煤礦地面設備安全智能監控策略分析

田海霞

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦供水隊， 山西 大同 037027）

引言

我國煤礦安全管理模式比較粗獷，人為干預多、效率低、人工成本高，且存在安全死角[1]。煤礦地面設備安全性監控對大型煤炭企業非常重要。煤礦企業需要增加對地面設備安全性監控手段，既保障了生產設備安全穩定運行，也可監控設備運行狀態，有效降低故障的發生。文章旨在研究在作業區域設置安全監控傳感器，采用智能監控系統對煤礦生產過程進行監控，監控地面設備的運行狀態，為保證煤礦的安全生產提供保障。

1 煤礦地面設備智能監控系統的結構

煤礦地面設備監測監控系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括監測主機、服務器、網線、交換機、信息（數據）接口和設備監控傳感器等。智能傳感器根據信號處理的類型分成兩種：數字傳感器和模擬信號處理[2]。數字信號處理傳感器較為精準，一般設置測量和補償兩個傳感器，補償信號也可由測量傳感器獲取，經調制和變換后，微控器完成信號補償。傳感器將獲取的信號采集傳輸到嵌入式處理器，處理器模塊完成信號處理。管理系統通過RS232 模塊與嵌入式處理器進行數據傳輸，智能傳感器的數據傳輸由無線數據收發器完成。智能監控系統存儲器通信采取有線傳輸，構成主體是智能傳感器終端和控制服務器，該結構穩定但是功耗大、操作復雜，近幾年信息通信采用RS232 有線接口和信息處理模塊，可以簡化操作流程，降低功耗，結構原理如圖1所示。

2 智能傳感器的選擇

圖1 智能傳感器通信結構簡圖

傳感器作為一種感受信息和傳遞信息監控裝置，將測量信息直接傳遞控制系統或通信模塊。傳感器作為煤礦監測監控第一步，其精確度直接影響了煤礦監測監控系統的可靠性，目前礦用的傳感器可以分為三種：危險氣體監控傳感器如甲烷傳感器、一氧化碳傳感器和煙霧傳感器；溫度傳感器如光纖傳感器；速度傳感器如風速傳感器[3-4]。地面設備布置的傳感器大多集中在運動部件和人機存在交集的區域。在主扇風空氣流動區域設置負壓傳感器，風扇電機設置啟停感應器，出風口設置風門傳感器，輸送機和輸送機筒下風側設置危險氣體監控傳感器。

通過對煤礦地面設備的各個關鍵位置進行監測，實時監控運行溫度。溫度測量可采用熱電偶和光纖傳感器兩種。皮帶輸送設備必須預防滾筒摩擦溫升問題，傳統方法采用電偶測量，但是電偶反應慢，需要接觸被測物體表面，會出現磨損，且誤差大、壽命短。現代煤礦企業采用光纖傳感器進行溫度測量，光纖傳感器的維護成本較高、動態范圍大、相應快且精度高，下頁圖2 為光纖溫度傳感器的測溫系統圖，光纖可以沿著被測物體多點設置，適用性好，尤其是在地面工作環境惡劣，作業面積大，監控點和控制室距離遠的煤礦，光纖溫度傳感器的優勢更加明顯。當滾筒和皮帶間摩擦力生成高溫時，光纖溫度傳感器的“溫度”信號值超過設定閾值時，系統開始減速或者自動斷電，從而實現對地面設備的保護。

3 煤礦地面設備智能監控系統的硬件設計

煤礦地面監控系統的硬件設計沿用成熟的自下而上方法，控制系統硬件由MCU 控制模塊、信息采集模塊、無線通信模塊、信號接口、存儲器和供電電源等組成。主控制MCU 通常為MSP430 單片機，完成對下位機模塊間控制；信息數據采集將地面設備獲取的電壓或電流信號完成數模轉換，無線通信模塊將信號傳遞至主控MCU；監控設備獲得的傳感器信息、時間和設備運行狀態可在LCD 實時顯示；控制系統的時間參考由PCF8563 芯片提供參考；為了修訂和升級系統，專門設置程序升級的JTAG 接口，串口間信息的交換由RS232 總線完成當信息采集，接口較為分散時，控制系統可選用RS485 接口；存儲模塊將地面設備傳感器獲取信息進行存儲，方便分析和查詢，監控系統硬件結構如圖3 所示。

圖2 光纖傳感器測量原理

圖3 硬件結構簡圖

4 煤礦地面設備智能監控系統的軟件設計

軟件設計的主程序數據采集和主控制兩部分，分別用于傳感器數據采集和控制監控系統，智能系統的軟件整體流程如圖4 所示。主控MCU 通過無線接向采集部分MCU 發出采集指令，分布在末端的傳感器測量指令所需的電壓、電流、溫度等信息，并將測量結果轉換成無線信號，發送數據至主控部分。主控MCU 根據總控制系統指令選取儲存器內數據，通過RS485 總線完成上傳。當無上傳數據任務時，控制程序開始發出執行測量設備命令，測設備傳感器將持續監控設備狀態，并通過無線接收程序發送狀態數據。

圖4 智能監控系統軟件流程

5 煤礦地面設備智能監控系統應用效果的評估

對煤礦地面設備智能監控系統的現場測量效果與理論數據對比可得出：

1）采用系統對轉速監測監控精度可保持在4%的誤差范圍內，可以適用于風扇、滾筒等部位的轉速監測。

2）對光纖溫度傳感器測量，溫度誤差不超過±5%的范圍內，可以用于輸送帶等部位的問題監控，抗干擾性好，適應煤礦地面環境性強，且傳輸距離遠。

3）系統操作性好，簡單易學，減少了對工人技能水平的要求，提高了作業效率。