基于太陽能礦區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楊宏亮

（黑龍江穆陵卷煙廠，黑龍江哈爾濱150001）

煤炭礦井?dāng)?shù)量分布比較廣，最大范圍達(dá)幾十平方公里，分布比較零散，目前安全監(jiān)控主要是采用人工檢測礦井下設(shè)備運(yùn)行狀況方式。由工人每日定時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀況同時(shí)記錄礦井中的重要數(shù)據(jù)。這種方式必然增加人員的勞動強(qiáng)度，也影響設(shè)備監(jiān)控和礦井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性[1]。并且當(dāng)?shù)V井設(shè)備、電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)一般都不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而得不到有效監(jiān)控，防患和控制。

基于太陽能礦區(qū)測控系統(tǒng)是根據(jù)目前礦區(qū)的自然環(huán)境和礦區(qū)野外生產(chǎn)與管理的特殊需要而開發(fā)和研制的礦區(qū)設(shè)備多功能監(jiān)控系統(tǒng)。礦區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用比較先進(jìn)的微電子技術(shù)與礦區(qū)專用成熟的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)診斷技術(shù)、自動化控制技術(shù)和太陽能電源應(yīng)用相結(jié)合，對礦井下瓦斯氣體及其設(shè)備工況進(jìn)行分析、判斷更準(zhǔn)確、自動化控制更可靠。采用太陽能電源和數(shù)據(jù)收、發(fā)用單片機(jī)控制方式更具有技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用可靠、使用方便、抗環(huán)境損壞的特點(diǎn)[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于太陽能礦區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)通過檢測示功圖、電流、電壓、瓦斯氣體、礦井?dāng)z像和巡檢記錄的數(shù)據(jù)，顯示出分析的結(jié)果，自動控制礦井設(shè)備安全運(yùn)行。監(jiān)控信息及有關(guān)數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，以便管理人員可及時(shí)了解現(xiàn)場工況。礦井監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 礦區(qū)監(jiān)控電源系統(tǒng)

礦區(qū)中監(jiān)控系統(tǒng)的電源部分由太陽能電池板和免維護(hù)電池、以及BOOST和BUCK電路組成，通過變壓及穩(wěn)壓處理電路給監(jiān)控系統(tǒng)供電，考慮到野外的天氣不確定因素，免維護(hù)電池的容量可滿足在無光照情況可持續(xù)供電7天。采用太陽能供電不僅節(jié)能環(huán)保又可保證系統(tǒng)在無干擾情況下穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 現(xiàn)場控制系統(tǒng)

接收數(shù)據(jù)由信號采集器經(jīng)無線傳輸模塊上傳的示功圖數(shù)據(jù)，并與隨機(jī)存儲器中的數(shù)據(jù)比對，以判斷當(dāng)前礦區(qū)設(shè)備的工作狀態(tài)；現(xiàn)場信號如三相電流、電壓等通過傳感器、變壓器變成標(biāo)準(zhǔn)信號由A/D轉(zhuǎn)換器完成信號采集；各種報(bào)警信息如掉電、防盜等信號經(jīng)過信號處理送入現(xiàn)場控制儀的中央處理器，現(xiàn)場控制儀對各種信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理完成電機(jī)保護(hù)、通訊識別、報(bào)警處理，對影響礦區(qū)設(shè)備正常工作的各種因素進(jìn)行定量分析、比較、自動控制，使其工作在最佳狀態(tài)。接收中心站通過GPRS傳來的遙控指令完成遙測、遙控等功能，同時(shí)它也接收鍵盤輸入等信號并完成現(xiàn)場顯示等要求[3]。

1.3 信號采集器

通過在氣體傳感器上加裝載荷位移傳感器檢測瓦斯氣體每一瞬間時(shí)載荷和位移的變化量，經(jīng)微處理器進(jìn)行數(shù)學(xué)模型處理后得到形狀簡單而又真實(shí)并準(zhǔn)確反映礦區(qū)設(shè)備工作狀態(tài)的示功圖數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線模塊傳回至現(xiàn)場控制儀[4]。

1.4 中心站

通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收各測站傳送的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)了解礦井動態(tài)參數(shù)，故障原因及其他設(shè)備參數(shù)，完成對礦井的集中管理功能?？梢暬瘓D形界面美觀、友好，并通過Internet實(shí)現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程瀏覽管理、在線分析等功能，對數(shù)字礦井的建設(shè)提供最基本的支持。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart

2 示功圖原理

平時(shí)礦井設(shè)備正常工作狀態(tài)下，反映在瓦斯氣體載荷的變化量很大[5]。假設(shè)把礦井下氣體視為一根反映泵在井下工作狀態(tài)的導(dǎo)線，礦井下瓦斯氣體的載荷位移以應(yīng)力波的形式由傳感器傳輸?shù)降孛?，通過在氣體傳感器上加裝載荷位移傳感器檢測光桿上每一瞬間時(shí)載荷和位移的變化量，經(jīng)微處理器進(jìn)行數(shù)學(xué)模型處理后得到形狀簡單而又真實(shí)并準(zhǔn)確反映礦井下氣體狀態(tài)的示功圖，對影響礦井下瓦斯氣體的各種因素進(jìn)行定量分析、比較、自動控制，使礦井下設(shè)備工作在最佳狀態(tài)。因此采用示功圖分析礦井下瓦斯氣體狀態(tài)，一直是地質(zhì)工作者應(yīng)用的方法。為了便于分析，常在理論示功圖的基礎(chǔ)上分析實(shí)測示功圖，理論示功圖（如圖2）為平行四邊形。

