矿山井下压气自动监控系统的应用

文丽松

（南京银茂铅锌矿业有限公司， 江苏南京 210033）

矿山井下压气自动监控系统的应用

文丽松

（南京银茂铅锌矿业有限公司， 江苏南京 210033）

摘 要：压缩空气是矿山井下作业人员生存的依靠和健康的保证，同时也是许多设备的动力源泉，压缩空气消耗的能源很大，压气管线长而且分散，一直以来管理都非常困难。随着网络和自动化技术的发展，利用计算机、单片机及相关组态软件，通过光纤通讯，设计一套压气自动监控系统来实现井下压气的管理，在保证压气要求的前提下，提高安全性能，节约能源。

关键词：地下矿山；压缩空气；网络通讯；自动监控

0 前 言

矿山井下通风系统一般是通过地表的空压机站把新鲜压缩空气经管道输送到井下储气罐，再分别输送到各作业点，同时利用风机将井下污浊空气抽出来。一般来说都非常重视空压机压气制造和风机抽风的节能，利用变频器和自动控制技术取得了很好的效果，但对井下压气运用的管理和控制重视不够，很少运用成套的压气自动控制系统来管理和控制压气，这样就浪费了很多压气能源。如果简单的通过管道闸阀人工来控制气量，由于井下气管延伸的非常远而且分布广泛，就需要较多的人力成本，同时压气的气压、流量无法显示，不能及时准确控制压气量。这就需要一套压气远程自动监控系统，根据井下作业点情况、通风要求、设备开启状态来调节压气的气量。

1 压气自动监控系统的设计

随着各种检测传感器应用，单片机的开发，网络通讯和计算机技术的发展，远程自动监控系统已经广泛运用于工业项目中。本系统正是基于上述相关技术设计的，系统的组成主要是：位于监控中心的主计算机，光纤收发器，光模块交换机，光纤终端盒，各个中段分层的远程控制箱，安装在压气管道上的监测、控制仪器，通讯光纤，其中远程控制箱中安装了：数据采集板、串口服务器、光纤收发器及相应的电路元器件，用来接收、处理、传输各种信号和指令。整个监控系统由上位监控管理层、中间通讯层、下位终端信号采集层3部分组成。系统结构如图1所示。

1.1上位机监控系统

监控系统软件是通过Visual C++6.0平台编写的基于PC机数据处理终端的上位机软件，主要包括5个功能模块：参数设置模块，数据采集模块，数据处理模块，控制输出模块和数据管理模块，各模块间通过已设定好的数据交换接口及多线传输方式实现实时的数据交换和存储。监控系统主要实现的功能要求和目标是：与远程终端控制器的网络通讯、数据交换；数据的计算、转换、处理；数据的存储备份与打印输出；系统管道参数实时显示；实时数据曲线和历史数据曲线图形显示；远程控制调节阀；设备故障报警和记录。

1.2通讯系统

中间通讯层的作用是连接上位监控管理层和下位终端信号采集层，它们之间采用串行通讯，通讯方式为主-从通讯，上位监控机向下位机发送查询指令，下位机确认收到查询指令后，将采集到的信号传送回去。下位机终端采集的信号通过RS-232接口、串口服务器、光纤收发器、光模块交换机进行数据传输，串口服务器是为RS-232终端到TCP/IP之间完成数据转换的通讯接口协议转换器，由此输出的信号接口为普通网口RJ45。由于井下传输线路很长，信号干扰大，用电信号传输不能满足要求，而光纤通讯传输信息量大、传输距离远、抗干扰性好，安全性高，并且光纤体积小、重量轻、敷设方便简单，所以采用光信号传输，这就需要将电信号转换成光信号，选择光纤收发器，利用光纤通讯传输信号，因为计算机接收的是电信号，所以在上位监控机前需要将光信号再转换为电信号。

1.3下位终端信号采集系统

下位终端信号采集系统是以STC12C5412AD单片机为控制核心，使用Keil uvision2软件设计的，主要包括数据转换的A/D421芯片，8路10位精度ADC端，EEPROM功能的X25045芯片，RS-232接口转换芯片MAX232，3路0-5V模拟量输入电路，1路开关量输入电路，1路4-20mA模拟量输出电路，1路开关量输出电路，其他相关的功能电路，以及信号采集终端安装在压气管道上的监测和控制设备。下位现场监控系统硬件结构如图2所示。

