煤矿智能安全监控系统的

【摘 要】为了解决目前煤矿安全监控系统存在的异地断电时间长、数据利用率低、数据传输效率低等问题,文章提出了煤矿智能安全监控系统研究的新思路,实现煤矿安全监控系统中传感器、分站的自识别、即插即用,解决了目前煤矿安全监控系统存在的上述问题,提高了传输效率,提高了数据利用率.

【关 键 词】监控系统；传感器；分站；自动识别

1.引言

随着数字化矿山的建设,煤炭生产企业对安全监控系统的要求也越来越高,同时目前矿用监控系统存在着诸多问题[1],主要有：

（1）异地断电时间长

安全监控系统最基本的也是最重要的两个功能就是监测与控制.目前,国内监控系统的主要厂家的系统架构大都采用主从式结构,地面计算机作为主控机,通过传输接口设备依次向井下的监控分站发送巡检命令,井下监控分站收到地面主机巡检命令后,将分站所采集到的数据通过数据传输接口设备传给地面主控机,从而实现了井下环境的监测.对井下设备异地断电控制经历的环节较繁琐,具体过程为,井下监控分站采集到某传感器数据超限后,在地面主机巡检该分站时,将传感器的超限数据上传到地面主机,地面主机再将传感器的超限断电信息发给另外目的分站,另外目的分站收到断电信息后实施断电.

由于采用主从结构、井下分站级设备与地面主机通讯采用的是低速串行接口,采用上述的方式实现环境监测以及断电控制,系统不可回避的一个指标就是巡检周期,因为巡检周期的长短决定着环境数据采集实时性的好坏,同时也决定着系统异地断电控制时间的长短.

（2）系统数据传输效率低

为了能够更好的监测煤矿井下现场的环境,监控系统的传感器会对井下的环境参数进行实时采集,分站将传感器的所有实时数据,传送至地面主机.在一台分站上挂接的传感器较多时,所有传感器的实时数据在未做相关的处理,原封不动的上传实时数据量相对较大.但是通过分析某一段时间内所有的监测数据后,发现所有的数据表达的井下环境为：某一地点瓦斯3个小时内的浓度均为0%CH4、某一地点一氧化碳24小时内的浓度均为0ppm、某一地点30天以来氧气浓度均为19.7%.分站上传到地面的数据中几乎大于80%的数据都是这种重复的无效数据,系统的数据总线上传输的实时数据中只有20%的有效内容,过多的无效数据使得系统数据传输的效率极低、系统的实时性受到影响.

（3）系统数据利用率低

目前多数监测监控系统[2]的软件,功能大都停留在对被监测环境参数的实时采集、存储、超限报警及断电、图形和报表形式输出的水平,实现了对数据的最基本处理,没有对系统数据的充分利用,没有开发专家诊断、专家决策系统软件.在事故情况下,通过系统数据不能指示出最佳救灾和避灾路线,不能为为抢救和疏散人员、设备提供决策.

为了解决监控系统存在的问题,更好的提高监控系统的运行效率,促进煤矿系统智能矿山和数字化矿山[3]的建设,我们研究新的智能监控系统,新监控系统提高了系统数据的利用率、提高了传输效率,更具备自识别功能,使监控系统更具有自动化和智能化.

2.智能监控系统主要功能特点

（1）高效的实时上传功能

分站对所接测点的传感器实时采集,为了提高传输效率[4],新监控系统采用事件方式上传,对所上传事件进行阈值设定,当超过阈值范围定义为事件发生.当事件发生时,数据方能上传.例如：设定某一地点瓦斯浓度变化超过0.02%、超过报警点、超过断电点为事件阈值,当事件发生时,数据上传,当事件不发生时,数据不上传.由经验数据可得,分站采集的数据中几乎大于80%的数据都是重复的达不到阈值的数据,真正有变化超过阈值的数据仅占20%,过多的无效数据使得系统数据传输的效率极低、系统的实时性受到影响,采用事件上传方式,提高了数据上传效率,缩短了系统的巡检周期.

（2）故障诊断功能

新监控系统增加了故障自诊断功能.分站具备故障存储功能,分站的工作状态、复位状态、端口状态等能够表示出分站故障的信息都存储到寄存器中,如分站发生故障,上位机可通过读分站寄存器来读取分站的故障信息.

