煤矿安全监测系统的设计与上位机仿真

2014-06-09蔡东余肖镇东

长春工程学院学报（自然科学版） 2014年2期

张欣，蔡东余，肖镇东，冯雷

（1.长春工程学院电气与信息工程学院，长春130012；2.大唐电信科技股份有限公司，北京100094；3.北京慧清科技有限公司，北京100098）

0 引言

煤炭是我国重要的基础能源，煤矿安全无论在国内还是在国外都是煤矿业持续、稳定、健康发展的重要保证[1]。但很多矿井自然环境恶劣，在煤炭开采过程中，瓦斯突出、中毒、窒息，矿井火灾、透水、顶板冒落、瓦斯爆炸等多种灾害事故时有发生。为了煤矿的安全和生产的正常运行，过去的人工巡回检查的监测手段已经远远不能满足现代化生产对监测数据的准确性、及时性和安全性的要求。因此，采用现代化的监测手段，实时监测煤矿环境的各种有关参数及生产设备的工作状态，建立完善可靠的煤矿安全监测系统是非常重要的。

煤矿安全监测系统的主要任务是针对矿井生产系统安全环境的监测，包括对矿井空气中有害或危险成分的监测、矿井空气物理状态的监测、通风设备运行状态的监测以及井下常用设备的监测等[2]。在借鉴国外监测系统经验的基础上，我国煤矿监测系统的研制也得到了快速发展，但现有的监测系统普遍存在价格高、维护难的问题，不适用于中、小型煤矿的使用，而大多数安全事故恰恰就发生在这些煤矿中。因此，设计一种实时性好、安全可靠、易维护的低成本煤矿安全监测系统是符合目前市场实际需求的。

1 煤矿安全监测系统井下生产环境布局与传感器设置

煤矿的组成结构千差万别、各不相同，很难找到一个固定的结构模式来描述，但其基本组成是一致的。为了设计一款适用面广的煤矿安全监测系统，首先建立一个基本的煤矿井下生产环境布局模型，基本涵盖了中小型煤矿的主要功能结构。该模型包括采煤工作区（挖煤的工作面）、掘进工作面（采用电钻打眼，放炮落灰方式打开的一个隧道，是采煤开始的先行工作区）、皮带井车场（专门运输煤的井底车场，包括其附近巷道及存放皮带运输器械的硐室）、轨道井车场（运输各种物质的井底车场，包括其附近巷道及存放轨道运输器械的硐室）、主井（提升原煤至地面）、副井（提升人员及废物）、进风大巷（风源起点所在的巷道）、回风大巷（回风废气的排出巷道）、避难硐室（紧急逃生）、机电硐室（存放机电设备）、变电所（井下供电）、主水仓（汇集井下生产过程中产生的废水）、水泵房（将井下废水抽至地面）、N个分站（收集传感器信息并与地面通信）。井下生产环境布局模型如图1所示。

图1 井下生产环境布局及传感器设置图

煤矿井下传感器按其监测的物理量类型可分为模拟量传感器和开关量传感器，监测对象主要有瓦斯、一氧化碳、风速、温度、风压等模拟量以及风门开关、风机开停、烟雾、馈电等开关量[3]。根据 AQ 1029—2007《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》，对各类井下传感器进行设置。传感器具体设置见表1。其中瓦斯是煤矿安全的主要监测对象，瓦斯的主要成分是甲烷，井下大部分工作地点都要设置甲烷传感器，不同工作地点对甲烷传感器的设置有不同的要求[4]。

表1 井下传感器设置

1.1 采煤工作区甲烷传感器的设置

在图1所示井下生产环境布局图中设有2个采煤工作区。其中采煤工作区1属于长壁采煤工作区，其通风方式为U形通风，必须在上隅角、工作面、工作面回风巷分别设置甲烷传感器。而采煤工作区2也是长臂U形通风采煤区，与采煤工作区1不同的是它具有专用排瓦斯巷。因此，应在其专用排瓦斯巷、工作面混合回风风流处设置甲烷传感器。

1.2 掘进工作面甲烷传感器的设置

掘进工作面必须在工作面混合风流、工作面回风流中设置甲烷传感器。此外，应在掘进工作面中设置局部风机以达到风电互锁的目的。

1.3 其他区域甲烷传感器的设置

除采煤工作区、掘进工作面等瓦斯突出的地方应设置甲烷传感器外，其他工作地点如轨道井车场、皮带井车场的工作面及回风巷，以及主井、副井、水泵房、主水仓等与地面联系的场所中也应设置甲烷传感器。