图1　系统结构

图2　下位现场监控系统硬件结构

安装在压气管道上的监测和控制设备有：流量计、压力传感器、智能调节阀、开关蝶阀。流量计以4～20mA的流量值传输给单片机，压力传感器以0 ～5 V的压力值传输给单片机，智能调节阀根据上位机的指令来调节阀门的开度大小，同时将阀门开度值反馈给系统，开关蝶阀根据上位机的指令来打开或者关闭阀门，不调节阀门大小，同时将阀门开关状态反馈给系统。信号采集终端采集的都是模拟量信号，需要使用STC12C5412AD单片机内部的A/D转换功能将模拟量转换成数字量，同样上位机的指令也需要经过转换后传给信号采集终端。

信号采集系统有多个信号采集终端，PC机与采集终端通讯时，必须根据唯一标识地址来识别节点，所以通过上位机设定主机的IP地址和每个信号采集终端串口服务器的IP地址，使他们处于同一个局域网内，另外利用信号采集终端拨码开关来设定每个信号采集终端的标识地址。

2 压气自动监控系统的功能

（1）采集各分层管道压气的流量、气压、闸阀开度等参数，并在监控系统画面以实时数据和图形显示出来，这样在监控室就能知道每个地方的压气流量值、压力值、管道开关状态和闸阀开度值。

（2）远程操控每个点的控制阀，根据生产任务、施工作业要求、用气设备开停等情况，实时调节各通风点压气。

（3）安全监控，对各点的现场设备和通讯情况进行监控，当设备出现故障或者通讯断开时，监控系统会显示相应的故障报警，维护人员可以根据监控系统的故障显示及时维修。

（4）自动/手动控制，可以随时手动修改每个控制阀的开关和开度，也可以通过设置每个控制阀状态参数，自动调节在不同的时间实现不同的功能。

（5）自动超限报警，根据不同的供气要求，设定每个点压气流量、压力值的上下限，在实测数据值超过范围时发出报警，以便及时调整。

（6）事件和数据的记录、查询和打印，计算机根据监控系统设计自动存储系统的数据和事件，通过监控系统可以查询各个参数的历史数据和设备的运行情况，同时可以根据数据库的查询自动生成各种报表。

3 结 论

随着社会的发展，安全和能源越来越受到关注，国家对矿山企业的安全生产、能源消耗、规范管理要求越来越严格，数字矿山是现代矿山的一种发展方向，要真正建设一个数字矿山，首先矿山的工艺系统和设备就得实现自动化、网络化。这套矿山井下压气自动监控系统，采用了先进的网络技术和自动化控制技术，配以质量可靠、性能稳定、机构简单的硬件设备，实现了对压气自动化管理。系统在南京银茂铅锌矿业有限公司井下安装应用后取得了良好的效益：工作人员在调度监控室就能够实时的了解各点压气和设备情况，根据需要远程操控每个点的控制阀，实时调节各通风点压气；设备有故障也能立即发现，及时安排人员维修；提高了矿山压气控制管理水平和安全性能；减少了压气浪费，降低了电能损耗，全年空压机站压气用电比往年大概能节约24万kW·h；减少了压气管道工作人员，以前每班都要1个人去巡查和调节管道，现在只要管理人员或者调度员兼职管理监控系统，可以减少4个工人，节约了人力成本；系统运行稳定，硬件安全可靠，故障率低，维修成本小。

参考文献：

［1]杨国兴.Visual C++6.0实例教程［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［2]袁国良.光纤通信原理［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3]张毅刚.单片机原理及接口技术［M］.北京：人民邮电出版社，2011.

［4]李朝青.单片机与PC机网络通讯技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［5]刘永红.地下采矿压风系统智能控制技术运用［A］.第四届中国矿山数字和智能技术装备大会论文集［C］.中国有色金属学会采矿学术委员会，2011：117-121.

收稿日期：（2016-04-18）

作者简介：文丽松（1980-），男，江西吉安人，电气工程师，主要从事矿山机电设备的管理，Email：wls198093@163.com。