矿井中防尘监控系统的设计研究

张晓峰

（中煤华晋集团有限公司王家岭矿，山西 河津 043300）

粉尘是煤矿五大自然灾害之一，煤尘爆炸不仅会导致井毁人亡恶性事故的发生，长期吸入呼吸性粉尘将造成尘肺病，给井下工作人员的身心健康造成极大的伤害[1]。由于井下喷雾防尘点多、设施分布零散、水质条件差、喷头易堵塞等原因，维护检修工作量极大，不仅难以实施有效监管，无法保障井下各防尘降尘喷雾装置的正常运行，粉尘危害也得不到有效控制，给煤矿安全生产和矿工身体健康带来重大隐患[2]。为此，结合王家岭煤矿的矿井特点，开展了该矿井中防尘监控系统的方案设计，通过在矿井中进行应用测试，验证了该监控系统的可靠性。

1 防尘监控系统设计方案

1.1 设计目标

根据矿井中结构特点，确定了防尘监控系统的设计目标[3]：

（1）通过井下以太网组建综合防尘网络，系统可以根据相应区域的粉尘传感器的采集数据自动控制。

（2）系统在地面可对井下各防尘喷雾点进行喷雾时段、喷雾洒水量、防降尘区域粉尘、图像数据等参数进行个性化设置和管理。

（3）系统技术指标和使用性能符合煤矿井下防降尘工作的实际需求，零部件选型以国产、通用为主。

（4）采用耗水少、雾化效果好的扇形强雾喷头技术，在确保防降尘效果的同时合理控制喷雾洒水量。

1.2 防尘监控总体方案设计

结合王家岭煤矿矿井特点，开展了该煤矿中防尘监控系统的总体方案设计。全矿井综合防尘监控系统主要由地面采集监控计算机、WEB 服务器等组成。其中，主要负责接收上位机系统对所属分站的控制、校时、状态查询及参数设置命令，并将命令分解给所属分站执行；采集所属喷雾控制分站的图片和状态等信号，汇总并传送至上位机系统[4]。此系统的PC 机直接安装在调度室，CPU：奔4/2.8 G以上；内存：4 GB；硬盘：1 T；显示器采用GA、SVGA 或支持桌面操作系统的任何图形。同时，防尘监控主站控制箱设计采用32 位ARM7TDMI-STM内核的LPC2212-CPU 作为控制核心，利用VC++.net 软件进行软件编辑设计。整个防尘监控系统的总体框架图如图1。

图1 整个防尘监控系统的总体框架图

2 监控系统关键分系统设计

2.1 喷雾网络控制主站设计

喷雾网络控制主站是此防尘监控系统中的主要模块，该模块系统主站由光纤收发器、路由器等部分组成。该喷雾控制主站的工作电压AC127 V（+15%～ -20%），50 Hz，功率消耗≤35 W，CPU 型号为32 位LPC2212，通讯方式为RS485。主站控制箱设计采用32 位ARM7TDMI-STM 内核的LPC2212-CPU 作为控制核心，选用512K*16 位RAM /STC62WV512 芯片存储分辨率为640×480的图像，提高了系统的抗干扰能力[5]。喷雾网络控制主站的框架图如图2。

图2 喷雾网络控制主站的框架图

2.2 分站硬件系统设计

喷雾网络控制分站硬件系统主要由电路主板、485 接口、粉尘传感器、湿度传感器、图像传感器、防爆电动阀、菲尼尔红外线传感器、开关电源、防爆机壳等部分组成。分站采用Winbond 华邦8 位双串口单片微控制器 W77E58 作为控制主芯片，用于采集图片传感器的实时图片和RS485 通信，采用美信公司的DS1302+电池作为日历时钟芯片，当分站系统因故断电时，日历时钟数据不丢失，确保分站恢复断电后按照预设时间喷雾，确保整个系统的喷雾运行。采用X5045 作为系统的看门狗和参数保存，外扩64K RAM 用于存放数据。分站硬件系统的连接示意图如图3。

图3 分站硬件系统的连接示意图

2.3 地面系统软件模块结构设计

地面系统软件分为两大部分：数据采集与监控和网络客户端部分。数据采集与监控部分运行于数据采集与监控服务器上，负责与井下系统的通信、监控、图像数据的WEB 发布以及进行相关的喷雾测试。设计软件模块包括：通信模块、存储模块、测试模块、发布模块、管理模块及监控模块等。其中，存储模块负责存储相关的监控图像、运行状态与参数；监控模块负责监控运行状态与显示监控图像。另外，该模块软件开发工具采用VC++.net 编制设计，网络客户端部分采用VC++ 6.0 JavaScript 编制设计，数据存储采用Microsoft Access 编制设计。地面系统软件模块的总体框架图如图4。

图4 地面系统软件模块的总体框架图

2.4 系统中主站软件设计

喷雾网络控制主站软件的设计采取的通信优先原则，采用LPC2212 的双串口，各串口之间采用RS232 驱动芯片进行驱动，同时上行通信用于和地面监控采集PC 的通信，下行通信用于和喷雾分站的通信[6]。中断采用嵌套技术设计，高优先级中断屏蔽低先级中断，可以提高喷雾监控主站的CPU 使用效率和通信任务间的切换效率。系统的主站软件流程图如图5。

图5 系统中主站软件流程图

3 防尘监控系统的应用测试

为进一步验证此矿井中防尘监控系统的综合性能，在王家岭煤矿中进行了应用测试，测试周期为4 个月。在测试过程中，此系统能实时监视煤矿井下区域、地段的降尘效果和喷雾防尘装置的工作状况，并将井下防尘区域实时图像传送至地面，地面调度室和相关职能部门实时控制和监测监视井下各喷雾防尘点的工作状态和喷雾效果，实现对每个防降尘点开启/关闭喷雾的直接控制。同时，该监控系统运行过程中，整个喷雾及降尘相关设备均实现了自动化远程操作和控制，无人员进行设备的操作及控制。通过对矿井中粉尘浓度的监测可知，喷雾降尘后，矿井的粉尘浓度达标，降尘效果相对较好。据人员评价，该防尘监控系统的应用，使得矿井中相关维护人员的劳动强度降低80%，作业人员也大大减少，矿井的安全系数提高了3 倍以上，整体达到了预期效果。

4 结论

建立全矿井综合防尘监控系统，采用先进的网络化控制方式、粉尘传感器及超细雾化喷头等先进技术措施和装置，成为当前矿井中智能化防尘监控系统建设的重要方向。为此，以王家岭煤矿为研究对象，通过设计防尘监控系统的设计目标，开展了该煤矿中智能化防尘监控系统的总体方案设计及关键分系统的研究。通过对该监控系统进行应用测试，得出该监控系统运行良好，能更加智能化地对矿井中进行自动喷雾降尘操作，并通过显示界面进行数据的远程监控。该系统的成功应用，提高了矿井中的安全系数，降低了人员的劳动强度，达到了预期设计效果。