煤礦機(jī)電硐室溫度監(jiān)測與預(yù)警功能實(shí)現(xiàn)

趙雙斌

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

1 概 況

煤礦機(jī)電硐室主要用于對井下機(jī)電設(shè)備、變壓器以及開關(guān)等設(shè)備的存放。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于機(jī)電硐室內(nèi)機(jī)電設(shè)備數(shù)量多、功率大等特點(diǎn)，會發(fā)生熱量的聚集，導(dǎo)致硐室內(nèi)溫度升高，當(dāng)硐室內(nèi)溫度過高時就會影響機(jī)電設(shè)備。目前，開元煤礦為井下所配置的監(jiān)測系統(tǒng)并未對硐室內(nèi)風(fēng)流溫度以及所存放機(jī)電設(shè)備溫度進(jìn)行監(jiān)測，存在監(jiān)測盲點(diǎn)。針對這一情況，結(jié)合開元煤礦機(jī)電硐室的溫度監(jiān)測和預(yù)警需求，設(shè)計(jì)一款溫度監(jiān)測預(yù)警裝置，可直觀掌握機(jī)電硐室溫度。

2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)開元煤礦機(jī)電硐室溫度監(jiān)測和預(yù)警的需求，溫度監(jiān)測預(yù)警裝置需要具備數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸功能，需要設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時查詢、顯示。數(shù)據(jù)采集是裝置的核心，主要實(shí)現(xiàn)對機(jī)電硐室溫度相關(guān)數(shù)據(jù)采集，由于煤礦井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，因此溫度數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)測非常重要；數(shù)據(jù)處理與傳輸主要是根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場工況對機(jī)電硐室的溫度進(jìn)行預(yù)測，并將采集數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果傳輸至人機(jī)交互界面。

結(jié)合機(jī)電硐室溫度監(jiān)測預(yù)警裝置的總體設(shè)計(jì)思路，對應(yīng)選取溫度監(jiān)測預(yù)警裝置的硬件，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機(jī)電硐室溫度監(jiān)測預(yù)警裝置硬件模塊總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of hardware module of temperature monitoring and early warning device for electromechanical chamber

2.1 中央處理單元的選型

采用ARM微處理器對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該處理器基于ARM920T 架構(gòu)設(shè)計(jì)，所采用CMOS 工藝具有較高的執(zhí)行效率，可對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理。

考慮到開元煤礦井下易燃、易爆的特性，本系統(tǒng)應(yīng)采用直流防爆電源為中央處理單元供電。由于機(jī)電硐室運(yùn)行的機(jī)電設(shè)備數(shù)量較多，運(yùn)行過程中會發(fā)出多個頻段的電磁信號，因此所選電源模塊應(yīng)具備一定的抗電磁干擾能力。綜上所述， 選用KDW660/12B 型礦用隔爆直流電源，如圖2 所示。

圖2 礦用隔離防爆直流電源Fig.2 Mine isolated explosion-proof DC power supply

2.2 測溫模塊的選型設(shè)計(jì)

為了避免溫度傳感器所采集的數(shù)據(jù)在A/D 轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生誤差，系統(tǒng)采用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，該傳感器直接輸出數(shù)字信號，簡化了數(shù)據(jù)傳輸電路，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。DS18B20 數(shù)字溫度傳感器參數(shù)如下：

開元煤礦機(jī)電硐室不僅需要對機(jī)電硐室內(nèi)的風(fēng)流溫度進(jìn)行監(jiān)測，也需要對硐室內(nèi)變壓器、開關(guān)柜以及開關(guān)觸點(diǎn)等設(shè)備的溫度進(jìn)行監(jiān)測。因此，在機(jī)電硐室進(jìn)口、出口處各安裝1 個溫度傳感器外，在各個設(shè)備處安裝1 個溫度傳感器。系統(tǒng)采用多點(diǎn)測溫技術(shù)，考慮不同連接方式下的測溫時間、接口配置等情況，將現(xiàn)場多個溫度傳感器采用并行與單總線混合連接方式。

2.3 報(bào)警模塊的選型設(shè)計(jì)

