煤矿安全监控系统断电时间检测技术研究.pdf

第4 4卷第4期 建 井 技 术 V o l.4 4 N o.4 2 0 2 3年 8月 M I N EC ON S T R U C T I ONT E CHNO L OG YA u g.2 0 2 3 施工装备 煤矿安全监控系统断电时间检测技术研究姚玉维1,2(1.煤科(北京)检测技术有限公司,北京 1 0 0 0 1 3;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 1 0 0 0 1 3)摘 要:随着煤矿安全监控系统技术的提高,传统试验方法已无法满足秒级测试要求。为解决这一难题,通过解码协议识别煤矿安全监控系统的信号,采用基于F P GA(现场可编程门阵列)为测时核心的自动精密时间间隔测量技术和数字信号高速同步处理技术,对煤矿安全监控系统接收信号及断电信号进行识别计算,在精度要求范围内实现监控系统断电时间测试目的。关键词:煤矿安全监控系统;断电时间;F P GA;数字信号;同步处理 中图分类号:T D 7 6 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 2 6 0 2 9(2 0 2 3)0 4 0 0 9 0 0 4S t u d yo nb l a c k o u t t i m ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yo f c o a lm i n e s a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e mYAOY u w e i1,2(1.C o a lS c i e n c e(B e i j i n g)T e s tT e c h n o l o g yC o m p a n yL i m i t e d,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a;2.N a t i o n a lK e yL a bo fC o a lR e s o u r c e sH i g hE f f i c i e n tM i n i n ga n dC l e a nU t i l i z a t i o n,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a)收稿日期:2 0 2 3 0 7 1 1 修回日期:2 0 2 3 0 7 2 8 责任编辑:张素玉 D O I:1 0.1 9 4 5 8/j.c n k i.c n 1 1-2 4 5 6/t d.2 0 2 3.0 4.0 1 4作者简介:姚玉维(1 9 8 4),女,安徽灵璧人,硕士,副研究员。E m a i l:c c r i c c r i 1 2 6.c o m基金项目:天地科技创新基金项目重点项目(2 0 2 0 Z D 0 0 5)引用格式:姚玉维.煤矿安全监控系统断电时间检测技术研究J.建井技术,2 0 2 3,4 4(4):9 0 9 3.YAOY u w e i.S t u d yo nb l a c k o u t t i m ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fc o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mJ.M i n eC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(4):9 0 9 3.A b s t r a c t:W i t ht h e i m p r o v e m e n to f c o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mt e c h n o l o g y,t h e t r a d i t i o n a l t e s tt e c h n o l o g yc o u l dn o tm e e t t h e s e c o n d l e v e l t e s t r e q u i r e m e n t s.I no r d e r t os o l v e t h i sp r o b l e mt h i sp a p e ri d e n t i f i e dt h es i g n a l so f c o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mb yd e c o d i n gp r o t o c o l,t h ea u t o m a t i