煤矿机电硐室温度监测与预警功能实现

赵双斌

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045400）

1 概 况

煤矿机电硐室主要用于对井下机电设备、变压器以及开关等设备的存放。在实际生产中，由于机电硐室内机电设备数量多、功率大等特点，会发生热量的聚集，导致硐室内温度升高，当硐室内温度过高时就会影响机电设备。目前，开元煤矿为井下所配置的监测系统并未对硐室内风流温度以及所存放机电设备温度进行监测，存在监测盲点。针对这一情况，结合开元煤矿机电硐室的温度监测和预警需求，设计一款温度监测预警装置，可直观掌握机电硐室温度。

2 总体设计

根据开元煤矿机电硐室温度监测和预警的需求，温度监测预警装置需要具备数据采集、处理、传输功能，需要设计人机交互界面，可对数据进行实时查询、显示。数据采集是装置的核心，主要实现对机电硐室温度相关数据采集，由于煤矿井下恶劣的生产环境，因此温度数据的精准监测非常重要；数据处理与传输主要是根据所采集的数据以及现场工况对机电硐室的温度进行预测，并将采集数据和预测结果传输至人机交互界面。

结合机电硐室温度监测预警装置的总体设计思路，对应选取温度监测预警装置的硬件，总体结构如图1 所示。

图1 机电硐室温度监测预警装置硬件模块总体结构Fig.1 General structure of hardware module of temperature monitoring and early warning device for electromechanical chamber

2.1 中央处理单元的选型

采用ARM微处理器对所采集到的数据进行处理，该处理器基于ARM920T 架构设计，所采用CMOS 工艺具有较高的执行效率，可对所采集到的数据进行高效处理。

考虑到开元煤矿井下易燃、易爆的特性，本系统应采用直流防爆电源为中央处理单元供电。由于机电硐室运行的机电设备数量较多，运行过程中会发出多个频段的电磁信号，因此所选电源模块应具备一定的抗电磁干扰能力。综上所述， 选用KDW660/12B 型矿用隔爆直流电源，如图2 所示。

图2 矿用隔离防爆直流电源Fig.2 Mine isolated explosion-proof DC power supply

2.2 测温模块的选型设计

为了避免温度传感器所采集的数据在A/D 转换过程中产生误差，系统采用DS18B20 数字温度传感器，该传感器直接输出数字信号，简化了数据传输电路，提高了数据传输的稳定性。DS18B20 数字温度传感器参数如下：

开元煤矿机电硐室不仅需要对机电硐室内的风流温度进行监测，也需要对硐室内变压器、开关柜以及开关触点等设备的温度进行监测。因此，在机电硐室进口、出口处各安装1 个温度传感器外，在各个设备处安装1 个温度传感器。系统采用多点测温技术，考虑不同连接方式下的测温时间、接口配置等情况，将现场多个温度传感器采用并行与单总线混合连接方式。

2.3 报警模块的选型设计

当煤矿机电硐室内或相关设备处的温度超出限值时，要求温度监测预警装置可控制报警。结合煤矿机电硐室的报警精度要求，考虑煤矿井下恶劣的生产环境，选择稳定性较高的TDF-4010 型报警器。

3 温度监测预警装置温度预测算法设计及结果分析

3.1 温度监测预警算法设计

开元煤矿机电硐室温度监测预警装置除了对温度进行准确监测外，还需对温度进行预测，从而可对现场的故障进行提前排除。因此，设计一套高精度的温度预测算法。

系统采用BP 神经网络与最小二乘多项拟合函数相融合实现对温度的预测。基于BP 神经网络算法可通过设备的功率、通风量、电压、电流等参数对温度进行预测，也可通过机电硐室的历史温度为参考对温度进行预测。结合前人学者的研究成果，以机电硐室的历史温度作为温度预测的基础，不仅数据样本容易获取，而且预测效果也较好。

根据机电硐室历史数据资料，采用MATLAB软件进行温度预测算法拟合，对应的温度监测预警流程如图3 所示。

图3 温度监测预警流程Fig.3 Temperature monitoring and early warning process

3.2 温度监测精确性分析

将所设计的温度监测预警装置应用在6 个监测节点中，对每个节点进行60 次温度测量，对每个节点测量温度的误差进行对比，结果见表1。

表1 温度监测预警装置温度监测精度测试Table 1 Temperature monitoring accuracy test of temperature monitoring and warning device

所选型的DS18B20 温度传感器的测量精度为±0.5 ℃，测量误差小于0.5 ℃均满足要求。对6个监测节点温度误差均小于0.5 ℃，说明该监测预警装置的温度测量准确达到了设计要求。

3.3 温度监测预警装置预测精确性

对设计的温度监测预警装置的预测精确度进行测试，同样对6 个监测节点的温度预测精度进行测试。首先，对节点的预警温度进行预测，而后通过装置实际测量的温度与预测值进行对比，得出误差。测试结果见表2。

表2 温度监测预警装置温度预测精度Table 2 Temperature prediction accuracy of temperature monitoring and warning device

续表

基于温度监测预警装置对硐室温度预测平均误差均低于0.5 ℃，该装置的预测温度性能满足设计要求。

4 结 语

煤矿机电硐室为存放井下机电设备的场所，在实际生产中大量的机电设备会产生较大的热量，当温度超限时会影响机电设备的稳定运行，甚至会造成更加严重的后果。因此，对煤矿机电硐室风流温度和机电设备运行温度的监测非常重要。本文基于ARM微处理器和DS18B20 数字温度传感器等硬件模块和基于BP 神经网络的温度预测算法设计了开元煤矿温度监测预警装置，实践表明，所设计的温度监测预警装置在温度测量和预测的精度均可控制在0.5 ℃以内，满足设计要求，可在实践生产中推广应用。