煤礦井下盲巷智能監控系統設計

王若楠,郭 剛,李 奕,謝曉東,楊鵬里

(山西大同大學 a.煤炭工程學院,b.教學實驗與實訓中心,山西 大同 037003)

隨著煤礦井下開采的發展,井下巷道眾多,由于礦井停電檢修、臨時停掘或其他原因造成盲巷[1]。盲巷是礦井中只有一個通道且未通風的巷道,對于井下產生的盲巷管理應立即切斷盲巷內的電源,設置柵欄、揭示標語、禁止人員進入。在盲巷內部存在大量瓦斯和有毒有害氣體,如果缺乏對盲巷的管理,極容易導致人員窒息、人員中毒和瓦斯爆炸等事故發生[2-3]。若盲巷內CH4或者CO2體積分數達到3%,或者其他有毒有害氣體含量超標不能立即處理的,需要在24 h內封閉。在盲巷中,為了避免發生安全事故,未密閉的盲巷需要有專門的瓦斯檢查員每天進行巡檢柵欄質量,以及巷道內的瓦斯、CO2含量等環境參數并記錄入冊。密閉的盲巷需要一周至少一次巡檢[4],極大的浪費了人力資源。

數字和高清設備的普及,促進了視頻監控領域的發展。近年來,由于監管不及時、礦工安全意識不強、礦工操作不規范等導致的煤礦安全事故時有發生。為了及時發現危險情況并進行預警,煤礦的遠程視頻監控系統顯得尤為重要[5-6]。在煤礦安全生產和管理中,已經開始積極運用視頻監控系統。如,井下變電所、運煤皮帶和巷道處,周邊電纜交錯、環境昏暗、安全事故時有發生。但現有的井下監控系統大多針對井下生產環節、重要設備處、重要工作區域,針對盲巷這種非工作區域監控較少,甚至沒有。

針對以上不足之處,系統設計時,要考慮到盲巷內的環境參數監控以及井下人員的違規入侵。建立煤礦井下盲巷智能監控系統,針對盲巷監控的不便利、不實時,研究預防對策,可為煤礦井下盲巷監控升級改造提供參考。

1 煤礦井下盲巷智能監控系統設計

通過使用SIMATIC S7-1200主要控制器,以及其編程軟件、力控組態軟件,設計開發一個集井下盲巷內環境參數監測,盲巷內人員流動監控,以及系統運行參數監視和故障預警的智能監控系統,使其達到遠程監控、無人巡檢的功能。智能監控系統能夠直觀地顯示盲巷內環境參數超標預警的動畫畫面,將井下盲巷內的環境參數采集,形成數據報表、實時曲線圖和歷史曲線圖[7-8],提供系統運行分析參考。同時系統還設計了環境參數超標報警和井下人員入侵警戒區域報警功能,系統聲光報警信號同時報警,提示監控室的管理人員。

2 井下盲巷智能監控系統硬件設計

2.1 網絡監控系統

如圖1所示,井下盲巷網絡監控系統由監控層、傳輸層、控制設備層構成。監控層由上位機監控電腦、大屏幕顯示器、打印機構成,可以實現管理人員對系統的監控;上位機安裝力控組態軟件,實現監控層的動畫運行、監視功能和遠程控制功能。傳輸層主要由系統傳輸網絡設備、協議轉換設備、傳輸線纜等組成,實現設備層采集數據的實時傳輸和對控制設備操作指令下發等[9]。控制設備層由SIMATIC S7-1200及模擬量輸入擴展模塊SM1231、數字量輸出信號模塊SM1222、總開關、溫度傳感器、CH4傳感器、CO傳感器、CO2傳感器、煙霧傳感器、O2傳感器、防爆攝像儀等組成,主要實現采集現場的實時數據并且完成操作指令,同時安裝攝像機,實現視頻監控功能。上位機通過交換機與環境監測PLC通過TCP/IP網線連接,并使用MODBUS通訊協議進行數據傳遞,PLC使用模擬量和開關量實現與現場終端的數據傳輸。

圖1 網絡監控系統示意圖Fig.1 Network monitoring system

2.2 環境參數監測系統

環境參數監測電氣系統由AC220V電源、AC220V空氣開關、DC24V開關電源、SIMATIC S7-1200、模擬量擴展模塊、數字量擴展模塊、溫度傳感器、CH4傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器、O2傳感器、總開關、環境參數報警指示燈等組成,如圖1所示。PLC有一個開關量輸入點,接總開關;有6個模擬量輸入接點,分別接氧氣傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器、CH4傳感器、CO傳感器、CO2傳感器;有7個輸出接點,分別接煙霧報警指示燈、溫度報警指示燈、CO報警指示燈、CO2報警指示燈、CH4報警指示燈、O2報警指示燈、區域入侵報警指示燈。