cp r e c i-s i o nt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nF P GAa n dh i g hs p e e ds y n c h r o n o u sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f d i g i t a l s i g n a lw e r eu s e d t o i d e n t i f ya n dc a l c u l a t e t h e r e c e i v e ds i g n a l a n dp o w e r o f f s i g n a lo fc o a lm i n e s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ma n da c h i e v e d t h em o n i t o r i n gs y s t e mp o w e r o f f t i m e t e s t i n gp u r-p o s e s i nt h er a n g eo f a c c u r a c yr e q u i r e m e n t s.K e y w o r d s:c o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m;b l a c k o u t t i m e;F P GA;d i g i t a l s i g n a l s;s y n c h r o n o u sp r o-c e s s i n g 0 引 言煤矿安全监控系统是集模拟量和关量信号的采集、传输、存储、处理及数据显示、打印、声光报警、控制等功能于一体的监控装置,用于监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风窗状态、风筒状态等参数指标,同时具备局部通风机开停、主通风机开停等功能,并实现甲烷超限声光报警断电和甲烷风电闭锁控制等功能1。为进一步提高煤矿安全监控系统的准确性、可靠性和稳定性,增强煤矿安全保障能力,原国家煤矿安监局印发了 煤矿安全监控系统升级改造技术方案 的通知,该技术方案对煤矿安全监控系统提出数字化升级要求,并要求煤矿井下分站及中心站完善就地断电功能,提高断电的可靠性,并加强馈电状态监测。其中甲烷超限声光报警断电、甲烷风电闭锁控制等是保障煤矿安全生产的重要功能2。煤矿安全监控系统断电时间,是指煤矿安全监控系统监测到的甲烷浓度超出限制值时系统判断达到 第4期 姚玉维:煤矿安全监控系统断电时间检测技术研究断电值并输出断电信号时刻开始,到断电机构执行断电时刻结束所经历的时间。MT/T1 0 0 52 0 0 6 矿用分站、AQ6 2 0 12 0 0 6 煤矿安全监控系统通用技术要求 等标准明确规定了甲烷超限断电、甲烷风电闭锁控制执行时 间不得超 过2s3,传统的目测法已经无法满足标准要求。本文通过解码协议识别煤矿安全监控系统的信号,实现了异地断电时间的测试,满足相关标准要求4。1 测试装置硬件组成测试装置主要由信号发生单元、信号接收单元、MC U单元、液晶显示单元、远程通讯单元及供电单元等组成。装置硬件组成如图1所示。图1 测试装置硬件结构图1中监控传感器数字信号由MC U单元根据预先设置模拟生成,通过数据封装及加密处理后通过信号发生单元输出至监控设备,同时打开精密时间间隔测量模块进行计时。监控系统收到传感器输出的电量信号后,根据系统设定的断电闭锁值进行判断并输出对应控制信号。如果传感器输出的数值超过设定的断电闭锁值时,监控设备驱动断电执行单元动作,产生断电信号,监控系统关键技术指标测试装置的信号接收单元负责在众多监控信号中识别并接收断电信号,当验证为正确断电信号后,停止计时,在此期间所计量的时间间隔,即为数字式监控系统断电闭锁所需的时间5。监控系统关键技术指标测试装置的所有测试参数需提前 通过“按 键单元”进 行 人 工 输 入 装置6。为了提高测试的准确度,设置多组循环测试模式,每一组测试的时间数据与误差修正值均储存在“存储模块”中,“存储模块”中数据可通过通讯单元(R S 2 3 2、U S B等)上传至计算机进行深入计算分析。2 测试装置软件设计为保证测试时间的准确性,本装置采用定时中断读 取 采 样 数 据 并 进 行 波 特 率 分 析,另 外R S 4 8 5通讯、C AN通讯、按键解析以及定时保存数据这些功能均采用中断方式完成7。主程序首先对所有功能以及参数完成初始化设置任务,初始化的内容包括:系统运行的时钟、定时器的初始化、监控设备通讯类别的初始化、R S 4 8 5、C AN等通讯参数的初始化、测试方式选择、存储器初始化、测试数据初始化、中断优先级别的分配、端口配置等。