汪 爽

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司成莊礦監(jiān)測隊，山西 澤州 048000）

引言

近年來，國內的煤礦井下安全監(jiān)控技術取得了較大的進步，相較于前些年，目前主流的煤礦井下安全監(jiān)控技術主要有五個發(fā)展方向，分別包括高精度傳感器、系統(tǒng)在線自動調校設備、分站式結構設計、現(xiàn)場總線控制技術應用、采用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議通信技術。五大方向代表了主流的技術突破方向，研究從各個方面去提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能[1]。本文對現(xiàn)有的某礦業(yè)公司井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造。

1 監(jiān)控分站簡介

煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括四大模塊，分別對其做簡要說明[2]：

1）信號采集。該模塊的功能主要是負責收集各傳感器所采集的信號，并將這些信號進行處理轉化后傳輸給井下監(jiān)控分站。

2）安全監(jiān)控分站設計。分站系統(tǒng)的組合構成了安全監(jiān)控總體系統(tǒng)，分站設計對于整個監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。分站系統(tǒng)主要是將前端傳感器傳輸回來的信號進行分析，并作出判斷。

3）信號傳輸。各個模塊之間相互協(xié)作，都離不開信號的有效傳輸，所以信號傳輸模塊是煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎。

4）地面控制中心。地面控制中心主要是集成各子系統(tǒng)信息，同時是安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制部分，可以實現(xiàn)對井下相關系統(tǒng)的人工控制。

如圖1所示，為煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體的結構示意圖，在監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器處于最底端，主要是對各種信號的采集。所有經(jīng)采集得到的信號，進過監(jiān)控分站的處理，最后匯總到地面控制中心站[3]。

圖1 井下安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結構示意

2 安全監(jiān)控分站總體方案設計

監(jiān)控分站是整個安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要子模塊，各個子模塊具有相對獨立的功能，分站系統(tǒng)可為煤礦井下作業(yè)人員提供安全保障。因此，對于保障安全和整體系統(tǒng)的可靠運行和擴展性，分站系統(tǒng)的設計具有重要意義。

2.1 系統(tǒng)硬件總體設計

分站系統(tǒng)的硬件主要包括主控制器、井下傳感器、輸出電路、輸入電路、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，硬件的性能對整個系統(tǒng)具有較大的影響，因此需要綜合考慮硬件的各項指標。同時分站系統(tǒng)具備獨立工作能力，可以根據(jù)傳感器所采集得到的參數(shù)對相關設備進行控制[4]。

根據(jù)設計要求，擬定的分站系統(tǒng)硬件技術指標如下：

1）傳感器的信號輸入要求：信號的頻率范圍為50～1 800 Hz，額定工作電壓信號2～50 mV，其中信號的誤差不大于0.5%。

2）數(shù)據(jù)傳輸能力：20/200 Mbps，工業(yè)級以太網(wǎng)，網(wǎng)絡以TCP協(xié)議傳輸。

3）信號傳輸能力：具有一定的抗干擾能力，最大傳輸距離應不小于40 km，各類傳感器到分站主控制器之間的有效傳輸能力不小于4 km。

4）系統(tǒng)具有較好的兼容性，具有16路輸入與16路輸出端口。

5）設備工作環(huán)境要求：溫度-10～50℃，空氣的相對濕度不得大于94%，額定工作大氣壓力為90～120 kPa。

分站系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示，安全監(jiān)控分站硬件系統(tǒng)主要包括微處理器、開關操作輸入信號以及傳感器采集信號輸入端口等。上下主要連接了顯示器、備用電源等硬件設備，微處理器可實現(xiàn)對傳感器采集信號的處理，并作出反饋[5]。

圖2 分站系統(tǒng)硬件組成

2.2 分站系統(tǒng)軟件設計

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的硬件設備是系統(tǒng)的物理基礎，而軟件系統(tǒng)則是運行各種設備所需要的程序語言。軟件系統(tǒng)對系統(tǒng)整體性能影響較大，為了保障安全監(jiān)控系統(tǒng)整體的性能，在本項目的系統(tǒng)升級中，軟件編程由專業(yè)公司合作完成，在此只對軟件系統(tǒng)的設計結構框架做簡要介紹。

