基于传感器和电力载波通讯的煤矿生产监控系统设计.pdf

煤炭工程 2 0 1 2年第 1 2期 基于传感器和 电力载波通讯的 煤矿生产监控系统设计 彭灿 明 ( 罗定职业技术学院电子信息系，广东 罗定5 2 7 2 0 0 ) 摘要：文章介绍了一种新型的煤矿生产监控系统，该系统利用计算机数据分析处理功能结 合电力载波和传感器设备 ，对煤矿施工现场进行监控 ，能够监测煤矿现场的空气质量、瓦斯气体 成分、湿度 、是否发生渗漏等数据。该 系统的应用对确保生产的安全，为煤矿安全生产提供 了有 力 的保 障。 关键词 ：煤矿监控 ；计算机监测；传感器；电力载波 中图分类号：T D 7 6 文献标识码 ：B 文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 2) 1 2 - 0 1 3 2 - 0 3 De s i g n o n M i ne Pr o d uc t i o n M o n i t o r i ng a n d Co n t r o l S y s t e m Ba s e o n t he Se n s o r Eq ui pme n t a nd El e c t r i c Po we r Ca r r i e r PENG Ca nmi n g ( De p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n ，L u o d i n g V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e ，L u o d i n g 5 2 7 2 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e p a p e r i n t r o d u c e d a n e w mi n e p r o d u c t i o n mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m Wi t h t h e a n a l y s i s a n d t r e a t me n t f u n c t i o n s o f t h e c o mp u t e r d a t a c o mb i n e d wi t h t h e e l e c t r i c p o we r c a r r i e r a n d s e n s o r e q u i p me n t ， t h e s y s t e m wa s a p p l i e d t o mo n i t o r a n d c o n t r o l t h e mi n e c o n s t r u c t i o n s i t e a n d t o mo n i t o r a n d me a s u r e t h e mi n e a i r q u a l i t y ， mi n e g a s c o mp o s i t i o n， mo i s t u r e，a i r l e a k a g e a n d o t h e r d a t a T h e a p p l i c a t i o n o f t h e s y s t e m c o u l d p r o v i d e a p o w e r f u l p r o t e c t i o n t o t h e mi n e s a f e t y p r o du c t i o n Ke y wo r d s ： mi n e mo n i t o ri n g a n d c o n t r o l ；c o mp u t e r mo n i t o ri n g a n d me a s u r i n g ； s e n s o r ；e l e c t r i c p r o we r c a r r i e r 随着社会的发展和科技的广泛应用，煤矿机电设备已 广泛应用在矿井生产中，煤矿开采进入了机械自动化开采 的阶段。文章详细介绍了一种利用现有煤矿中的电气及相 关设备为通信工具，结合电力载波和传感器技术，实施对 煤矿安全生产的监控系统。该系统利用一些比较敏感的电 子元件和转换元件结合起来，使之能接收到所处环境中的 温度 、湿度、气体成分等环境因素信息，并可以按照一定 的规律将所接受到的信息转换成可用信号，而后人们对这 些信号进行处理和分析。电力载波传感器网络主要有电力 线及线上的载波节点构成，是一种特殊 的能 自组织的传感 器网络。其优点是能直接利用现有 的电力线网络，进行载 波信号的传输，而不需要另架设传输网络介质，从而大大 节约了网络建设成本。利用 电力载波技术和传感器技术 ， 实现对煤矿施工现场的全方位监控，确保生产 的安全，维 护煤矿机电设备正常运行具有重要的意义。 1 煤矿监控新系统的设计 煤矿监控新系统设计时，主要借用电力载波和传感器 信号采集的设计原理。电力载波是指利用电力线( 即通常说 的电线) 作为传输媒介 ，来传输数字信号。一般需要将模拟 信号转换成数字信号 ，再将数字信号转换成电力载波信号， 通过电源导线将信号传输至 目的端。