煤矿安全监控系统技术

摘 要:安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用,但是,当前的安全监控系统存在很多问题,系统急待更新换代,把新型的技术应用到安全监控系统,提升系统的准确性和有效性,提高预警功能,是目前的主要课题之一.

关 键 词:煤矿井下安全；监控系统；技术；探讨

1安全监控系统

煤矿安全监控系统分井下和地面两部分.井下主要设备是矿用分站,是井下信息收集处理的基本单元,配接甲烷传感器、风速传感器、温度传感器、一氧化碳传感器、负压传感器、机电设备开停传感器、风门开闭传感器、馈电传感器,完成采区数据采集,实现对生产场所的安全监测与控制.地面主要设备是信息采集处理中心:由传输接口、监测管理软件、监控主机、备用机、打印机、监视器以及信号避雷器等组成,主要把井下上传的监测控制信息及时传输到煤矿各个生产部门,对井下环境进行综合分析和科学判断,确保煤矿生产的安全.

2安全监控系统存在问题

当前一些煤矿使用的安全监控系统都是有线传感器和串行通讯方式,方便及可靠性不高,同时,井下众多的电子设备相互之间产生严重的电磁干扰,使安全监控系统的性能受到严重的影响.主要表现在以下几个方面:

2.1传感器

井下瓦斯主要是在开采过程中溢出的,工作面瓦斯含量最大,但是,由于工作面布线、安装等诸多不便,基本没有设置瓦斯监测装置,只是在回风巷安装固定式瓦斯探头,所以,现有井下固定位置的传感器,检测效果存在很大的局限性.安装在固定关键位置传感器不具备完善的自诊断功能,调校周期短,出现传感器核心催化元件失效,传输故障等问题,在井下工作环境中,往往容易被人忽视,这就严重影响了监控数据的准确性和安全监控的有效性.

2.2总线方式

各煤矿使用的安全监测监控系统多为封闭系统,互不兼容,使用的通信协议和信息交换标准都由厂家自己制定,缺乏统一的标准.目前,煤矿监控系统信息传输广泛应用的是串行通信总线,主要有RS-232、RS-485或其FSK调制解调方式等.这种通讯方式存在许多缺点和不足,主要表现在:

(1)现有系统均为主从式传输,不能满足监控分站之间相互通信的要求,其可靠性受地面主站设备及主干电缆影响很大.

(2)数据通信方式为命令响应式,数据传输效率低.

(3)当通讯链路出现异常时,数据不能立即上传,系统灵活性差,实时性不够高.

2.3变频干扰

变频器的干扰能直接造成系统的硬件损坏,或使微处理器的系统程序运行失控,导致控制失灵.变频器干扰主要有两种情况:

(1)变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件,其产生的谐波对其它设备产生传导干扰,引起信号波形畸变,影响采集传输的质量,变频器引起的电压畸变率在10%—40%左右.

(2)变频器的输出部分一般采用的是IGBT等开关器件,在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰,影响周边电器的正常工作.

3技术改进途径

目前系统存在诸多问题,所以系统的技术改进和升级势在必行,只有从技术上改进系统的性能,才能使安全监控系统的性能有效发挥,以下主要从三个方面讨论:

3.1便携传感器

利用ZigBee技术研制的便携式传感器,将工作面的采集数据传输到工作面端头的监控系统中,从而实现隐患源头的实时监测.便携式传感器采用定时输出、无线电发送方式,有两种供电模式,当装置放置在采煤机上时由采煤机电源转换后的直流电源供电,当由矿井工作人员便携时,则由矿灯电源供电.传感器将数据从采掘点传输到矿井回风巷的端头,在回风巷端头设有监控分站.监控分站的嵌入式电路外接2.4GHz的传输模块,实现无线信号的搜集与处理.当发出超限控制信号,控制声光报警器发出报警信号,也控制工作面的供电系统,实施断电.

3.2CAN总线

CAN总线相比于串行通信系统,具有较好的差错控制能力、高速率长距离的传输、完善的规范和协议等优点,是由DSP内嵌控制器,外部扩展具有高速光电隔离和总线驱动的收发器CTM1040组成,结构简单,功能可靠,较好地满足煤矿监控系统的要求.优点主要表现在以下几个方面:

(1)采用多组工作方式,网络上任意节点均可主动向其他节点发送信息,且可按系统实时性分成不同的优先级,如果发生总线冲突可减少总线仲裁时间.

(2)采用短帧结构并有硬件CRC校验,受干扰概率低,总线占用时间短,当发送信息错误时,可自动重发,节点在错误严重时具有自动退出总线的功能,不影响总线的通讯.

(3)单条总线可接110个节点,并可通过CAN//RS232(485)网桥方便地扩充节点数.

(4)传输介质用双绞线、同轴电缆或光纤,通信速率最高达1Mbit/s和5kbit/s.

基于CAN总线的煤矿安全监控系统,能有效对矿井安全环境、通风机运行状态、变电所电量参数、矿井机电设备运行等进行实时监控,实现多节点、高速、高可靠性的网络互联,各监控终端可根据优先级别进行自主通讯,并实现现场终端之间的预警连锁,主机对全局参数进行信息融合、综合分析、诊断及辅助决策.

3.3减少变频器谐波对其它设备影响的方法

(1)使用隔离变压器.变频器的供电电源与安全监控系统的供电电源要相互独立,或者在变频器和安全监控系统的输入一侧安装隔离变压器.使用隔离变压器,可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前,也可以将变频器放入屏蔽箱内,起到相似的作用,变频器的输出尽量远离高压电源的电缆敷设,同时将信号传输电缆做屏蔽处理,并有效接地.

(2)多相脉冲整流.在产生的谐波比较小的情况下,可以采用多相整流的方法.12相脉冲整流电压畸变率大约为10%—15%,18相脉冲整流的电压畸变率约为3%—8%,满足EN61000-3-12和IEEE519-1992严格标准的要求.

(3)无源滤波器.采用无源滤波器后,满载时的电压畸变率可降至5%—10%,满足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求,适用于所有负载下的电压畸变率<30%的情况.但是在轻载时功率会因加无源滤波器而降低.

(4)输出电抗器.在变频器输入侧加交流电抗器,减少变频器的输出在能量传输过程中线路产生的电磁辐射.电抗器必须安装在距离变频器最近的地方,尽量缩短与变频器的引线距离.采用交流电抗器后,进线电流的电压畸变率大约降低30%—50%,是不加电抗器电流的一半左右.

(5)作好信号线的抗干扰.输入线路要尽量短且绞合,绞合的双绞线能降低干扰,由于改变了导线电磁感应e的方向,使其感应互相抵消,配线时避免和动力线接近,信号线与动力线分开配线,把信号线放在有屏蔽的金属管内,或者动力线和信号线分开距离要在40cm以上,为了避免信号失真,对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配.

4结束语

根据煤矿行业特点,矿井安全监控系统,涉及地理范围较广、监控点多,需要监控点距离远、分散等特点.针对目前安全监控系统出现的问题,通过技术更新,利用便携式传感器实现系统从有线到无线传输,使得安全监控系统最大可能的有效覆盖事故隐患的地方,使用CAN总线,使得数据传输更加准确、可靠、快速,能为监控中心、调度中心提供详尽的安全环境数据,为决策部门提供可行的依据,采取有效的电磁防护方式,做到井下设备的电磁兼容性能好,互不干扰设备的正常运行,保证安全监控系统的正常运行.