2 煤矿安全监测系统总体设计方案

煤矿安全监测系统采用集散控制方式（DCS），整个系统从宏观上可分为2大部分：上位机控制主站系统和下位机监测分站系统。主站一般采用PC机，主站通过通信电缆与地下分站进行信息交流。分站可脱离主站独立工作，也可与主站联合工作，但各分站之间互不通讯，分站可将采集的数据通过通信电缆送往主站。煤矿安全监测系统采用冗余设计思想。系统设计方案如图2所示。

图2 煤矿安全监测系统总体设计方案

监测分站系统主要以微处理器为控制核心，分布在井下现场，根据监测监控的对象不同而配置不同，可以是模拟量数据采集系统，也可以是开关量监测和控制系统。每个分站的监测参数要求能够实时在现场显示，因此各分站须配置显示器件。同时，若分站出现参数异常情况，分站系统应能在向主站上位机传输报警信号的同时在井下现场声光报警，并能够采取一定的紧急处置措施。

所设计的煤矿安全监测系统主站上位机界面应具有如下主要功能：软件具有友好的交互界面；能客观、真实、动态地演示说明各分站的实时采集数据，并同步显示；能根据分站参数值的变化，在主站界面对应显示预警信息，并可弹出断电警告指示界面。主站上位机界面设计方案如图3所示。其中，在友好交互功能方面，主站界面可添加或删除分站、分站中的测点；可根据各分站实时传送来的数据在主界面上显示模拟量曲线和开关状态图；具有按分站显示参数及对应报表输出和打印功能；可直接从主界面上调节各分站的对应参数；具有系统帮助功能等。

图3 主站上位机界面设计方案

3 煤矿安全监测系统上位机仿真

系统利用Java语言对主站上位机界面进行仿真。Java语言具有较强的安全性、简单性、开放性和可移植性[5]。它支持多线程，可以很好地模拟现实环境的各种事件的同时发生（异步、并发）。它是第三代编程语言，所具有的面向对象的编程思想的特点更符合模拟系统中各种测量对象的逻辑。它具有平台独立性，只要能支持安装Java虚拟机，可在任何平台上运行并模拟Java程序。本系统不使用数据库来构造数据结构和实体化数据，其原因也在于大多数数据库服务不是跨平台的，且数据库移植和连接需要额外的驱动，对于操作人员及维护要求较高，取而代之的是使用可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML[6]）定义数据类型和存储数据，它不需要额外的中间件，不需要专业的技术人员，打开生成的XML文件就能看到数据，使用XML而不用数据库可使整个程序在功能没有缩减的前提下变得小巧精炼。

煤矿安全监测系统的监测量分为模拟量和开关量2类。上位机仿真模拟器运行后，首先读取2个模拟数据（XML格式）的结构文件，一个是模拟量数据模型的XML文件，另一个是开关量数据模型的XML文件。模拟器后台运行2个线程，分别负责模拟实际环境井下模拟量传感器与开关量传感器的采集过程。图4为主控程序模块内部架构图，简要描述了主控程序对于环境变量采集的输入接口。模拟量的值有良好、预警、报警等警戒状态范围。开关量的状态则对应测量名存在对应状态名，如通风口测试点的开关量对应有风、无风等状态。同时模拟量与开关量还有断电、给电、正常、故障等工作状态标识。在模拟实际井下环境数据采集的2条线程运行过程中，系统采取阻尼变化的给值方式，随机的增减值，系统也支持对指定测试点手动调节各个环境变量值来模拟一些突发的极端的自然状况。所有的测试点设备工作状态，除了系统会模拟实际情况改变状态外，也可通过操作面板人为改变参数来模拟实际场景的突发情况，系统会实时给与状态提醒。关闭系统前，系统会自动保存所有被测量的最后一次测量值或状态，下次打开模拟器时，会以最后记录为起始状态，保持被测量的连贯性。煤矿安全监测系统上位机仿真总流程图如图5所示。

图4 主控程序模块内部架构图

4 结语

本文在对实际煤矿井下生产环境进行充分调研的基础上，抽象建立了一个标准煤矿井下生产环境布局模型，对井下各类传感器尤其是甲烷传感器进行了设置。利用JAVA语言进行了主站上位机界面仿真，具有良好的交互界面。使用XML定义数据类型和存储数据，大幅降低了程序的开发成本及维护成本。通过仿真测试，所设计的煤矿安全监测系统具备实时性好、安全可靠、易维护、低成本等优点，能够实现对井下生产环境中不安全因素的实时监测与报警，有效地预防事故的发生或扩大从而能够保证井下人员的安全及设备的正常作业，适和中、小型煤矿使用。