環(huán)境與生產(chǎn)效率，而且有效地保障了煤礦的生產(chǎn)安全[1-2]。礦井地下環(huán)境復(fù)雜且惡劣，機(jī)電設(shè)備種類豐富，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理不到位，可能導(dǎo)致災(zāi)難事故的發(fā)生[3]。隨著技術(shù)的改革創(chuàng)新，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，由最初只能滿足局部監(jiān)測需求，到現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)對井下環(huán)境全方位的監(jiān)測、調(diào)度，解決了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸與采集處理問題[4-5]。以嵌入式系統(tǒng)為核心，建立礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感器等設(shè)備采集無線數(shù)據(jù)信號與圖像信息，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將安全監(jiān)控系統(tǒng)更緊密的融合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享與統(tǒng)一管理。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體研究設(shè)計

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)整體可以分為井上部分與井下部分，井下又可以分為監(jiān)控分站和監(jiān)控終端設(shè)備兩部分（如圖1 所示）。井上部分包括遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備與PC 端及其輔助設(shè)備等，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與協(xié)調(diào)管理，經(jīng)過大屏幕顯示各工作面與工作場所的情況。監(jiān)控分站是基于ARM 處理器的嵌入式設(shè)備，負(fù)責(zé)無線終端設(shè)備與攝像頭等設(shè)備的信號采集功能和數(shù)據(jù)處理功能。傳感器部分包括瓦斯傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器與設(shè)備啟停傳感器等，負(fù)責(zé)采集工作面的環(huán)境信號與設(shè)備的工作信號等。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能可分為安全監(jiān)測功能：通過傳感器設(shè)備，用戶可查詢各監(jiān)測點(diǎn)的溫度、濕度、瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)速等參數(shù)，提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)存儲功能與實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸功能，以曲線圖和數(shù)據(jù)列表的形式直觀呈現(xiàn)；安全預(yù)警功能：根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際，可設(shè)計各監(jiān)測點(diǎn)參數(shù)的報警闕值，通?？稍O(shè)計三級范圍（正常、一般預(yù)警，嚴(yán)重預(yù)警）；視頻監(jiān)控功能：在各工作場所、巷道內(nèi)安裝攝像頭，通過大屏幕實(shí)時顯示圖像，代替人工巡檢，節(jié)約勞動成本；人員定位與調(diào)度功能：通過監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各采區(qū)、工作面的宏觀人數(shù)調(diào)控；用戶管理功能：系統(tǒng)設(shè)置有不同的等級權(quán)限，分為管理人員賬戶與普通人員賬戶，分別對不同賬戶提供相應(yīng)的服務(wù)與權(quán)限，保證訪問的安全性；存儲管理功能：根據(jù)系統(tǒng)存儲容量，監(jiān)測數(shù)據(jù)可保存5 年，5 年內(nèi)的各項(xiàng)詳細(xì)數(shù)據(jù)都可通過系統(tǒng)調(diào)用，5 年后詳細(xì)數(shù)據(jù)清除，只保留數(shù)據(jù)處理結(jié)果及部分圖表信息。

2 監(jiān)控分站硬件設(shè)計

監(jiān)控分站基于嵌入式設(shè)備，建立井上與井下通信的樞紐，具體設(shè)計包括：分站處理器選型、分站電源電路設(shè)計、傳感器設(shè)備選型與信號采集電路設(shè)計。

2.1 ARM 處理器選型

分站主芯片負(fù)責(zé)信號的采集處理、CAN 通信、液晶顯示、接收PC 機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令等功能，結(jié)合系統(tǒng)需求與市場ARM 處理器性能分析，本系統(tǒng)選用三星公司的S3C2440A 為監(jiān)控分站的主控芯片。S3C2440A 芯片的內(nèi)核為ARM920T，具有功耗低，性能高的優(yōu)點(diǎn)，提供豐富的片內(nèi)外設(shè)，具有優(yōu)秀的集成功能。S3C2440A 芯片具有512KB ROM 存儲，集成4KB 片上EEPROM，包含有兩個CAN 控制器，兼容性能好，可通過編程調(diào)試傳輸速率，支持 JTAG 和 ARM 串口調(diào)試[6-7]。