目的端的转换设备再 将电源线的载波信号转换成数字信号在计算机的服务器对 数据进行分析，从而监控整个煤矿现场的情况，达到实时 监控的目的，为煤矿安全生产提供了有力的保障。 在该煤矿现场安全监控中，主要关注矿井的气体成份 ( 包含可燃气体成份) 、矿井的湿度等数据。对矿井气体成 份和湿度数据的采集主要通过传感器来实现。设计中主要 使用了四种传感器：可燃气体传感器、氧传感器、温度传 感器和水浸检测传感器。可燃气体传感器是一种能同时检 收稿 日期 ：2 0 1 20 41 3 基金项目：国家科技重大专项课题子课题( 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 0 0 0 6 ) 作者简介：彭灿明( 1 9 6 8一) ，男，硕士、讲师，现在罗定职业技术学院电子信息系主要从事计算机应用技术方面的教 学与科研工作。 1 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 2期 煤炭工程 测出 C O和 C H 两种气体的传感器；氧传感器可以先将气 体进行加温如高温环境或铂催化的条件下 ，使得氧化锆骨 外两侧的含氧浓度产生差值 ，此差值会促使出现 电位差 ， 且含氧的浓度差越大，电位差越大越容易被检测 出来 ；温 度传感器是先读人环境湿度值，计算其湿度参数而后在 目 标表中找到其匹配的湿度参数值 ，再将湿度参数值转换成 B C D码通过数模转换后 ，再经过 电力线传输至 目的端 ，而 后再进行模数转换得到数字信号传至服务器中，对湿度参 数进行分析 ；水浸检测传感器一般是将其放置在可能产生 水浸的地方 ，把这种传感器的信号变换器安装在感应电缆 的附近，用两芯线连接感应电缆和信号变换器。水浸检测 传感器能感测到煤矿井中是否发生渗漏，如果有漏水浸没 V 了该传感器 ，则会产生警告信号 ，同时该传感器所处位置 的灯变成红色、闪烁 ，并且发生蜂鸣器报警声音 ，输 出的 电力信号线被置于断开状态，此时电力线就会通过其载波 信号检测到此处发生水浸现象，会在服务器端产生警告信 号，引起监控人员的重视。 所有的传感器监测的数据信号，都是通过电力线 的载 波信号传输到服务器端，服务器端利用计算机来对监控数 据进行处理，从而达到对煤矿井场的实时监控，以维护生 产的安全。整个监控系统设计框架如图 1 所示。 可燃气体 传感器 氧传感器 湿度传感 水浸检测 传感器 模 数 转 换 装 置 务 器端 l 数字信号转换为 电力载波信号 通信 I 微控 l 信号 接口 l制器 I 调制 时钟 电力 线接口 电力载波信号转 l 换为数字信号 l 接口 I制器 l 解调 I J 线接口 时钟 图 1 煤矿 井场实时监控系统框架设计 图 电 九 线 从图 1 可知，通过传感器测得煤矿井场的数据信号 ， 数据信号通过模数转换后成为数字信号，再将数字信号调 制成电力载波的信号 ，最后将这些电力线能识别的载波信 号通过电源线传输至计算机服务器端的电力线接口处。该 接口处的电力线信号经过信号解调，将电力载波信号转换 为数字信号 ，通过通信接 口经模数转换设备转换成数字信 号传输到计算机服务器端。计算机服务器再对这些数据进 行分析 、处理 ，从 而达 到对井 场 现场数 据 的实 时监控 。对 于图 1中所使用 的所使用的湿度传感器和气体传感器 ，其 设计原理如图2所示。 Vc VH GND 图 2 传感器原理图 VR L O 2 设计中需要注意的问题及应对措施 传感器选用时要注意其环境适应能力，一般煤矿开采 现场环境 比较恶劣，尘埃或油污比较多容易使得传感器积 碳 、 湿度 比 较重容易使其受腐蚀。水浸传感器 由于传感器 表面完全被水浸 ，使用期间容易失灵等。针对这些现象提 出的解决措施有：在可燃气体传感器和氧传感器表面形成 积碳的时候，会使得外部气体进入到传感器内部，导致传 感器输出的信号失真，从而传感器的 E C U不能准确的修正 空燃比。这时需要为这种传感器加上防护罩，使其尘埃被 挡在外面， 另外将该传感器至于通道的顶部 ，因为氧气相 对矿井内的其他其他来说原子量 比较重，有害气体一般就 会聚集到矿井通道的顶部，且顶部的尘埃也较少，能很好 的保护传感器不被损坏。对于湿度传感器和水浸检测传感 器使用的时候 ，该类传感器的引线要相对长一些，不能让 电力线接 的太低。因为电力线接 的太低，一旦出现水浸 ， 电线就会浸到水中，从而产生安全隐患。一般将这两种传 感器安装在有可能产生渗水的地方 ，这样一旦出现渗水问 题就可以及时发现，设计时能让其 自动断电，从而保证不 会出现意外现象，除出安全隐患。 该设计的监控系统其信号传输主要是使用电力载波信 号，因此设计使用范围必须在一个配电变压器区域范围内 使用，这样可以避免配电变压器对电力载波信号的阻隔。 1 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 2年第 1 2期 选择电力载波信号传输的线路，一般选取单相电力线上传 输，避免了在三相电力线间的信号损失。另外通过电力线 载波信号来监控矿井现场时，由于当电力线空载的时候， 其点对点的载波信号传输距离可达十来千米远，而电力线 负载比较重的时候，其载波信号传输只有几十米远。因此 选择电力线上是空载的时候，如下班休息时或午间休息时， 来进行数据的采集 。 