分站軟件系統(tǒng)為可操作系統(tǒng)，但是系統(tǒng)以單任務的形式運行，由于分鐘系統(tǒng)所涉及的功能也較多，所有選擇了Linux操作系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)，分站系統(tǒng)軟件的設計開發(fā)內容如圖3所示[6]。

3 系統(tǒng)硬件設計方案

在分站系統(tǒng)硬件設計中，核心部分為微處理器，實際上目前市場上可滿足分站系統(tǒng)設計需求的微處理器較多，根據(jù)實際需求和產(chǎn)品性價比，選擇了基于ARM9框架的三星WS7H280型處理器作為分站系統(tǒng)硬件微處理器。該型微處理器具有200M網(wǎng)絡接口，可實現(xiàn)以TCP/IP協(xié)議方式與地面控制中心和井下傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。終端傳感器則以國內維博電子所生產(chǎn)的各型傳感器為主，包括GTH100型風速傳感器、SHM490型溫度濕度傳感器、GSK15型有害氣體濃度傳感器等。微儲存器（NOR FLASH、SDRAM）選擇的是丹麥丹諾克公司生產(chǎn)的GBX30系列存儲器。

安全監(jiān)控系統(tǒng)分站硬件設計原理如圖4所示，微處理器對各種傳感器采集所得的信號進行判斷。如果信號超過閘值，微處理器可作出判斷，對井下的環(huán)境安全做出實時診斷。分站與地面控制中心之間通過網(wǎng)卡以TCP/IP協(xié)議進行信號傳輸，傳感器信號的采集頻率為60 Hz。分站硬件系統(tǒng)配置了顯示屏及觸摸控制屏，可以實現(xiàn)人工手動對設備進行操作，并設置了緊急停止操作按鈕。

圖3 分站軟件系統(tǒng)開發(fā)圖

圖4 監(jiān)控分站硬件設計原理

4 監(jiān)控分站的軟件設計

安全監(jiān)控系統(tǒng)分站系統(tǒng)軟件升級，采用了Linux開源代碼進行編程，Linux具有諸多優(yōu)點，如能同時執(zhí)行多個任務、多用戶登錄、后期開源擴展性好。Linux可為用戶提供豐富的編程技術，具有較高的安全性，可為用戶提供文件的訪問、讀取權限，對于保障系統(tǒng)的信息安全具有重要意義。由于軟件的具體編程是與第三方合作完成，在此不再對軟件的詳細編程過程做過多的贅述，如下頁圖5所示，為Linux驅動與應用程序的關系圖。

分站軟件系統(tǒng)主要包括五個功能子程序：

1）傳感器信號分析：傳感器信號分析程序主要是對井下傳感器所采集的井下環(huán)境參數(shù)進行分析計算。

2）簡易控制程序：微處理器的控制程序主要是對信號進行判斷，可檢測井下環(huán)境參數(shù)是否超過閘值，從而做出自動控制，包括對井下硬件設備如通風機等設備井下調節(jié)。

3）簡易信息顯示程序：顯示主程序主要是對監(jiān)測信息的顯示和反饋。

4）數(shù)據(jù)通信：數(shù)據(jù)通信程序主要是以TCP協(xié)議實現(xiàn)井下與地面的數(shù)據(jù)交互。

圖5 Linux驅動程序關系

5）觸摸控制程序：觸摸控制程序是為用戶提供簡易的幾個功能按鈕，從而達到代替實體按鈕的功能。

5 安全監(jiān)控系統(tǒng)分站系統(tǒng)的測試及其結果

在實現(xiàn)井下安全監(jiān)控分站系統(tǒng)的搭建后，投入實際應用，并對該系統(tǒng)在井下進行了兩個月的井下調試與試用，詳細地對分站系統(tǒng)的軟件和硬件進行了調試，硬件是軟件調試的基礎，在確保硬件系統(tǒng)性能可靠、準確的前提下，再對軟件的性能進行調試。

硬件調試內容主要包括電源故障排除、焊接故障排除、電子元器件故障排除、微處理器故障排除、信號輸入測試、輸出信號測試、網(wǎng)絡連接測試等。軟件的測試主要包括操作界面測試、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示能力測試、按鈕輸入測試、軟件信號反饋測試等。

調試結果顯示，分站系統(tǒng)的設計達到了設計目標，該研究對于井下安全監(jiān)控系統(tǒng)分站系統(tǒng)的升級改造具有重要參考意義。