文麗松

（南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司， 江蘇南京 210033）

礦山井下壓氣自動監(jiān)控系統(tǒng)的應用

文麗松

（南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司， 江蘇南京 210033）

摘 要：壓縮空氣是礦山井下作業(yè)人員生存的依靠和健康的保證，同時也是許多設備的動力源泉，壓縮空氣消耗的能源很大，壓氣管線長而且分散，一直以來管理都非常困難。隨著網(wǎng)絡和自動化技術(shù)的發(fā)展，利用計算機、單片機及相關(guān)組態(tài)軟件，通過光纖通訊，設計一套壓氣自動監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)井下壓氣的管理，在保證壓氣要求的前提下，提高安全性能，節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞：地下礦山；壓縮空氣；網(wǎng)絡通訊；自動監(jiān)控

0 前 言

礦山井下通風系統(tǒng)一般是通過地表的空壓機站把新鮮壓縮空氣經(jīng)管道輸送到井下儲氣罐，再分別輸送到各作業(yè)點，同時利用風機將井下污濁空氣抽出來。一般來說都非常重視空壓機壓氣制造和風機抽風的節(jié)能，利用變頻器和自動控制技術(shù)取得了很好的效果，但對井下壓氣運用的管理和控制重視不夠，很少運用成套的壓氣自動控制系統(tǒng)來管理和控制壓氣，這樣就浪費了很多壓氣能源。如果簡單的通過管道閘閥人工來控制氣量，由于井下氣管延伸的非常遠而且分布廣泛，就需要較多的人力成本，同時壓氣的氣壓、流量無法顯示，不能及時準確控制壓氣量。這就需要一套壓氣遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)井下作業(yè)點情況、通風要求、設備開啟狀態(tài)來調(diào)節(jié)壓氣的氣量。

1 壓氣自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計

隨著各種檢測傳感器應用，單片機的開發(fā)，網(wǎng)絡通訊和計算機技術(shù)的發(fā)展，遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運用于工業(yè)項目中。本系統(tǒng)正是基于上述相關(guān)技術(shù)設計的，系統(tǒng)的組成主要是：位于監(jiān)控中心的主計算機，光纖收發(fā)器，光模塊交換機，光纖終端盒，各個中段分層的遠程控制箱，安裝在壓氣管道上的監(jiān)測、控制儀器，通訊光纖，其中遠程控制箱中安裝了：數(shù)據(jù)采集板、串口服務器、光纖收發(fā)器及相應的電路元器件，用來接收、處理、傳輸各種信號和指令。整個監(jiān)控系統(tǒng)由上位監(jiān)控管理層、中間通訊層、下位終端信號采集層3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1上位機監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件是通過Visual C++6.0平臺編寫的基于PC機數(shù)據(jù)處理終端的上位機軟件，主要包括5個功能模塊：參數(shù)設置模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，控制輸出模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，各模塊間通過已設定好的數(shù)據(jù)交換接口及多線傳輸方式實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)交換和存儲。監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能要求和目標是：與遠程終端控制器的網(wǎng)絡通訊、數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)的計算、轉(zhuǎn)換、處理；數(shù)據(jù)的存儲備份與打印輸出；系統(tǒng)管道參數(shù)實時顯示；實時數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線圖形顯示；遠程控制調(diào)節(jié)閥；設備故障報警和記錄。

1.2通訊系統(tǒng)

中間通訊層的作用是連接上位監(jiān)控管理層和下位終端信號采集層，它們之間采用串行通訊，通訊方式為主-從通訊，上位監(jiān)控機向下位機發(fā)送查詢指令，下位機確認收到查詢指令后，將采集到的信號傳送回去。下位機終端采集的信號通過RS-232接口、串口服務器、光纖收發(fā)器、光模塊交換機進行數(shù)據(jù)傳輸，串口服務器是為RS-232終端到TCP/IP之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通訊接口協(xié)議轉(zhuǎn)換器，由此輸出的信號接口為普通網(wǎng)口RJ45。由于井下傳輸線路很長，信號干擾大，用電信號傳輸不能滿足要求，而光纖通訊傳輸信息量大、傳輸距離遠、抗干擾性好，安全性高，并且光纖體積小、重量輕、敷設方便簡單，所以采用光信號傳輸，這就需要將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，選擇光纖收發(fā)器，利用光纖通訊傳輸信號，因為計算機接收的是電信號，所以在上位監(jiān)控機前需要將光信號再轉(zhuǎn)換為電信號。

1.3下位終端信號采集系統(tǒng)

下位終端信號采集系統(tǒng)是以STC12C5412AD單片機為控制核心，使用Keil uvision2軟件設計的，主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的A/D421芯片，8路10位精度ADC端，EEPROM功能的X25045芯片，RS-232接口轉(zhuǎn)換芯片MAX232，3路0-5V模擬量輸入電路，1路開關(guān)量輸入電路，1路4-20mA模擬量輸出電路，1路開關(guān)量輸出電路，其他相關(guān)的功能電路，以及信號采集終端安裝在壓氣管道上的監(jiān)測和控制設備。下位現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　下位現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