3 煤矿监控新 系统的应用 根据第二节设计原理，设计一套煤矿监控新系统。整 个系统由数据采集和数据分析两部分来构成 ，数据采集部 分主要是负责采集煤矿井场内部的空气质量数据和湿度与 渗漏的数据。整个监控系统数据采集、处理的流程如图 3 所示 图 3 煤矿监控新系统数据处理流程图 在计算机服务器端收到电力线传输过来的数据，通过 计算机软件对数据进行处理和分析，如果采集的数据明显 异常，则需要进行重新采集 ，否则将处理分析的结果在监 测系统中显示出来。 整个监测新系统充分利用了传感器数据采集和电力载 波数据传输技术，能够全天候二十四小时的自动监控，监 控的范围可以达到近十公里的范围内，能够监测煤矿井场 的空气质量、瓦斯气体成分、湿度、是否发生渗漏等数据。 这些数据是煤矿安全生产的首要分析处理对象，为确保生 产的安全提供了有力的保障。 4 结语 利用煤矿生产中现成的电力线作为数据传输介质，将 传感器采集到的数据经过模数转换后 ，传输至电力线上 ， 】 3 4 经由电力线的电力载波信号发送到计算机监控端 ，对煤矿 井场的数据进行处理和分析，为确保安全生产提供了有力 的保障。 在新监测系统中加入 自动监控功能，对各类故障或异 常情况进行报警异常 ，为用户提供多种报警方式。如井场 内部发生漏水的时候 ，水浸检测传感器会采集到相关的数 据，将数据传输至服务器端，服务器维护和监管人员就会 看见警告信号，原先警告显示的灯由绿色变成了红色，且 不断闪烁，输出为短路状态，同时蜂鸣器发生报警声。一 旦漏水现象消失 ，则警告显示灯由红色变成绿色，等不再 闪烁，输出为开路 ，也不会有蜂鸣器的响声。同时将监控 系统中监控的数据与值班人员的手机绑定，也将异常紧急 需要处理的数据发送至控制中心，有必要的时候可以扩展 其功能与当地的 1 1 0紧急呼救系统通过计算机服务器进行 联网处理 紧急事故 ，为煤矿安全生产提供 了有力 的可靠 保障。 整个系统设计的创新点：充分利用了现有的传感器技 术，对煤矿井场内部的空气质量、瓦斯气体成分、是否发 生渗漏等数据进行采集，同时借用已有的电力线作为载波 信号将数据传输至计算机服务器端进行实时的监控。这是 该文的亮点，值得同行借鉴。 参考文献： 1 尹亚云煤矿生产视频监控 网络系统在现代化矿井中的应用 A 煤矿机电一体化新技术 2 0 1 1 学术年会论文集 c ， 2 01 1 詹圣红 电力线载波 技术在 设施监 测系 统中 的应用 D 上海交通大学 ，2 0 0 8 0 5 2 2 W e n g u a n g S o n g T h e Re s e a r c h o f On e S e l f Ad a p t Wi r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k Ra t e F l o w C o n t r o 1 NS W C TC 2 0 0 9 T a b l e o f C o n t e n t s V o l u m e 一2 E 1 2 0 0 9 0 4 2 6 72 6 9 李克共轨式发动机控制单元( E C U ) 的研究 D 天津 大学 ，2 0 1 0 KANEKO H ， OK AMURA T， TAI MATS U H C h a r a c t e riz a t io n o f z i r e o n i a o x y g e n s e n s o r s wi t h a mo l t e n i n t e r n a l r e f e r e n c e f o r l o w t e mp e r a t u r e o p e r a t i o n S e n s Ac t u a t B 2 0 0 3， 9 3：2 0 5 2 0 8 C h e n X i a n( 1 a ，2 ) ，T a n g J i h a i ( 1 a ) ，C u i Mi f e i 一( 1 a ) ， Q i a o X u (1 b) ( 1 a C o l l e g e o f C h e mi s t r y a n d C h e mi c a l En g i n e e ri n g， b S t a t e Ke y La b o r a t o ry o f Ma t e ria l s Orie n t e d C h e m i c al E n g i n e e ri n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ，2 N a n j i n g T O P C h e m C o ，L t d ， N a n j i n g 2 1 0 0 4 7 ，C h i n a ) 微米 c eC uK R e Y催化剂 上氯化 氢氧 化反应动力学研究 A 全国博士后微纳米粉体与材料应 用技术交流会论文集 c ， 2 0 0 9 张 宏基 于 WE B嵌 入 式 的 矿井 远 程 监 测 系 统 的设 计 J 煤炭技术 ，2 0 1 1 ，( 1 O ) ：9 81 0 0 ( 责任编辑赵巧芝) l nl l寸l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m