分站所接测点传感器也具备故障信息存储功能.上位机通过读子设备寄存器命令,读取子设备的故障信息.如：瓦斯传感器在发生催化元件脱落、撞击、进水等故障的时候,其表现在探头短路、断路,内部比例系数不正常,采集数字量超出正常范围水平等,出现这种情况,传感器会将故障信息存入到传感器的寄存器中,上位机可通过读子设备寄存器,读取子设备的故障信息.

（3）异地控制功能

新监控系统的异地断电控制不再单单依靠上位机和巡检周期,当异地断电事件发生时,分站即可将该事件通过特殊命令帧转发到总线上,异地断电的受控分站接收到该特殊命令帧,即可执行异地断电命令.新监控系统可实现异地断电能够即时完成,优于目前市场上监控系统的异地断电时间要求不大于两个巡检周期.

（4）即插即用功能

1）传感器的即插即用

上位机无需对频率型传感器和总线型传感器设置测点类型,可根据接入的传感器自动判断识别传感器的类型.井下安装人员将传感器接入到分站的端口上,分站根据传感器发来的信息自动识别传感器的类型,并根据类型自动生成其量程范围、频率范围、报警点、断电点等配置信息,分站将识别的类型信息通过总线的形式发送给上位机,上位机接收到信息后,会在监控软件界面上弹出新传感器接入的对话框,对话框的内容包括测点的类型信息、接入到分站的信息.监控人员确认接入后,上位机会根据接入传感器的类型,自动将传感器分配到该分站的该端口下.

2）分站的即插即用

分站接入监控系统后,上位机会弹出新分站接入的对话框,对话框的内容包括分站类别信息、地址信息.监控人员确认接入后,上位机会显示分站及分站所带测点的信息.3.系能监控系统各部分功能模块详细设计

（1）矿用传感器的设计

智能安全监控系统的传感器具备即插即用和自识别功能.频率型传感器或总线式传感器接入分站或上位机系统,传感器即发送自己的特征ID信号,分站或上位机接收到特征ID信号,即可识别出接入的传感器类型,从而读取传感器的属性、参数,不需人为参与即可实现传感器的自动识别和自动配置功能.传感器软件设计流程如图1所示.

（2）矿用分站的设计

智能安全监控系统分站[5][6]可对接入的数字型传感器和总线型传感器进行自动识别,既可接收上位机对分站及测点的配置信息,也可自己实现测点信息的识别和配置.分站接收传感器的信息,按照传感器的固有配置,根据其设定的阈值,按照事件发生的方式将信息上传至上位机系统.

分站即可作为从机接收上位机的巡检令,也可作为主机,当事件发生时,抢占总线将数据通过事件发生的方式上传给上位机.分站遵循“不变不传”的原则,当分站或分站所接子设备没有事件发生时,分站接收上位机的巡检令,只回送“心跳”命令,同时也不会主动上传数据给上位机系统.智能监控系统监控分站软件设计流程如图2所示.

（3）矿用电源设计

智能监控系统的矿用电源具备多路电源输出,按照现场设备的用电要求,设计电源不同等级的电压输出,优化电源的利用效率.本安输出的接口方式灵活,可使用多芯航空插头与分站或其他用电设备连接,也可以选择通用型插头,方便与各厂家本安设备的连接；电源具备继电器输出,实现馈电开关的断电控制,同时具有馈电状态检测功能.电源具备UART总线通讯接口,按照事件阈值发生的方式,支持信息的总线上传,方便远程监测及控制.图3所示为智能监控系统电源设计框图.

（4）上位机软件的设计

上位机软件通过巡检令巡检系统中的总线型子设备,当子设备有事件发生,例如：新接入子设备或子设备采集的数值大于定义的阈值,检测监控系统会接收到子设备的信息,并自动配置子设备的固有属性.图4所示为智能监控系统上位机软件设计流程.

4.总结与展望

对目前国内煤矿安全监控系统的现状与问题,本文提出了一种智能监控系统研究的新思路,并设计研究出一套智能煤矿安全监控系统和配套分站、传感器、电源,该系统的应用,能够改善目前煤矿安全监控系统的诸多问题,极大的提高煤矿安全监控系统的生产效率,为数字化矿山和智能化矿山的建设起到积极的促进作用.