基于多參數的煤礦井下避難硐室傳感器設計

莫志剛,李 軍，梁光清，張遠征

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

0 引言

近年來，國家對煤礦井下避難場所(如井下移動式救生艙、避難硐室)越來越重視。在狹小空間及配電條件有限的情況下，實時監測各環境參數對煤礦的安全生產與保障礦工的生命安全尤為重要。國家安全生產監督管理總局、國家煤礦安全監察局下發了《煤礦井下緊急避險系統建設管理暫行規定》：“作為緊急避險設施的避難硐室應具備環境監測、通信等基本功能，在無任何外界支持的情況下，額定防護時間不低于96 h。配備獨立的內外環境參數檢測或監測儀器，在突發緊急情況下人員避險時，能夠對避險設施過渡室(艙)內的氧氣、一氧化碳，生存室(艙)內的氧氣、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、溫度、濕度和避險設施外的氧氣、甲烷、二氧化碳、一氧化碳進行檢測或監測。”2011年，中國礦業大學孫繼平[1]教授論述了煤礦井下避難硐室與救生艙關鍵技術，避難硐室與救生艙宜配備便攜式氧氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、溫度、濕度等檢測儀。2015年，張建中[2]等介紹了一種煤礦井下避難硐室環境監測系統的設計方法,從總體上對監測系統的結構組成及工作原理進行了闡述。

目前，可用于煤礦井下環境檢測的傳感器種類繁多，但大都為單一參數檢測傳感器。這類傳感器由于監測參數多而存在安裝數量多、鋪設電纜多、安裝維護不便等問題。考慮到硐室供電備用電源容量限制，硐室空間有限，設備應具有低功耗、低復雜度和小體積的特點[3]。針對以上特殊需求，有必要設計一種實用的避難硐室多種環境檢測參數礦用傳感器。

1 避難硐室傳感器設計要求

1.1 設計目標

避難硐室用多參數傳感器(以下簡稱傳感器)主要用于監測煤礦井下人員活動區域的環境參數，包括氧氣濃度、大氣壓力、環境溫度、相對濕度、瓦斯濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度，實現環境參數的顯示、預警。通過RS-485轉換模塊，實現數據通信及數據上傳功能。設備應具有體積小、鋪設電纜少、安裝維護方便等特征[4]。

傳感器主要應用場所包括避難硐室、井下人員休息室以及井下應急避難場所等特定區域。

1.2 關鍵技術指標

傳感器的關鍵技術指標如下。

①工作電壓：9～25 VDC。

②測量范圍指標：甲烷體積分數為0～100%；一氧化碳體積分數為0～0.1%；二氧化碳體積分數為0～5%[5]；氧氣體積分數為0～25%；溫度測量范圍為0～50 ℃；壓力測量范圍為-5～0 kPa；濕度測量范圍為0～100%RH。

③輸出信號：信號制式為RS-485；波特率為2 400 bit/s。

2 避難硐室多參數傳感器設計

傳感器主要負責監測避難硐室內部環境參數，實現數據的就地顯示、報警功能，并將監測數據上傳至監控分站[6-7]；用戶瀏覽從機的監測數據。多參數傳感器包括傳感探頭、信號輸出電路、液晶顯示模塊以及聲光報警及遙控單元[8]。

①傳感探頭。7個參數監測傳感探頭(含元件處理電路)，用于監測各環境參數。

②信號輸出電路。傳感器主機配有1路RS-485通信接口，負責與監控系統分站(或者信號轉換器)、數據顯示屏通信；擴展1路通用數據接口，備用于外接其他類型傳感模塊，如氣體、溫度、壓力、流量等標準傳感模塊；也可輸出控制信號，連接聲光報警類設備[9]。

③液晶顯示模塊。采用OLED顯示屏，顯示所有測量參數、實時時鐘及電池電量，工作溫度范圍為-40～+70 ℃。

④聲光報警及遙控單元。該單元用于參數超過設定界限時發出報警信息，負責傳感器非開蓋參數的設置及操作。 避難硐室多參數傳感器原理圖如圖1所示。

圖1 多參數傳感器原理圖 Fig.1 Schematic diagram of multi-parameter sensor

微處理器擬選用TI公司的Cortex-M4F系列ARM處理器，數據處理能力強，可同時實現2路通道A/D采樣，分辨率為12位；具備8個UART、6個I2C、4個SPI，能滿足本項目對微處理器的需要。開關電源擬選用TI公司的LM25010，工作穩定性好、效率較高。