當(dāng)煤礦機(jī)電硐室內(nèi)或相關(guān)設(shè)備處的溫度超出限值時，要求溫度監(jiān)測預(yù)警裝置可控制報(bào)警。結(jié)合煤礦機(jī)電硐室的報(bào)警精度要求，考慮煤礦井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，選擇穩(wěn)定性較高的TDF-4010 型報(bào)警器。

3 溫度監(jiān)測預(yù)警裝置溫度預(yù)測算法設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1 溫度監(jiān)測預(yù)警算法設(shè)計(jì)

開元煤礦機(jī)電硐室溫度監(jiān)測預(yù)警裝置除了對溫度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測外，還需對溫度進(jìn)行預(yù)測，從而可對現(xiàn)場的故障進(jìn)行提前排除。因此，設(shè)計(jì)一套高精度的溫度預(yù)測算法。

系統(tǒng)采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與最小二乘多項(xiàng)擬合函數(shù)相融合實(shí)現(xiàn)對溫度的預(yù)測?；贐P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可通過設(shè)備的功率、通風(fēng)量、電壓、電流等參數(shù)對溫度進(jìn)行預(yù)測，也可通過機(jī)電硐室的歷史溫度為參考對溫度進(jìn)行預(yù)測。結(jié)合前人學(xué)者的研究成果，以機(jī)電硐室的歷史溫度作為溫度預(yù)測的基礎(chǔ)，不僅數(shù)據(jù)樣本容易獲取，而且預(yù)測效果也較好。

根據(jù)機(jī)電硐室歷史數(shù)據(jù)資料，采用MATLAB軟件進(jìn)行溫度預(yù)測算法擬合，對應(yīng)的溫度監(jiān)測預(yù)警流程如圖3 所示。

圖3 溫度監(jiān)測預(yù)警流程Fig.3 Temperature monitoring and early warning process

3.2 溫度監(jiān)測精確性分析

將所設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測預(yù)警裝置應(yīng)用在6 個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中，對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行60 次溫度測量，對每個節(jié)點(diǎn)測量溫度的誤差進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 溫度監(jiān)測預(yù)警裝置溫度監(jiān)測精度測試Table 1 Temperature monitoring accuracy test of temperature monitoring and warning device

所選型的DS18B20 溫度傳感器的測量精度為±0.5 ℃，測量誤差小于0.5 ℃均滿足要求。對6個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)溫度誤差均小于0.5 ℃，說明該監(jiān)測預(yù)警裝置的溫度測量準(zhǔn)確達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.3 溫度監(jiān)測預(yù)警裝置預(yù)測精確性

對設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測預(yù)警裝置的預(yù)測精確度進(jìn)行測試，同樣對6 個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的溫度預(yù)測精度進(jìn)行測試。首先，對節(jié)點(diǎn)的預(yù)警溫度進(jìn)行預(yù)測，而后通過裝置實(shí)際測量的溫度與預(yù)測值進(jìn)行對比，得出誤差。測試結(jié)果見表2。

表2 溫度監(jiān)測預(yù)警裝置溫度預(yù)測精度Table 2 Temperature prediction accuracy of temperature monitoring and warning device

續(xù)表

基于溫度監(jiān)測預(yù)警裝置對硐室溫度預(yù)測平均誤差均低于0.5 ℃，該裝置的預(yù)測溫度性能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

煤礦機(jī)電硐室為存放井下機(jī)電設(shè)備的場所，在實(shí)際生產(chǎn)中大量的機(jī)電設(shè)備會產(chǎn)生較大的熱量，當(dāng)溫度超限時會影響機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)斐筛訃?yán)重的后果。因此，對煤礦機(jī)電硐室風(fēng)流溫度和機(jī)電設(shè)備運(yùn)行溫度的監(jiān)測非常重要。本文基于ARM微處理器和DS18B20 數(shù)字溫度傳感器等硬件模塊和基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度預(yù)測算法設(shè)計(jì)了開元煤礦溫度監(jiān)測預(yù)警裝置，實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測預(yù)警裝置在溫度測量和預(yù)測的精度均可控制在0.5 ℃以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，可在實(shí)踐生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。