2.2 分站電源電路設(shè)計

S3C2440A 芯片所需的供電電壓不同，內(nèi)核供電電壓為1.8 V，儲存器與I/O 口工作電壓為3.3 V，CAN 通信模塊電壓為5 V，繼電器輸入電壓為12 V，所以分站電源電路需輸出四組不同的電壓源?？紤]井下供電電壓為AC127 V，在輸入電源電路之前，首先應(yīng)經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換器，將AC 127 V 電壓轉(zhuǎn)換為DC 15 V 電壓。分站電源電路選用LM2576 轉(zhuǎn)換芯片，輸入電壓范圍DC 7 V 至DC 40 V，可提供3 A 的穩(wěn)定電流。分站電源電路如圖2 所示，由LM2576 芯片輸出5 V 電壓，7812 芯片輸出12 V 電壓，LM1117輸出 3.3 V 電壓，SPX1117 輸出 1.8 V 電壓。

圖2 監(jiān)控分站電源電路設(shè)計

2.3 傳感器選型

傳感器作為礦井環(huán)境參數(shù)與機(jī)電設(shè)備工作參數(shù)的采集設(shè)備，采集數(shù)據(jù)的精確性將直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性與安全性。本系統(tǒng)所選用的傳感器注重信號的采集精度、處理能力與傳輸速度。

瓦斯傳感器選用采用KGJ16B 型智能隔爆傳感器，KGJ16B 型瓦斯傳感器可檢測礦井巷道中的瓦斯含量，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、測試精度高等特點(diǎn)。傳感器配有遙控器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的調(diào)零與控制，輸出模擬型號。測量進(jìn)風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛葧r，傳感器應(yīng)安裝于距離通風(fēng)口5 m 左右；測量回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葧r，傳感器應(yīng)安裝于距離通風(fēng)口12 m 左右。選用BWZDJ 隔爆傳感器作為溫度傳感器，測量范圍為0～200 ℃，測量精度為±0.1%，輸入電源電壓5 V，電流5 mA。系統(tǒng)選用DHT1 數(shù)字式濕度傳感器，采用電阻式感濕元件與8 位單片機(jī)結(jié)構(gòu)，具有體積小、響應(yīng)快、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)選用KG3088 型隔爆風(fēng)速傳感器測量礦井巷道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速，工作環(huán)境溫度范圍為0～50 ℃，工作大氣壓力為85～110 kPa，可測量的風(fēng)速范圍為0～15.0 m/s，測量精度為±0.5%，輸入供電直流電源電壓12～18 V[8]。

2.4 信號采集電路設(shè)計

傳感器輸出的信號為電流信號，處理器所能處理的信號為電壓信號，所以采集信號傳輸?shù)捞幚砥髦?，需要進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，本文所設(shè)計的信號轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示，包括有兩個放大器和一個隔離光耦，以實(shí)現(xiàn)對井下環(huán)境信號的電氣隔離，保證信號的準(zhǔn)確性。圖中的電容C8 是為了濾波，去除信號的毛刺。

圖3 信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)選定Linux 操作系統(tǒng)，具有穩(wěn)定內(nèi)核，滿足軟件開發(fā)環(huán)境。分站軟件工作流程圖如圖4 所示，系統(tǒng)各模塊初始化與自檢后，傳感器預(yù)熱10 s，開始數(shù)據(jù)采集，以每隔30 s 為一個循環(huán)，檢測井下環(huán)境數(shù)據(jù)與機(jī)電設(shè)備工作參數(shù)。數(shù)據(jù)采集完成后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序與存儲程序，將處理結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定閾值相比較，判斷井下環(huán)境狀態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)等級與應(yīng)對措施，及時向井下工作人員發(fā)送安全警告。

圖4 系統(tǒng)分站軟件工作流程圖

4 結(jié)論

1）設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為核心，具有較強(qiáng)的開放性與伸縮性，支持二次開發(fā)，充分發(fā)揮硬件與軟件資源，具有更好的適應(yīng)性與移植性。

2）該安全監(jiān)控系統(tǒng)體積小、操作簡單，不需要用戶過多地干預(yù)，具有友好的圖形界面。