傳感探頭采用模塊化設計。各元件模塊獨立工作、自帶元件性能參數，采用電磁等外界干擾處理，避免由外界因素導致的誤報。

甲烷、二氧化碳探頭采用E2V的紅外甲烷元件和紅外二氧化碳元件[5]。一氧化碳元件采用CITY公司的4CM系列。氧元件采用阿爾法公司的O2-A2系列。溫度元件采用瑞士盛思銳公司的SHT75系列，可滿足溫度、濕度測量，精度均滿足行業標準要求。壓力元件采用飛思卡爾的MPX2200A元件。硫化氫采用CITY公司的4H系列元件。避難硐室多參數傳感器結構圖如圖2所示。

圖2 多參數傳感器結構圖 Fig.2 Schematic diagram of multi-parameter sensor structure

3 避難硐室內外環境參數檢測應用

現場應用設備主要由避難硐室多參數傳感器、數據內外顯示屏、信號轉換器等組成。

避難硐室多參數傳感器主要用于監測避難硐室內部環境參數，并向監控分站、顯示屏、信號轉換器發送監測數據[9]。

數據顯示內外屏主要用于接收、顯示傳感器主機發送的監測數據。室外顯示屏置于避難硐室外，可顯示硐室內部各環境參數情況；室內顯示屏置于避難硐室內，可顯示硐室外部各環境參數情況。數據顯示屏采用點陣LED模塊組成漢字點陣顯示屏，參數信息采用單行滾動顯示方式，以減少點陣數量、減低系統功耗。

信號轉換器主要用于將傳感器主機發出的RS-485信號轉換成相應頻率信號或電流信號，以接入不同廠家生產的監控系統[10]。轉換器收到避難硐室多參數傳感器發送的RS-485數字信號，將信號解析為不同環境參數的監測數據，并將數字信號轉換成對應多參數量程的頻率(200～1 000 Hz)或電流(4～20 mA)模擬信號，傳輸至上位機監控分站。應用框圖如圖3所示。

圖3 多參數傳感器應用框圖 Fig.3 Application block diagram of multi-parameter sensor

4 結束語

硐室環境監測系統監測參數較多，采用傳統單參數傳感器監測的方式存在安裝傳感器多、鋪設電纜多、安裝維護不便等問題。對此，提出了一種針對避難硐室多參數傳感器的設計方案。該傳感器具備高精度、多參數、小體積、低復雜度和低能耗的特點。與以往單參數傳感器組成的環境監測系統相比，該傳感器完善了礦井應急救生系統，并使其與煤礦安全監控系統融為一體。自該多參數傳感器推向市場以來，受到了煤礦用戶的廣泛關注。目前，該傳感器已在山西朔州、烏海新街、山東淄博等地的煤礦逐步推廣使用，應用效果良好。

參考文獻:

[1] 孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關鍵技術研究[J].煤炭學報,2011(5):713-717.

[2] 張建中,張超,于洪緒,等.煤礦避難硐室環境監測系統的設計[J].煤炭技術,2015(1):272-274.

[3] 劉亞輝.基于KJ90監控系統的避難硐室用備用電源設計[J].煤炭技術,2017(2):274-277.

[4] 呂治忠,王瑞成,李孝常.鉆井多參數監測系統的設計[J].自動化儀表,2010(5):31-33.

[5] 趙慶川.基于紅外技術的全量程CO2傳感器設計[J].自動化儀表,2016,37(12):79-81.

[6] 徐雷.救生艙環境控制系統的設計優化與實驗研究[D].南京:南京航空航天大學,2015.

[7] 張世濤.煤礦避難硐室壓風除濕試驗研究[J].煤炭技術,2016(7):155-157.

[8] 張建中,張超,于洪緒,等.煤礦避難硐室環境監測系統的設計[J].煤炭技術,2015(1):272-274.

[9] 劉文強,顏靜,郭斌.礦用避難硐室環境綜合監測與通信傳輸系統設計[J].電子質量,2012(9):37-39.

[10]孟憲禹.監測監控系統在避難硐室中的應用[J].硅谷,2012(22):10-12.