圖2 理論示功圖Fig.2 Theoretical indicator diagram

圖2中A、B線為上軸瓦斯氣體傳感器的靜載荷變化的理論示功圖加載線，A-B-C為上軸瓦斯氣體傳感器的載荷變化線。C、D為下軸瓦斯氣體的靜載荷變化的理論示功圖卸載線，C-D-A為下軸瓦斯氣體的載荷變化線。

實(shí)際工作中，影響礦井下氣體的因素很多，反映礦井下氣體狀態(tài)的圖形變化很大，如圖3為實(shí)測正常的示功圖。

圖3 實(shí)測正常的示功圖Fig.3 Indicator diagram of normal measurement

圖3中兩條線是分析示功圖用的最大理論負(fù)載線和最小理論負(fù)載線。由于礦井下瓦斯氣體狀態(tài)十分復(fù)雜，圖形變化各異，如礦井下瓦斯氣體高濃度狀態(tài)圖，如圖4所示，其中F’、D’為礦井下瓦斯氣體狀態(tài)量。

圖4 礦井下瓦斯氣體高濃度狀態(tài)圖Fig.4 Diagram of gas of high concentration in the mine

圖5虛線交叉點(diǎn)為礦井下瓦斯氣體傳感器控制點(diǎn)，控制點(diǎn)應(yīng)根據(jù)礦井下瓦斯氣體狀態(tài)而設(shè)定。圖中瓦斯氣體傳感器荷點(diǎn)為65%，瓦斯氣體傳感器位移點(diǎn)為50%。

圖5 礦井下傳感器實(shí)際控制點(diǎn)Fig.5 Actual control point of the sensor in the mine

礦井下瓦斯氣體傳感器控制點(diǎn)的設(shè)定是能夠有效的監(jiān)測到礦井下瓦斯氣體采集的信號量變化，根據(jù)圖5中F’、D’不間斷變化的規(guī)律。在礦井下瓦斯氣體的采集點(diǎn)按百分點(diǎn)在0～100內(nèi)任意設(shè)置。如圖5載荷控制點(diǎn)為65%，位移控制點(diǎn)在50%，方法如下：

PK=（PC-PL）/[（PH-PL）/100]

式中：PK-氣體控制點(diǎn) PC-氣體位置采樣值

PH-采樣的最高值 PL-采樣的最低值

當(dāng)示功圖出現(xiàn)異常變化時(shí)，智能監(jiān)控器通過圖形數(shù)據(jù)比較，產(chǎn)生聲和光報(bào)警，在規(guī)定的時(shí)間后控制礦井下設(shè)備停止作業(yè)。

3 軟件設(shè)計(jì)原理

開機(jī)自檢結(jié)束后，進(jìn)行按序接收各類信息，檢測數(shù)據(jù)，開始分析，比較并識別正常與異常的圖形和數(shù)據(jù)。礦井下設(shè)備狀態(tài)給出示功圖，電量功率參量，系統(tǒng)效率。

當(dāng)?shù)V井出現(xiàn)異常狀態(tài)相應(yīng)的圖形和數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)控制指令，執(zhí)行電路斷開礦井下設(shè)備電機(jī)電源、避免事故的發(fā)生，并發(fā)出聲光報(bào)警顯示故障狀態(tài)。

當(dāng)故障消除后，指令控制執(zhí)行電路首先進(jìn)行啟機(jī)前的聲光報(bào)警，3min后接通礦井下設(shè)備電源啟機(jī)運(yùn)行。在電機(jī)啟動運(yùn)行前，電路兩次悠車試啟機(jī)動作，時(shí)間根據(jù)傳感器周期的時(shí)間選擇。以悠車后平衡塊停在啟機(jī)最容易的位置上啟機(jī)，確保設(shè)備運(yùn)行安全。

監(jiān)控器自動記錄當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間，重啟機(jī)時(shí)間，巡檢時(shí)間，監(jiān)測時(shí)間和相關(guān)的圖形、報(bào)警數(shù)據(jù)等各個(gè)參數(shù)，并存儲三天以上的相關(guān)數(shù)據(jù)和工況信息?？砂存I查詢，逐項(xiàng)顯示為礦井工作人員提供管理信息。

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收礦井經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)和圖形，自動形成生產(chǎn)報(bào)表，按要求存儲，以備查詢。軟件工作原理流程圖如圖6所示。

圖6 軟件原理流程圖Fig.6 Software principle flowchart

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對礦井下目前所有的傳感器參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集，并具有隔離和抗干擾能力；通信能夠全兼容有線、無線、微波、光纜等通信系統(tǒng)和高速、低速等通信方式，使數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木C合能力變得十分強(qiáng)大，完全適用于礦井下的復(fù)雜數(shù)據(jù)系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可減少人力、物力投入，節(jié)省大量電能，降低維護(hù)消耗，是提高礦井安全生產(chǎn)管理措施和生產(chǎn)效益的國內(nèi)最先進(jìn)的創(chuàng)新節(jié)能產(chǎn)品。

［1］李新東.礦山安全系統(tǒng)工程［M］.煤炭工業(yè)出版社，2005，27(3)：71～75.

［2］李葉，沈斐敏，等.礦井安全評估管理系統(tǒng)鑒定材料［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（5）：45～49.

［3］E.GELENBE&G.PUJOLLE.Introduction to Queueing Networks.John Wiley&Sons Ltd ［J］.Systems Engineering Theor and Practice,2007,53(3)：417～423.

［4］RAIF O.ONVURA.Asynchronous Transfer Mode Networks：Performancelssues.ARTECH HOUSE［J］.IEEETrans on Reliability,2008，(3)：84～87.

［5］MARTIN DE PRYCKE.Asynchronous Transfer Mode Solution for Broadband ISDN(Second Edition).Ellis Horwood［J］.IEEE Trans on Power Systems,2008，(4)：1927～1933.