煤矿安全生产实时监控系统设计方案.pdf

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1、2006年6月 陕 西 理 工 学 院 学 报June.2006第22卷第2期 Journal of ShaanxiUniversity of TechnologyVol.22No.2文章编号1673-2944(2006)02-0027-04煤矿安全生产实时监控系统设计方案黄 健1,李军芳1,2,黄庆东1(1.西安科技大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710054;2.陕西理工学院 电子与信息工程系,陕西 汉中 723003)摘 要 针对我国现在煤矿安全生产的现状,提出了煤矿安全生产实时监控系统设计方案。该方案通过监控中心和矿井现场CAN监控网络实现了对煤矿安全生产的实时监控。在监控中心部

2、分,由组态软件配合数据库技术实现对整个监控网络的监测、控制、管理和维护;上位机CAN节点则负责监控中心与现场CAN网络监控节点之间的协议数据转换;分站监控节点主要承担矿井现场的数据采集和断电逻辑控制。关 键 词 煤矿;安全生产;监控系统;CAN中图分类号TD76文献标识码A收稿日期:2005-11-21作者简介:黄健(1977)男,陕西汉中市人,硕士研究生,助教,主要研究方向为移动数据传输。煤炭是国家的主要能源之一,煤矿的安全生产对国民经济的发展有着重要的意义,它不仅关系着企业的兴衰,而且关系着社会的稳定和经济的发展。中国煤炭行业的安全生产形势不容乐观,各煤矿生产企业安全监测不完备、管理手段落

3、后是造成事故频发的重要原因之一。该系统设计方案集成了计算机网络、数据库、通信、自动控制和自动检测等多学科领域相关技术,能够对煤矿生产环境中的瓦斯、风速、温度、一氧化碳、烟雾、运行设备等环境数据、工作状态(通过矿井现场传感单元)进行远程监控,报警和管理。1 系统结构设计本文设计的安全生产监控系统是在生产、安全及管理方面的一个实时监控系统,对于煤矿的生产运行状况、安全水平、灾害预测预报具有重要的作用。系统结构设计如图1所示,共分为两部分:监控中心和矿井现场CAN监控网络。该安全生产监控系统主要包括数据安全采集、数据处理、检测、控制与管理、关系数据库接口、统计查询、瓦电闭锁和风电闭锁等功能。监控网络

4、可以提供最多128个分站节点,实现对各个矿区的监控管理。每个分站最多可以采集8路数字量和8路模拟量;通过对传感器采集到的数据进行处理检测及时掌握各矿井信息,并由监控中心或分站实施断电逻辑控制,实现煤矿安全生产实时监控。2 监控中心组态软件功能设计监控中心组态软件的主要功能是接收上位机CAN节点上传的各个分站采集的数据,并进行相应的处理,然后根据处理的结果进行控制与管理。具体功能简述如下。2.1 数据安全采集与记录功能通过数据采集接口安全地从各分站读取数据,并且保证数据传输的单向性。组态软件对采集到的数据采用变值变态记录方式,即当测点数值或状态改变时进行记录。优点在于:一方面,当测点数值保持不变

5、或变化范围较小时,不需要重复记录这些相同或基本相同的数值,变值变态记录就使这些重复的记录减少到最低程度;另一方面,当测点数值变化较大、较快时,又可详细记录每一变化的细节。图1 煤矿安全监测系统示意图2.2 数据处理功能组态软件根据采集数据的记录进行数据处理,包括计时、计数、线形计算等方法。处理后数据的显示具有多种方式:既可按图标显示分站的综合状态,也可按分站显示内部各通道数据和状态,还可以按照自定义页面(动态显示的页面)组织和显示测点;既可以在超限测点窗口查看所有超限测点的情况,也可以在提示信息窗口看到测点状态变化的情况。另外,还可在实时曲线显示窗口查看最多为6个测点数据的实时变化曲线。2.3

