郭莊煤礦“四位一體”安全監(jiān)測系統(tǒng)電路設(shè)計及管理分析

宋凱敏

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治046000）

0 引言

“四位一體”是我國總結(jié)的一套行之有效的防治煤與瓦斯突出事故綜合措施，內(nèi)容為：突出危險性預(yù)測、防治突出措施、防治突出措施效果檢查、安全防護(hù)措施。經(jīng)過多年發(fā)展，目前我國大中型煤礦均已安裝較為完善的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，為保證井下安全生產(chǎn)提供了重要基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)“實情上報、上報實情”“高靈敏、高可靠、全覆蓋、真數(shù)據(jù)”的監(jiān)測目標(biāo)，需嚴(yán)格執(zhí)行“四位一體”系統(tǒng)傳感器管理規(guī)定。

1 煤礦概況

郭莊煤礦位于山西省屯留縣境內(nèi)，隸屬于潞安礦業(yè)集團(tuán)，設(shè)計煤炭年產(chǎn)量為60萬t，可采儲量約4 615萬t，開采深度420 m，且開采地質(zhì)條件良好，經(jīng)過多次技術(shù)升級改造，煤礦整體設(shè)備水平已經(jīng)實現(xiàn)現(xiàn)代化。為提高井下作業(yè)安全性，相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)積極引進(jìn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，涉及到了所有危險源。

2 煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)簡介

郭莊煤礦所安裝的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)可用于對井下環(huán)境、工況參數(shù)監(jiān)測，包括：甲烷濃度、一氧化碳濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煙霧、饋電狀態(tài)、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開停、主通風(fēng)機(jī)開停等，并實現(xiàn)甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風(fēng)電閉鎖控制[1]。該系統(tǒng)主要原理圖見下圖1，主要組成如下：

圖1 郭莊煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

1）井上部分。該部分主要由：監(jiān)控主機(jī)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、UPS電源、打印機(jī)等組成。在地面監(jiān)控系統(tǒng)中心站監(jiān)控主機(jī)采用雙機(jī)熱備配置，井下監(jiān)控分站上傳的監(jiān)控數(shù)據(jù)同時寫入監(jiān)控主機(jī)、備機(jī)數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控主備機(jī)通過環(huán)網(wǎng)交換機(jī)接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)，與井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和分站等設(shè)備進(jìn)行通訊，負(fù)責(zé)整個監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲功能[2]。

2）井下部分。井下傳感器監(jiān)控參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號接入監(jiān)控分站，由監(jiān)控分站通過環(huán)網(wǎng)交換機(jī)接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)，上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)值到監(jiān)控中心站。各類監(jiān)測傳感器和斷電執(zhí)行器與分站之間為485傳輸制式，采用礦用阻燃屏蔽四芯通訊電纜連接，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)采集上傳及控制斷電等[3]。

3 “四位一體”系統(tǒng)主要傳感器模塊電路設(shè)計分析

由“四位一體”監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)原理圖可知各類型傳感器是核心監(jiān)測設(shè)備，其靈敏度、可靠度等直接影響著監(jiān)測效果，在此對幾種主要傳感器（系統(tǒng)）模塊電路進(jìn)行設(shè)計分析。

3.1 溫濕度傳感器電路設(shè)計

井下采用的溫濕度傳感器為瑞士盛思銳公司所產(chǎn)的SHT15（集溫、濕度為一體），供電電壓2.4～5.5V，工作電流僅為28μA，溫度、濕度分辨率分別為±0.01℃、0.03%RH，具有精度高、功耗低等優(yōu)點[4]。

在電路設(shè)計時，會將SHT15與單片機(jī)（PIC16F690）通過IC兩線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在DATA腳增設(shè)拉電阻，可提高端口驅(qū)動能力，并且電源與地腳并接一個電容（0.1μF），可達(dá)到去耦效果，具體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示[5]。

圖2 SHT15電路結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 瓦斯傳感器電路設(shè)計

瓦斯傳感器是“四位一體”中最重要的傳感器類型，因此對其可靠性有著很高要求，而催化式瓦斯傳感器成本低、結(jié)構(gòu)簡單、受外界環(huán)境影響小，而且在郭莊煤礦應(yīng)用多年，所以本系統(tǒng)選擇LXK-7型瓦斯傳感器，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 LXK-7型瓦斯傳感器技術(shù)參數(shù)

由于瓦斯傳感器輸出的差分電壓主要是受瓦斯?jié)舛扔绊懀曳植钚盘柾^小，因此要設(shè)計對應(yīng)的信號采集放大電路，具體設(shè)計原理圖如圖3所示。為了減小整個系統(tǒng)能耗，設(shè)計在傳感器供電端連接1個三極管開關(guān)電路，即當(dāng)傳感器節(jié)點休眠時，三極管斷開，可顯著節(jié)省電源功耗[6]。

