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礦井通風安全自動監測報警系統的開發研究
1. 引言
煤炭是我國的基礎能源，在國民經濟中發揮了重要作用。然而當前煤礦事故死亡人數居高不下，每年死于煤礦事故的官方數字是6000人，百萬噸死亡率大大高于世界主要產煤國家平均水平。這不僅給人民群眾造成了巨大的痛苦，國家財產遭受損失，更增加了社會的不穩定因素，因此，安全生產是煤炭工業發展的重要基礎，必須把它放在煤礦各項工作的首位，防治礦井災害己成為我國礦業健康發展的頭等大事。
2. 通風網絡解算參數獲取的研究現狀
2.1 壓差法
用壓差計測定通風阻力的實質是測量風流兩點間的勢能差和動壓差，計算出兩測點間的通風阻力。壓差計測量方法比較精確，整理數據簡單，但收放膠皮管費時費力，如有足夠的人力和高精度的壓差計，是可以順利完成測量任務的。對于局部地段阻力和阻力系數的測定，此法優點更為顯著。
2.2 氣壓法
近年來隨著通風測量儀表的發展和完善，礦井通風阻力測量已由過去的傾斜壓差計法逐步向氣壓計法轉變。氣壓計法是采用精密氣壓計測量兩測的絕對靜壓，計算其靜壓差，再測算兩斷面間的動壓和位能差，利用伯努利方程計算兩測點間的通風阻力。氣壓計法測量比較迅速，但要測算出測點間的位壓差并進行大氣壓變化的校正，計算較麻煩。尤其以前用過的恒溫氣壓計，其容器內的氣溫難以保持穩定，且要多次重定基點，使測定結果誤差較大，現已不使用。
3. 系統總體方案設計
井下測量傳感器通過電纜直接連接到監測分站，監測分站通過模擬開關分時采集傳感器信號，同時完成數據存儲及與監控計算機數據交互的功能。這種結構的監測系統具有以下不足:傳感器輸出的信號一般為頻率信號，范圍為20OHz~1000Hz，測頻精度不高，可靠性差;每個傳感器都需要一條電纜來連接到監測分站，使用電纜多，成本高，不容易擴展，它適合測點集中的情況。
4. 總線方式選擇
現場總線是用于過程自動化或制造自動化中的，實現智能化現場設備與高層設備之間互聯的，全數字、串行、雙向的通信系統。通過它可以實現跨網絡的分布式控制。自80年代末以來，有幾種類型的現場總線技術已經發展成熟并且廣泛地應用于特定的領域。在分布式測控系統中，目前影響最廣泛的現場總線是CAN總線和RS-485總線。
5. 智能傳感器的設計
5.1 智能傳感器的功能及性能要求
(1) 自補償能力:通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移等進行自動補償。(2) 數值處理功能:可以根據智能傳感器內部的程序，自動處理數據，如進行統計處理，剔除異常值等。(3) 遠程通信功能:具有M一BUS總線接口，可實現遠程距離通信。(4) 信息存儲和記憶功能:能隨時存取檢測數據。(5) 掉電保護:掉電后能有效保護內部存儲的數據，防止數據的丟失。(6) 數字量輸出功能:輸出數字信號，可方便的與計算機或接口總線相連。
5.2 智能氣壓傳感器的電源設計
為減少供電電源的數量，降低費用，方便維護，各智能傳感器采用總線供電方式，由通信分站的本安電源遠程供電。因總線電阻會帶來壓降，當總線過長或智能傳感器過多時，總線末端的智能傳感器將供電不足，為此，各智能傳感器采用分時上電工作方式，即每一時刻只有一臺智能傳感器上電工作，而其余智能傳感器處于低功耗的空閑等待狀態。在空閑等待狀態下，片機P89LPC932上電，只有微功耗穩壓器HT7150A(Ul)、HT7130A(UZ)和低功耗單耗電僅300A。
6. 通信分站的設計
6.1 通信分站的功能設計
一方面，通信分站與井下的智能傳感器組成主從式M一BUS總線通信系統，通信分站作為主機，工作在查詢方式，通過M一BUS總線對各智能傳感器進行巡測，完成對測量數據的采集和存儲。另一方面，通信分站還與監控計算機組成主從式RS-485總線通信系統，通信分站作為從機，工作在中斷方式，當監控計算機訪問該分站時，該分站可以立即響應，根據計算機的命令進行下一步的工作。
6.2 通信分站的組成及工作原理
信分站由RS-485總線從機接口電路、M一BUS總線主機接口電路、單片機、擴展RAM、數據保護電路等組成。撥碼鍵盤用于設定所在的分站地址，由系統管理員將該地址錄入到監控計算機軟件，監控軟件就通過該地址訪問相應分站;數據保護電路用于存儲通信分站所接收到的智能傳感器的信息;由于智能傳感器數據量較大，我們又擴展了RAM(2K字節數據存儲器6116);雙串口單片機的串口。
6.3 通信分站接口硬件設計
通信分站既要通過RS-85總線與監控計算機通信，還要通過M-BUS總線與智能傳感器通信，因此需要有專門的通信接口電路。監控計算機與各個通信分站組成RS-485通信系統，通信分站作為系統的從機。為了便于RS-232串行接口的計算機與通信分站之間通信，必須進行標準串行接口的相互轉換。因此，每個通信分站都帶有RS-485從機接口電路。
7. 通信接口的設計
7.1 通信接口的功能設計
通信接口是地面計算機與通信分站通信的橋梁。計算機串行通信口輸出的RS-232信號只適用于點對點近距離通信，無法實現監控計算機與通信分站的遠距離通信。再結合本系統的具體情況，因此，必須將RS-232和RS-485兩種標準的信號進行轉換才能實現正確通信。通信接口實現的就是這一功能。
7.2 通信接口的組成及工作原理
通信接口主要有以下幾個部分組成:本安型電源電路、RS-232T/TL電平轉換電路、TTL瓜S-485電平轉換電路、狀態指示電路及防雷擊電路組成，其中本安型電源電路包括雙重過壓保護、雙重過流保護及短路保護。由于計算機輸出RS-232信號，因此先要將232信號轉換為TTL信號，然后經過光禍隔離提高系統的抗干擾能力，最后再經過TTL瓜S-85電路得到我們所需要的RS-485信號。RS-232/TTL電平轉換電路和TTL股S-85電平轉換電路的電源分別由DC心C和穩壓電路提供，這樣可以提高系統的抗干擾能力。
8. 結語
在我們設計的礦井通風安全自動監測報警系統中，需要對數據進行集中分析處理，判斷報警，并形成各種統計報表、曲線或計算機文檔，并且將數據送入局域網，以便相關工作人員及時掌握礦井通風的安全狀況，管理人員經授權后，可以通過網頁對系統進行遠程監控。
參考文獻
[1] 楊娟, 沈漢年. 礦井通風系統評價方法與標準[J]. 工業安全與防塵, 2000,(01).
[3] 賈進章, 劉劍, 宋壽森. 通風系統穩定性數值分析[J]. 礦業安全與環保, 2003,(06).
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