煤礦智能安全監控系統的研究

【摘要】為了解決目前煤礦安全監控系統存在的異地斷電時間長、數據利用率低、數據傳輸效率低等問題，文章提出了煤礦智能安全監控系統研究的新思路，實現煤礦安全監控系統中傳感器、分站的自識別、即插即用，解決了目前煤礦安全監控系統存在的上述問題，提高了傳輸效率，提高了數據利用率。

【關鍵詞】監控系統；傳感器；分站；自動識別

1.引言

隨著數字化礦山的建設，煤炭生產企業對安全監控系統的要求也越來越高，同時目前礦用監控系統存在著諸多問題[1]，主要有：

（1）異地斷電時間長

安全監控系統最基本的也是最重要的兩個功能就是監測與控制。目前，國內監控系統的主要廠家的系統架構大都采用主從式結構，地面計算機作為主控機，通過傳輸接口設備依次向井下的監控分站發送巡檢命令，井下監控分站收到地面主機巡檢命令后，將分站所采集到的數據通過數據傳輸接口設備傳給地面主控機，從而實現了井下環境的監測。對井下設備異地斷電控制經歷的環節較繁瑣，具體過程為，井下監控分站采集到某傳感器數據超限后，在地面主機巡檢該分站時，將傳感器的超限數據上傳到地面主機，地面主機再將傳感器的超限斷電信息發給另外目的分站，另外目的分站收到斷電信息后實施斷電。

由于采用主從結構、井下分站級設備與地面主機通訊采用的是低速串行接口，采用上述的方式實現環境監測以及斷電控制，系統不可回避的一個指標就是巡檢周期，因為巡檢周期的長短決定著環境數據采集實時性的好壞，同時也決定著系統異地斷電控制時間的長短。

（2）系統數據傳輸效率低

為了能夠更好的監測煤礦井下現場的環境，監控系統的傳感器會對井下的環境參數進行實時采集，分站將傳感器的所有實時數據，傳送至地面主機。在一臺分站上掛接的傳感器較多時，所有傳感器的實時數據在未做相關的處理，原封不動的上傳實時數據量相對較大。但是通過分析某一段時間內所有的監測數據后，發現所有的數據表達的井下環境為：某一地點瓦斯3個小時內的濃度均為0%CH4、某一地點一氧化碳24小時內的濃度均為0ppm、某一地點30天以來氧氣濃度均為19.7%。分站上傳到地面的數據中幾乎大于80%的數據都是這種重復的無效數據，系統的數據總線上傳輸的實時數據中只有20%的有效內容，過多的無效數據使得系統數據傳輸的效率極低、系統的實時性受到影響。

（3）系統數據利用率低

目前多數監測監控系統[2]的軟件，功能大都停留在對被監測環境參數的實時采集、存儲、超限報警及斷電、圖形和報表形式輸出的水平，實現了對數據的最基本處理，沒有對系統數據的充分利用，沒有開發專家診斷、專家決策系統軟件。在事故情況下，通過系統數據不能指示出最佳救災和避災路線，不能為為搶救和疏散人員、設備提供決策。

為了解決監控系統存在的問題，更好的提高監控系統的運行效率，促進煤礦系統智能礦山和數字化礦山[3]的建設，我們研究新的智能監控系統，新監控系統提高了系統數據的利用率、提高了傳輸效率，更具備自識別功能，使監控系統更具有自動化和智能化。

2.智能監控系統主要功能特點

（1）高效的實時上傳功能

分站對所接測點的傳感器實時采集，為了提高傳輸效率[4]，新監控系統采用事件方式上傳，對所上傳事件進行閾值設定，當超過閾值范圍定義為事件發生。當事件發生時，數據方能上傳。例如：設定某一地點瓦斯濃度變化超過0.02%、超過報警點、超過斷電點為事件閾值，當事件發生時，數據上傳，當事件不發生時，數據不上傳。由經驗數據可得，分站采集的數據中幾乎大于80%的數據都是重復的達不到閾值的數據，真正有變化超過閾值的數據僅占20%，過多的無效數據使得系統數據傳輸的效率極低、系統的實時性受到影響，采用事件上傳方式，提高了數據上傳效率，縮短了系統的巡檢周期。

（2）故障診斷功能

新監控系統增加了故障自診斷功能。分站具備故障存儲功能，分站的工作狀態、復位狀態、端口狀態等能夠表示出分站故障的信息都存儲到寄存器中，如分站發生故障，上位機可通過讀分站寄存器來讀取分站的故障信息。

分站所接測點傳感器也具備故障信息存儲功能。上位機通過讀子設備寄存器命令，讀取子設備的故障信息。如：瓦斯傳感器在發生催化元件脫落、撞擊、進水等故障的時候，其表現在探頭短路、斷路，內部比例系數不正常，采集數字量超出正常范圍水平等，出現這種情況，傳感器會將故障信息存入到傳感器的寄存器中，上位機可通過讀子設備寄存器，讀取子設備的故障信息。