6、 检测功能组态软件进行数据处理的同时实时的监测系统动态数据和图形,并依据安全指标要求提供实时报警故障记录和逐级报警功能,以保证管理人员实时掌握故障信息及报警信息。2.4 控制功能通过组态软件设定各个分站的运行参数,并远程控制分站执行断电动作逻辑。在监控中心的组态软件上,可以定义由监控中心实施控制或由分站实施控制;程序控制与手动控制;超上限控制与超下限控制。当出现断线、负漂和溢出等特殊情况时,用户也可设置是否进行控制,既可由模拟量数据控制,又可由数字量状态控制。2.5 提供关系数据库接口通过组态软件的关系数据库模块可以将数据写入到关系数据库表中,为管理人员使用相关数据提供方便。2.6 统计查询功

7、能用户可选择某一月内任意时间段内的任意测点进行查看记录、显示曲线的操作,可查看长至一个月、短到一分钟的测点变化趋势,并将处理的结果形成文本文件、图形文件或图像文件保存至硬盘,以便用户随时调出查看。用户可同时查看不同时间段、不同测点的曲线,并且可以任意放大和缩小,以便进行比较和分析。在报表方面,用户可生成形式与内容均可自定义的各类报表。图2 上位机监控节点硬件结构图3 上位机节点设计上位机节点硬件电路和软件主要完成协议转换的功能。硬件主要由51单片机、Max232和SJA1000芯片构成,其硬件结构如图2所示。芯片Max232负责把监控中心工控机的控制命令交给51单片机,由51单片机转换成CAN

8、数据包,通过CAN接口电 路 下 发 到 相 应 分 站 节 点;芯 片82 陕 西 理 工 学 院 学 报 第21卷SJA1000又能快速把分站节点上传的CAN数据包交给51单片机,由51单片机转换成RS232协议格式,通过RS232接口转发给监控中心工控机;两个通信接口通过51单片机进行控制,保证两个芯片及时的进行协议数据转换。4 分站节点设计分站负责在井下采集各个传感器的数据,然后根据上位机下发的控制限和报警限,实现断电和报警功能。分站具有独立运行的特征,在断开与上位机通信的状态下,也能自动执行安全检测和控制功能。分站的控制逻辑关系主要分为模拟量控制和开关量控制。模拟量控制主要分为超上限

9、控制和断电控制,特殊的如风速传感器需要超下限控制;开关量控制分为状态控制和逻辑控制,其中逻辑关系一般由监控中心定义后下发给分站节点,分站把监控中心下发的配置参数,保留在Flash中,并立即进行初始化。只要监控中心不改变下发命令,分站始终保持最初的初始化信息。通过分站监控节点最终实现监测监控,即瓦电闭锁和风电闭锁。当监测到模拟量超限到某个值时要切断工作面电源实现断电控制,或监测到开关量风机停或风门开时实现断电控制。图3 分站硬件结构设计结构图4.1 分站硬件结构设计分站硬件电路主要由51单片机、CAN通信接口,采集板卡、指示灯、LED数码显示屏、Flash存储器、键盘接口电路、JTAG接口、模拟

10、与数字采集通道、跳线开关和远动开关构成。其硬件结构设计如图3所示。其中LED在分站开机或复位后先显示分站号,接着循环显示每个通道的通道号码和通道的传感器采集值。如果需要升级或更改51单片机控制代码,可以通过JTAG接口直接下载到单片机的E2ROM。CAN网络接口主要负责与上位机节点进行通信,在上位机节点转发监控中心的轮询指令后,各个分站节点一旦接收到该轮询指令,立即把当前最新的各通道采集值打包成CAN协议格式上传给上位机节点。当分站与上位机中断通讯时,分站能够按照预定传感器的报警限设定独立完成监测监控功能。但分站只能实现本台分站的控制关系,不能实现不同分站之间的控制关系。对于采集板卡的硬件设计

11、,考虑到A/D转换的精确度,整个板卡的电阻全部采用精密电阻;每个通道接入一个传感器单元,由于不同的传感器输出信号类型不同,如表1所示,所以还需要设计相应的跳线开关,例如1是电流量,2是电压量,3是频率量,4是开关量等等。远动开关是断电逻辑的主要执行部分,由8个固态继电器组成。4.2 分站软件设计分站软件的设计主要根据设计要求有以下两个比较重要的部分。4.2.1 分站开机启动流程表1 传感器技术参数传感器类型型号量程范围输出信号 类型水位传感器KGU905m/010m频率、电流、波特率负压传感器KGY33kPa或5kPa频率、电流、波特率温度传感器KG3007A-545频率瓦斯传感器KGJ160