2.3 視頻監控系統

視頻監控系統由攝像機、交換機、網線、監控終端(上位機)、錄像機等組成。像機使用本安型攝像機,型號為KBA12S進行視頻監控。此型號攝像機將鏡頭、固體CCD器件和無線發射器集成在一起,使得攝像傳輸一體化;其結構緊湊體積小、重量輕、防爆、抗震、防潮,適合井下惡劣環境;成像清晰,能夠在昏暗的環境中提供清晰的監控畫面;同時完全兼容海康、華為等通用的視頻品臺,具有人員識別、電子圍欄等多個場景智能識別功能,有485、TCP/IP聯動報警輸出能力,為后續的井下員入侵行為分析提供了技術支持。視頻監控器將拍攝到的視頻信息通過網絡傳輸給交換機,通過網線送至上位機,在上位機的監控畫面中顯示視頻畫面。同時還可以將需要用到的視頻信號傳輸至錄像機進行保存。監控系統的屏幕,以盲巷中的人流為重點,通過錄像中人員與禁入區域之間的空間聯系來判定入侵條件,從而達到了入侵者的報警要求[10]。視頻監控系統可以與對應的視頻信號相連接,在管理人員進行設備操作或者報警時,該系統可以按照設備所在位置,自動調出預先設定的現場視頻信號,便于管理人員對設備的現場狀況進行觀測。與傳統監控系統相比較,此系統的優勢在于可以實現聯網功能,通過上位機可以實現共享實時監控畫面;同時基于TCP/IP網絡協議,拓展了監控的范圍;視頻信號傳輸方式采用無線傳輸方式,比傳統點對點模式增加了視頻信號的傳輸范圍和傳輸穩定性。

3 系統軟件設計

控制系統軟件主要使用力控組態軟件ForceControl 7.1和西門子S7-1200PLC編程軟件TIA Portal V15.1進行項目組態和編程[11]。

3.1 力控組態軟件設計

1)應用力控組態軟件,創建井下盲巷智能監控監測系統,繪制出盲巷智能監控監測系統控制動畫圖,如圖2所示。

圖2 井下盲巷監控系統監控主畫面Fig.2 Main screen of monitoring system of underground blind lanes

2)定義外部設備及數據連接。井下盲巷環境參數監控PLC設置如圖3所示。在工程項目中選擇I/O設備組態,添加I/O設備,選擇PLC-SIEMENS S7-1200(TCP),在彈出畫面中,設備名稱設置為HJJKPLC(環境監控PLC),更新周期設置為1 000 ms,超時時間設置為8 s,通訊方式選擇TCP/IP網絡,其余保持默認;下一頁中,設備的IP地址設置為192.168.01.02,端口設置為102。

3)端口通信參數設置。PLC與上位機通過網線連接后,打開TIA Portal V15.1編程軟件,找到PLC后,設置其IP地址與力控組態的IP地址保持一致。

圖3 外部設備及數據連接Fig.3 External equipment and data connection

4)定義數據庫點及數據連接。根據項目創建系統實時數據庫,將系統中的開關、環境參數傳感器、環境參數報警器等設備連鎖控制點加到數據庫中。在此基礎上,結合實際工程的控制情況,建立數據庫,數據庫點設置如圖4、圖5所示。將已經創建的點數進行保存,然后和力控組態中的控件進行連接,確保一一對應,完成數據傳輸。

3.2 PLC程序設計

3.2.1井下盲巷監控系統監控流程

本設計依據井下盲巷監控系統要求,設計如圖6所示的監控系統流程圖,并依據流程編寫PLC控制程序。

圖4 井下盲巷環境參數模擬量輸入輸出Fig.4 Analog input and output of environmental parameters of underground blind lanes

圖5 井下盲巷環境參數數字量輸入輸出Fig.5 Digital input and output of environmental parameters of underground blind lanes