（3）異地控制功能

新監控系統的異地斷電控制不再單單依靠上位機和巡檢周期，當異地斷電事件發生時，分站即可將該事件通過特殊命令幀轉發到總線上，異地斷電的受控分站接收到該特殊命令幀，即可執行異地斷電命令。新監控系統可實現異地斷電能夠即時完成，優于目前市場上監控系統的異地斷電時間要求不大于兩個巡檢周期。

（4）即插即用功能

1）傳感器的即插即用

上位機無需對頻率型傳感器和總線型傳感器設置測點類型，可根據接入的傳感器自動判斷識別傳感器的類型。井下安裝人員將傳感器接入到分站的端口上，分站根據傳感器發來的信息自動識別傳感器的類型，并根據類型自動生成其量程范圍、頻率范圍、報警點、斷電點等配置信息，分站將識別的類型信息通過總線的形式發送給上位機，上位機接收到信息后，會在監控軟件界面上彈出新傳感器接入的對話框，對話框的內容包括測點的類型信息、接入到分站的信息。監控人員確認接入后，上位機會根據接入傳感器的類型，自動將傳感器分配到該分站的該端口下。

2）分站的即插即用

分站接入監控系統后，上位機會彈出新分站接入的對話框，對話框的內容包括分站類別信息、地址信息。監控人員確認接入后，上位機會顯示分站及分站所帶測點的信息。

3.系能監控系統各部分功能模塊詳細設計

（1）礦用傳感器的設計

智能安全監控系統的傳感器具備即插即用和自識別功能。頻率型傳感器或總線式傳感器接入分站或上位機系統，傳感器即發送自己的特征ID信號，分站或上位機接收到特征ID信號，即可識別出接入的傳感器類型，從而讀取傳感器的屬性、參數，不需人為參與即可實現傳感器的自動識別和自動配置功能。傳感器軟件設計流程如圖1所示。

（2）礦用分站的設計

智能安全監控系統分站[5][6]可對接入的數字型傳感器和總線型傳感器進行自動識別，既可接收上位機對分站及測點的配置信息，也可自己實現測點信息的識別和配置。分站接收傳感器的信息，按照傳感器的固有配置，根據其設定的閾值，按照事件發生的方式將信息上傳至上位機系統。

分站即可作為從機接收上位機的巡檢令，也可作為主機，當事件發生時，搶占總線將數據通過事件發生的方式上傳給上位機。分站遵循“不變不傳”的原則，當分站或分站所接子設備沒有事件發生時，分站接收上位機的巡檢令，只回送“心跳”命令，同時也不會主動上傳數據給上位機系統。智能監控系統監控分站軟件設計流程如圖2所示。

（3）礦用電源設計

智能監控系統的礦用電源具備多路電源輸出，按照現場設備的用電要求，設計電源不同等級的電壓輸出，優化電源的利用效率。本安輸出的接口方式靈活，可使用多芯航空插頭與分站或其他用電設備連接，也可以選擇通用型插頭，方便與各廠家本安設備的連接；電源具備繼電器輸出，實現饋電開關的斷電控制，同時具有饋電狀態檢測功能。電源具備UART總線通訊接口，按照事件閾值發生的方式，支持信息的總線上傳，方便遠程監測及控制。圖3所示為智能監控系統電源設計框圖。

（4）上位機軟件的設計

上位機軟件通過巡檢令巡檢系統中的總線型子設備，當子設備有事件發生，例如：新接入子設備或子設備采集的數值大于定義的閾值，檢測監控系統會接收到子設備的信息，并自動配置子設備的固有屬性。圖4所示為智能監控系統上位機軟件設計流程。

4.總結與展望

對目前國內煤礦安全監控系統的現狀與問題，本文提出了一種智能監控系統研究的新思路，并設計研究出一套智能煤礦安全監控系統和配套分站、傳感器、電源，該系統的應用，能夠改善目前煤礦安全監控系統的諸多問題，極大的提高煤礦安全監控系統的生產效率，為數字化礦山和智能化礦山的建設起到積極的促進作用。

參考文獻

[1]胡繼紅.煤礦安全監控系統存在的問題與發展方向[J].中國煤炭，2010（12）：65-67.

[2]魯遠祥，樊榮.煤礦安全監控系統體系架構技術的發展[J].礦業安全與環保，2009（S1）：187-189

[3]孫繼平.煤礦自動化與信息化技術回顧與展望[J].工礦自動化，2010（06）：30-34.

[4]鄒哲強.煤礦安全監控系統可靠性指標的測定方法[J].工礦自動化，2010（04）：5-8.

[5]王啟峰，祝國源，孫小進.基于FPGA的煤礦安全監控系統監控分站的設計[J].工礦自動化，2010（10）：33-35

[6]王紅堯，華鋼，張瀚超.煤礦安全監控分站的研究[J].電子設計應用，2005（12）：93-95.

項目來源：天地（常州）自動化股份有限公司科研基金項目（項目編號：13SY012-02）。

作者簡介：徐士敏（1984—），男，山東濰坊人，2009年畢業于山東科技大學檢測技術與自動化裝置專業，碩士，工程師，主要從事煤礦安全監控系統的研究。