12、%4%CH4频率、电流、分站首次开机后首先初始化缓冲区和CAN网络接口,提示键盘设定该分站CAN网络I D号码。显示A00,表示该分站没有设定CAN节点地址。键盘设定了该地址后,将重新初始化CAN网络接口,并主动给上位机节点发送注册信息,92第2期 黄健,李军芳,黄庆东 煤矿安全生产实时监控系统设计方案 等待监控中心软件下发设定参数。当监控中心软件下发设定参数后,分站接收参数并存入Flash,再次初始化,然后进入正常工作状态。分站在首次开机并接收了上位机下发的设定参数(报警限,控制限,断电控制逻辑)后,会永久保存在Flash中,如果再次断电,那么开机后,则从Flash中读出以前存入的设定值进行

13、初始化,首先显示分站I D号码,AXX,然后直接进入正常工作状态,显示通道号和信号类型,随后显示该通道的数值,同时进行报警和断电控制逻辑判定。4.2.2 分站断电控制流程分站在显示各个通道的采集值的时候,也实时的把采集到的每个数值与存入Flash的报警限和控制限进行比较。如果到达报警限,就声光报警。如果超过报警限,达到控制限,就自动根据控制规则启动远动开关(继电器)断开电源。当上位机下发手动断电命令,则立即根据命令参数执行断电动作。分站节点其它部分的软件设计主要分为数据采集模块、键盘设置模块、LED数码显示模块和CAN网络通信模块,其中分站与上位机CAN节点之间的通信协议也是比较重要的部分,由

14、于篇幅所限此处不再详述。5 结 论经实验验证,采用该设计方案设计的煤矿安全监控系统能够很好的满足煤矿安全生产的实时调度监控要求,为煤矿的安全生产提供了良好的保证。该系统可以实时监测各个矿井的安全状况,随时调度指挥生产,为管理人员准确、快速的制定安全防范措施,避免和减少安全事故的发生提供了极大的帮助。对煤矿安全生产监测系统的建设,煤炭企业的安全生产、文明生产、科学生产具有重要的意义。参 考 文 献 1 刘洪.煤矿安全监测技术M 1北京:煤炭工业出版社,1993.2 杨江有.以信息化推动煤炭工业化、带动企业现代化J 1中国煤炭,2002,28(7):57.3 闫广祥,郭圣义.数字化煤矿安全监测监控

15、系统的应用与实践J 1中国煤炭,2004,30(2):5354.4 卞长弘,宁培松,王晓滨,等.矿井监测监控系统综述J 1中国煤炭企业管理,2005,(7):6263.5 邹玉兵,董晓永.基于CAN总线的轴承分布式网络监控系统J 1自动化与仪表,2002,17(3):2426.6 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计M 1北京:北京航空航天大学出版社,1996.Design of the real-time monitoring systemfor the safety production coalminesHUANG Jian1,L IJun2fang1,2,HUANGQing2dong1

16、(1.School of Communication&Information,Xian University of Science&Technology,Xian 710054,China;2.Department of Electronic and Infor mation Engineering,ShaanxiUniversity of Technology,hanzhong 723003,China)Abstract:Aim at the present production of coal mines,the design of the real2ti me safety monito

17、ringsystem is proposed.The system can monitor the coalmine safety production through monitoring center and theCAN monitoring network.In the monitoring center,controlling,monitoring,managing and safeguarding is re2alized by configuration software and database technology and upper processor.CAN node i

18、s responsible for thedatabase transfor mation between monitoring center and spot CAN network node.The main task of substationmonitoring mode is data acquisition and power2failed logical control on the spot of coalmines.Key words:coalmine;safety production;monitoring system;real time dispatcher03 陕 西 理 工 学 院 学 报 第21卷