3.2.2井下盲巷監控系統PLC程序解釋

根據圖6所示的盲巷井下智能監控系統流程圖監控步驟,編寫梯形圖控制程序,實現對井下盲巷的遠程監控。

將上位機監控畫面中的總開關撥向開的位置,系統進入自動運行狀態,實時監控盲巷內的環境參數,包括盲巷內的溫度、CO含量、CO2含量、O2含量、CH4含量、煙霧含量等參數。PLC將各個傳感器采集到的數據保存,并通過工業以太網經交換機上傳到上位機的監控中心,上位機監控畫面實時顯示各參數。當溫度超過30℃、O2體積分數低于20%、煙霧體積分數大于10%、CH4體積分數超過1.5%、CO體積分數超過0.0024%、CO2體積分數超過0.5%時,故障報警程序啟動,發出報警信號,上位機報警指示燈閃爍報警。

圖6 井下盲巷智能監控系統流程示意圖Fig.6 Flow chart of intelligent monitoring system for underground blind lanes

井下盲巷環境參數監控,井下盲巷設置溫度、CO含量、CO2含量、O2含量、CH4含量、煙霧含量等傳感器,將環境監測數據傳輸給PLC保存并上傳給監控室的上位機。通過組態畫面顯示各種數據的實時報表、實時曲線圖。當實測值達到報警條件,報警啟動,并通過聲音和視覺的方式向監控層管理人員提出警告。在發出報警后,在警報提示視窗中,按下“確認”按鈕,就可以將報警的聲音和報警指示燈關掉。

視頻監控系統,在海康工業視覺特征軟件中選擇設備管理,通訊協議選擇S7-1200,通訊IP地址與PLC地址設置一致。首先配置移動偵測,其功能是判斷某個區域內是否有移動的物體,當有移動的物體時,出發設備執行聯動動作;然后繪制區域,在監控畫面中的柵欄內1 m處至巷道口這一部分區域進行繪制。最后設置靈敏度:靈敏度設置越大,越容易出發報警;時間閾值表示目標進入警戒區域,設置在該區域停留的時間,超過該時間將產生報警,時間閾值設置越大,目標在偵測區域內持續運動的時間越長;檢驗目標用于指定檢測目標,設備將對指定的目標進行檢測。

該視頻監控系統在盲巷柵欄周邊設置一個矩形警示框檢測區域來監視所拍攝的圖像。由攝像機獲得的圖像信息,攝像機內部的微處理器根據移動對象識別的方法,對圖像進行處理。在監測到有人員進入警戒區域且停留時間超過15 s,微處理器就會向PLC發送區域入侵事件警告信息,通過聲光報警的方式,對入侵人員發出“您已進入警戒區域,請及時退出”的警告,并及時將現場監控畫面發送到監控平臺,用“聲音開”提示管理人員,讓他們對報警情況進行關注。如果盲巷內工作人員繼續在警戒區域內停留,微處理器觸發區域入侵事件并發送上位機組態監控畫面,在組態監控畫面上顯示報警信息,同時聲光報警,提醒管理人員盲巷禁入區域有人入侵。報警后在報警顯示窗口,形成報警記錄,點擊確認,即可關閉報警聲光信號。

4 系統運行數據分析

井下盲巷智能監控系統,在運行過程中采集到:溫度26.9℃,煙霧體積分數0.27%,O2體積分數21.63%,CO體積分數0.009 6%,CO2體積分數0.2%,CH4體積分數0.39%。CO體積分數超標報警啟動,智能監控系統功能均能實現。這些數據在組態軟件中進行處理可以形成數據報表如圖7所示,同時還可以累計數據形成歷史報警報表如圖8所示,需要時可以查詢、打印和保存數據,提供系統數據分析處理。系統設置了環境參數超限報警和人員入侵報警,在環境參數超限報警后界面顯示后有聲光報警,并有報警記錄生成。系統中記錄的各項環境參數數據都可以提高對井下盲巷的管理,以及為系統的后期優化升級提供參考。

圖8 歷史報警信息Fig.8 Historical alarm information

5 結論

本設計基于PLC和力控組態軟件,設計了井下盲巷環境參數監控系統和視頻監控系統,對井下盲巷智能化監控監測具有現實意義。

1)提高數據處理分析水平。可以對環境參數實時監測,替代人工巡檢,保證了巡檢數據的準確性和實時性。當數據發生異常時,對故障精準定位,系統管理人員可以及時針對隱患進行處理。為無人巡檢模式的升級改造提供參考。

2)安裝井下盲巷監控系統后,能對井下工作人員不規范行為進行監控,確保工人的人身安全,具有一定的應用價值。

3)具有擴展性。本設計只對井下一條盲巷進行了監控,若應用多個盲巷,可擴展監測點,采用485總線,應用MODBUS通訊協議,實現多條盲巷的監控,提高礦山信息化管理水平和自動化水平。