礦山井下壓氣自動監控系統的應用

文麗松

（南京銀茂鉛鋅礦業有限公司， 江蘇南京 210033）

礦山井下壓氣自動監控系統的應用

文麗松

（南京銀茂鉛鋅礦業有限公司， 江蘇南京 210033）

摘 要：壓縮空氣是礦山井下作業人員生存的依靠和健康的保證，同時也是許多設備的動力源泉，壓縮空氣消耗的能源很大，壓氣管線長而且分散，一直以來管理都非常困難。隨著網絡和自動化技術的發展，利用計算機、單片機及相關組態軟件，通過光纖通訊，設計一套壓氣自動監控系統來實現井下壓氣的管理，在保證壓氣要求的前提下，提高安全性能，節約能源。

關鍵詞：地下礦山；壓縮空氣；網絡通訊；自動監控

0 前 言

礦山井下通風系統一般是通過地表的空壓機站把新鮮壓縮空氣經管道輸送到井下儲氣罐，再分別輸送到各作業點，同時利用風機將井下污濁空氣抽出來。一般來說都非常重視空壓機壓氣制造和風機抽風的節能，利用變頻器和自動控制技術取得了很好的效果，但對井下壓氣運用的管理和控制重視不夠，很少運用成套的壓氣自動控制系統來管理和控制壓氣，這樣就浪費了很多壓氣能源。如果簡單的通過管道閘閥人工來控制氣量，由于井下氣管延伸的非常遠而且分布廣泛，就需要較多的人力成本，同時壓氣的氣壓、流量無法顯示，不能及時準確控制壓氣量。這就需要一套壓氣遠程自動監控系統，根據井下作業點情況、通風要求、設備開啟狀態來調節壓氣的氣量。

1 壓氣自動監控系統的設計

隨著各種檢測傳感器應用，單片機的開發，網絡通訊和計算機技術的發展，遠程自動監控系統已經廣泛運用于工業項目中。本系統正是基于上述相關技術設計的，系統的組成主要是：位于監控中心的主計算機，光纖收發器，光模塊交換機，光纖終端盒，各個中段分層的遠程控制箱，安裝在壓氣管道上的監測、控制儀器，通訊光纖，其中遠程控制箱中安裝了：數據采集板、串口服務器、光纖收發器及相應的電路元器件，用來接收、處理、傳輸各種信號和指令。整個監控系統由上位監控管理層、中間通訊層、下位終端信號采集層3部分組成。系統結構如圖1所示。

1.1上位機監控系統

監控系統軟件是通過Visual C++6.0平臺編寫的基于PC機數據處理終端的上位機軟件，主要包括5個功能模塊：參數設置模塊，數據采集模塊，數據處理模塊，控制輸出模塊和數據管理模塊，各模塊間通過已設定好的數據交換接口及多線傳輸方式實現實時的數據交換和存儲。監控系統主要實現的功能要求和目標是：與遠程終端控制器的網絡通訊、數據交換；數據的計算、轉換、處理；數據的存儲備份與打印輸出；系統管道參數實時顯示；實時數據曲線和歷史數據曲線圖形顯示；遠程控制調節閥；設備故障報警和記錄。

1.2通訊系統

中間通訊層的作用是連接上位監控管理層和下位終端信號采集層，它們之間采用串行通訊，通訊方式為主-從通訊，上位監控機向下位機發送查詢指令，下位機確認收到查詢指令后，將采集到的信號傳送回去。下位機終端采集的信號通過RS-232接口、串口服務器、光纖收發器、光模塊交換機進行數據傳輸，串口服務器是為RS-232終端到TCP/IP之間完成數據轉換的通訊接口協議轉換器，由此輸出的信號接口為普通網口RJ45。由于井下傳輸線路很長，信號干擾大，用電信號傳輸不能滿足要求，而光纖通訊傳輸信息量大、傳輸距離遠、抗干擾性好，安全性高，并且光纖體積小、重量輕、敷設方便簡單，所以采用光信號傳輸，這就需要將電信號轉換成光信號，選擇光纖收發器，利用光纖通訊傳輸信號，因為計算機接收的是電信號，所以在上位監控機前需要將光信號再轉換為電信號。

1.3下位終端信號采集系統

下位終端信號采集系統是以STC12C5412AD單片機為控制核心，使用Keil uvision2軟件設計的，主要包括數據轉換的A/D421芯片，8路10位精度ADC端，EEPROM功能的X25045芯片，RS-232接口轉換芯片MAX232，3路0-5V模擬量輸入電路，1路開關量輸入電路，1路4-20mA模擬量輸出電路，1路開關量輸出電路，其他相關的功能電路，以及信號采集終端安裝在壓氣管道上的監測和控制設備。下位現場監控系統硬件結構如圖2所示。