圖3 LXK-7信號采集放大電路原理圖

3.3 聲光報警系統(tǒng)電路設(shè)計

當(dāng)傳感器監(jiān)測到瓦斯、溫濕度等參數(shù)超標(biāo)后，便會啟動聲光報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由單片機(jī)（Bell）引腳控制，平時該單片機(jī)為低電平狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常情況，引腳就會輸出一個高電平，開啟三極管，進(jìn)而使聲光報警系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)原理見下圖4所示[7]。

圖4 聲光報警系統(tǒng)電路原理圖

4 “四位一體”安全監(jiān)測系統(tǒng)管理措施分析

4.1 “四位一體”傳感器移動管理措施分析

“四位一體”安全監(jiān)測系統(tǒng)會隨著工作地點改變而進(jìn)行不斷移動，而這些電子設(shè)備本身精度很高，且“身驕肉貴”，稍有不慎便可能導(dǎo)致傳感器損壞。因此為保證傳感器在移動過程中性能穩(wěn)定，同時避免出現(xiàn)傳感器誤報警事故，郭莊煤礦制定了“四位一體”移動傳感器管理措施，具體如下：

1）傳感器移動前由現(xiàn)場安全員、瓦檢員、跟班隊長共同匯報，向公司生產(chǎn)調(diào)度室、安全調(diào)度室、通風(fēng)調(diào)度室、監(jiān)控室、自動化部請示（包括所移動傳感器時間、地點、內(nèi)容、位置等），經(jīng)相關(guān)部門同意后方可作業(yè)。

2）傳感器移動時，必須由作業(yè)隊跟班隊長、操作員或兼職監(jiān)控員進(jìn)行操作，由瓦檢員指定傳感器移動位置，通風(fēng)部指定吊掛位置，安全員現(xiàn)場監(jiān)管移動過程，確保傳感器在規(guī)定的要求距離范圍內(nèi)及正確位置上。

3）工作面?zhèn)鞲衅饕褂脤Ｓ梅雷o(hù)板固定，航空線盤圈后與接線盒固定于傳感器防護(hù)板的背面，嚴(yán)禁對電線強(qiáng)拉硬拽，不得出現(xiàn)航空線從接線盒中拉出、與傳感器接頭處拉斷或松動造成傳感器誤報警、斷線等事故。

4）傳感器、接線盒要做好防淋水保護(hù)，表面及進(jìn)氣口煤塵每班進(jìn)行清理，每班交接班或傳感器移動后應(yīng)及時檢查航空線與接線盒連接情況，排查結(jié)束后由安全員、瓦檢員、跟班隊長向公司調(diào)度室、安全調(diào)度室、通風(fēng)調(diào)度室、監(jiān)控室、自動化部進(jìn)行電話匯報閉合。

4.2 “四位一體”傳感器調(diào)校管理措施分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)定：瓦斯（甲烷）傳感器需15 d進(jìn)行1次現(xiàn)場調(diào)校，以保證監(jiān)測準(zhǔn)確、斷電可靠，郭莊煤礦制定了“四位一體”傳感器斷電試驗管理措施如下：

1）所有瓦斯（甲烷）傳感器調(diào)校工作由當(dāng)班跟班隊長、安全員、瓦檢員、自動化部調(diào)校人員4人共同承擔(dān)責(zé)任。調(diào)校前由調(diào)校人員向生產(chǎn)調(diào)度室、安全調(diào)度室、瓦斯監(jiān)控室、自動化部請示（包括所調(diào)校傳感器地點及名稱），經(jīng)同意后方可作業(yè)。

2）調(diào)校人員調(diào)校時，先觀察傳感器外觀、接線等是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如有損傷則應(yīng)對傳感器或外部連接線進(jìn)行更換或修復(fù)，傳感器調(diào)校完畢顯示值穩(wěn)定后，重新用標(biāo)準(zhǔn)氣體對傳感器進(jìn)行測試，觀察是否顯示穩(wěn)定并與標(biāo)準(zhǔn)氣體值顯示一致，如有誤差重新調(diào)校。

3）傳感器調(diào)校完畢后，由瓦檢員對比調(diào)校前后顯示值是否誤差過大，如有光瓦則利用光瓦與甲烷傳感器顯示值進(jìn)行比對，沒有則用便攜式甲烷檢測儀與傳感器進(jìn)行對比，誤差過大時應(yīng)重新調(diào)校，最后將傳感器管理牌填寫完整。

4）調(diào)校完畢后，調(diào)校人員檢查傳感器所在采掘工作面所有非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備是否斷電正常，對管理被控開關(guān)的變電所及相關(guān)隊組跟班隊長、安全員進(jìn)行電話驗證是否斷電正常。跟班隊長、安全員、瓦檢員、自動化部調(diào)校人員4人共同驗收調(diào)校結(jié)果，并在甲烷傳感器調(diào)校單上簽字確認(rèn)，確保斷電可靠。

5 結(jié)論

郭莊煤礦通過實行嚴(yán)格的“四位一體”安全監(jiān)測系統(tǒng)管理措施，真正做到了裝備齊全、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、監(jiān)測可靠、處置迅速，切實發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用，而且日常多維護(hù)可以有效避免錯報、誤報情況，間接提高了采煤效率，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。