安裝在壓氣管道上的監(jiān)測和控制設備有：流量計、壓力傳感器、智能調(diào)節(jié)閥、開關(guān)蝶閥。流量計以4～20mA的流量值傳輸給單片機，壓力傳感器以0 ～5 V的壓力值傳輸給單片機，智能調(diào)節(jié)閥根據(jù)上位機的指令來調(diào)節(jié)閥門的開度大小，同時將閥門開度值反饋給系統(tǒng)，開關(guān)蝶閥根據(jù)上位機的指令來打開或者關(guān)閉閥門，不調(diào)節(jié)閥門大小，同時將閥門開關(guān)狀態(tài)反饋給系統(tǒng)。信號采集終端采集的都是模擬量信號，需要使用STC12C5412AD單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換功能將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，同樣上位機的指令也需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳給信號采集終端。

信號采集系統(tǒng)有多個信號采集終端，PC機與采集終端通訊時，必須根據(jù)唯一標識地址來識別節(jié)點，所以通過上位機設定主機的IP地址和每個信號采集終端串口服務器的IP地址，使他們處于同一個局域網(wǎng)內(nèi)，另外利用信號采集終端撥碼開關(guān)來設定每個信號采集終端的標識地址。

2 壓氣自動監(jiān)控系統(tǒng)的功能

（1）采集各分層管道壓氣的流量、氣壓、閘閥開度等參數(shù)，并在監(jiān)控系統(tǒng)畫面以實時數(shù)據(jù)和圖形顯示出來，這樣在監(jiān)控室就能知道每個地方的壓氣流量值、壓力值、管道開關(guān)狀態(tài)和閘閥開度值。

（2）遠程操控每個點的控制閥，根據(jù)生產(chǎn)任務、施工作業(yè)要求、用氣設備開停等情況，實時調(diào)節(jié)各通風點壓氣。

（3）安全監(jiān)控，對各點的現(xiàn)場設備和通訊情況進行監(jiān)控，當設備出現(xiàn)故障或者通訊斷開時，監(jiān)控系統(tǒng)會顯示相應的故障報警，維護人員可以根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的故障顯示及時維修。

（4）自動/手動控制，可以隨時手動修改每個控制閥的開關(guān)和開度，也可以通過設置每個控制閥狀態(tài)參數(shù)，自動調(diào)節(jié)在不同的時間實現(xiàn)不同的功能。

（5）自動超限報警，根據(jù)不同的供氣要求，設定每個點壓氣流量、壓力值的上下限，在實測數(shù)據(jù)值超過范圍時發(fā)出報警，以便及時調(diào)整。

（6）事件和數(shù)據(jù)的記錄、查詢和打印，計算機根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設計自動存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和事件，通過監(jiān)控系統(tǒng)可以查詢各個參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)和設備的運行情況，同時可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫的查詢自動生成各種報表。

3 結(jié) 論

隨著社會的發(fā)展，安全和能源越來越受到關(guān)注，國家對礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)、能源消耗、規(guī)范管理要求越來越嚴格，數(shù)字礦山是現(xiàn)代礦山的一種發(fā)展方向，要真正建設一個數(shù)字礦山，首先礦山的工藝系統(tǒng)和設備就得實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化。這套礦山井下壓氣自動監(jiān)控系統(tǒng)，采用了先進的網(wǎng)絡技術(shù)和自動化控制技術(shù)，配以質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、機構(gòu)簡單的硬件設備，實現(xiàn)了對壓氣自動化管理。系統(tǒng)在南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司井下安裝應用后取得了良好的效益：工作人員在調(diào)度監(jiān)控室就能夠?qū)崟r的了解各點壓氣和設備情況，根據(jù)需要遠程操控每個點的控制閥，實時調(diào)節(jié)各通風點壓氣；設備有故障也能立即發(fā)現(xiàn)，及時安排人員維修；提高了礦山壓氣控制管理水平和安全性能；減少了壓氣浪費，降低了電能損耗，全年空壓機站壓氣用電比往年大概能節(jié)約24萬kW·h；減少了壓氣管道工作人員，以前每班都要1個人去巡查和調(diào)節(jié)管道，現(xiàn)在只要管理人員或者調(diào)度員兼職管理監(jiān)控系統(tǒng)，可以減少4個工人，節(jié)約了人力成本；系統(tǒng)運行穩(wěn)定，硬件安全可靠，故障率低，維修成本小。

參考文獻：

［1]楊國興.Visual C++6.0實例教程［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［2]袁國良.光纖通信原理［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3]張毅剛.單片機原理及接口技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［4]李朝青.單片機與PC機網(wǎng)絡通訊技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［5]劉永紅.地下采礦壓風系統(tǒng)智能控制技術(shù)運用［A］.第四屆中國礦山數(shù)字和智能技術(shù)裝備大會論文集［C］.中國有色金屬學會采礦學術(shù)委員會，2011：117-121.

收稿日期：（2016-04-18）

作者簡介：文麗松（1980-），男，江西吉安人，電氣工程師，主要從事礦山機電設備的管理，Email：wls198093@163.com。