圖1　系統結構

圖2　下位現場監控系統硬件結構

安裝在壓氣管道上的監測和控制設備有：流量計、壓力傳感器、智能調節閥、開關蝶閥。流量計以4～20mA的流量值傳輸給單片機，壓力傳感器以0 ～5 V的壓力值傳輸給單片機，智能調節閥根據上位機的指令來調節閥門的開度大小，同時將閥門開度值反饋給系統，開關蝶閥根據上位機的指令來打開或者關閉閥門，不調節閥門大小，同時將閥門開關狀態反饋給系統。信號采集終端采集的都是模擬量信號，需要使用STC12C5412AD單片機內部的A/D轉換功能將模擬量轉換成數字量，同樣上位機的指令也需要經過轉換后傳給信號采集終端。

信號采集系統有多個信號采集終端，PC機與采集終端通訊時，必須根據唯一標識地址來識別節點，所以通過上位機設定主機的IP地址和每個信號采集終端串口服務器的IP地址，使他們處于同一個局域網內，另外利用信號采集終端撥碼開關來設定每個信號采集終端的標識地址。

2 壓氣自動監控系統的功能

（1）采集各分層管道壓氣的流量、氣壓、閘閥開度等參數，并在監控系統畫面以實時數據和圖形顯示出來，這樣在監控室就能知道每個地方的壓氣流量值、壓力值、管道開關狀態和閘閥開度值。

（2）遠程操控每個點的控制閥，根據生產任務、施工作業要求、用氣設備開停等情況，實時調節各通風點壓氣。

（3）安全監控，對各點的現場設備和通訊情況進行監控，當設備出現故障或者通訊斷開時，監控系統會顯示相應的故障報警，維護人員可以根據監控系統的故障顯示及時維修。

（4）自動/手動控制，可以隨時手動修改每個控制閥的開關和開度，也可以通過設置每個控制閥狀態參數，自動調節在不同的時間實現不同的功能。

（5）自動超限報警，根據不同的供氣要求，設定每個點壓氣流量、壓力值的上下限，在實測數據值超過范圍時發出報警，以便及時調整。

（6）事件和數據的記錄、查詢和打印，計算機根據監控系統設計自動存儲系統的數據和事件，通過監控系統可以查詢各個參數的歷史數據和設備的運行情況，同時可以根據數據庫的查詢自動生成各種報表。

3 結 論

隨著社會的發展，安全和能源越來越受到關注，國家對礦山企業的安全生產、能源消耗、規范管理要求越來越嚴格，數字礦山是現代礦山的一種發展方向，要真正建設一個數字礦山，首先礦山的工藝系統和設備就得實現自動化、網絡化。這套礦山井下壓氣自動監控系統，采用了先進的網絡技術和自動化控制技術，配以質量可靠、性能穩定、機構簡單的硬件設備，實現了對壓氣自動化管理。系統在南京銀茂鉛鋅礦業有限公司井下安裝應用后取得了良好的效益：工作人員在調度監控室就能夠實時的了解各點壓氣和設備情況，根據需要遠程操控每個點的控制閥，實時調節各通風點壓氣；設備有故障也能立即發現，及時安排人員維修；提高了礦山壓氣控制管理水平和安全性能；減少了壓氣浪費，降低了電能損耗，全年空壓機站壓氣用電比往年大概能節約24萬kW·h；減少了壓氣管道工作人員，以前每班都要1個人去巡查和調節管道，現在只要管理人員或者調度員兼職管理監控系統，可以減少4個工人，節約了人力成本；系統運行穩定，硬件安全可靠，故障率低，維修成本小。

參考文獻：

［1]楊國興.Visual C++6.0實例教程［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［2]袁國良.光纖通信原理［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3]張毅剛.單片機原理及接口技術［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［4]李朝青.單片機與PC機網絡通訊技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［5]劉永紅.地下采礦壓風系統智能控制技術運用［A］.第四屆中國礦山數字和智能技術裝備大會論文集［C］.中國有色金屬學會采礦學術委員會，2011：117-121.

收稿日期：（2016-04-18）

作者簡介：文麗松（1980-），男，江西吉安人，電氣工程師，主要從事礦山機電設備的管理，Email：wls198093@163.com。