初始化完成之后,即可进行性能指标的测试,测试正常即可进行测试数据分析、处理程序,然后进行结果诊断,最后由显示屏显示相应的测试结果。如果有必要继续测试,则只需按键按下转到重新测试处理程序。全部测试完成后,返回主程序。系统软件工作流程如图2所示。图2 测试装置系统软件工作流程19建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷3 测试原理测试装置的设计原理是,通过不同总线接口之间的转换电路与转换协议的设置,实现不同总线之间的数据自由转换,达到不同通讯制式系统间的设备配接适应的目的8。同时,采用基于F P G A(现场可编程门阵列)为测时核心的自动精密时间间隔测量技术,利用锁相环倍频和时钟分相技术,将测试的微小时间进行有序的分割、分段循环测量,实现1 0n s 1 0 0 m s之间的精确测量9。精密时间间隔测量模块在投入使用前可以自动进行校准。首先采用固定时间间隔测量的方法,把2个有固定时间间隔的信号分别传输至测量模块的监测通道,进行该时间间隔的测量,并实时进行记录、计算,得出平均值和实验标准偏差值。随后,将精密时间间隔测量仪的测量值与信号发生器的测量值进行比较,计算得出测量误差并存储。基于该计算值,装置每次计算时进行自动校准,以确保测量仪器在使用过程中判断测量误差是否限制在允许的范围内1 0 1 1。4 产品试制该测试装置的外壳采用防护等级为I P 6 8的仪表箱制成,装置整机由主控制系统、外部接口、通讯接口、外部扬声器、工作指示灯等几部分组成,测试装置样机如图3所示。图3 测试装置样机5 应用效果本文对通讯方式为C AN(控制器局域网络)的煤矿安全监控系统的甲烷超限闭锁、甲烷故障闭锁时间分别进行测试,测试结果满意,应用效果良好。煤矿安全监控系统异地断电时间测试结果见表1。表1 煤矿安全监控系统异地断电时间测试结果试验项目测试项传输速率/b p s甲烷浓度/%标准及要求断电时间/s甲烷超限闭锁测试12 0 00.5AQ6 2 0 12 0 0 6,监控系统甲烷超限闭锁执行时间不大于2s1.7 3 424 0 01.0AQ6 2 0 12 0 0 6,监控系统甲烷超限闭锁执行时间不大于2s1.5 4 348 0 01.5AQ6 2 0 12 0 0 6,监控系统甲烷超限闭锁执行时间不大于2s1.8 4 2甲烷故障闭锁测试12 0 0AQ6 2 0 12 0 0 6,监控系统甲烷故障闭锁执行时间不大于2s1.9 3 724 0 0AQ6 2 0 12 0 0 6,监控系统甲烷故障闭锁执行时间不大于2s1.9 4 348 0 0AQ6 2 0 12 0 0 6,监控系统甲烷故障闭锁执行时间不大于2s1.9 7 26 结 论本文通过对精密时间间隔测量技术和数字信号高速同步处理技术的研究,结合煤矿安全监控设备相关标准规定的性能检测、检验具体要求,提出一种智能化、全自动、精准度高的检测方法,开发了一种煤矿安全监控系统测试装置,满足对超限闭锁、故障闭锁等技术指标的全方位自动检测,达到减少在设备检测检验过程中人为因素影响检验结果的目的。参考文献:1 国家安全生产管理总局.煤矿安全监控系统通用技术要求:AQ6 2 0 12 0 0 6S.北京:中国标准出版社,2 0 0 6:5.2 王 鹏.煤矿安全监控系统智能化现状及发展J.能源与节能,2 0 2 3(2):1 5 3 1 5 5.3 煤炭行业煤矿专用 设备标准化技 术委员会.矿用分站:MT/T1 0 0 52 0 0 6S.北京:中国标准出版社,2 0 0 6:1 1.4 陈 强.提高煤矿安全监控系统智能化水平技术探讨J.煤矿机械,2 0 2 3,4 4(3):8 2 8 5.5 张 亮.煤矿安全监控系统与“一通三防”管理的预警联动研究分析J.西部探矿工程,2 0 2 2,3 4(1 0):1 8 8 1 9 0.29 第4期 姚玉维:煤矿安全监控系统断电时间检测技术研究6 马跃华.煤矿安全监控系统中W e b G I S系统总体设计及功能实现J.能源技术与管理,2 0 2 3,4 8(3):1 2 3 1 2 5.7 李铖翔.基于神经网络的煤矿安全监控系统优化研究J.煤炭科技,2 0 2 3,4 4(2):9 4 9 7.8 赵冬冬.关于煤矿安全监控系统的设计与应用研究J.矿业装备,2 0 2 3(2):1 2 2 1 2 4.9 邓 芳.煤矿安全监控系统常见误报警原因分析及防治措施研究J.西部探矿工程,2 0 2 2,3 4(1 1):1 7 9 1 8 0.1 0 李 志.煤矿安全监控系统“就地控制执行时间”探讨J.山西焦煤科技,2 0 2 2,4 6(1 0):5 3 5 6.1 1 温富成,徐辉东,武 杰,等.凿井绞车P L C集中监控系统设计与应用J.建井技术,2 0 1 5,3 6(2):5 3 5 5.39