礦井瓦斯參數(shù)在線采集系統(tǒng)設(shè)計

王哲

（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

0　引言

能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，煤炭資源作為我國能源結(jié)構(gòu)的主體，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步中起到舉足輕重的地位。近年來，雖然水能、風(fēng)能、核能、天然氣和太陽能等新興能源產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，但受我國能源結(jié)構(gòu)特點決定煤炭依然是國家能源安全的基石，在國民經(jīng)濟(jì)和能源結(jié)構(gòu)中的地位無可替代。在國家有關(guān)部門采取多項有效措施和國家科技投入不斷增加的大環(huán)境下，我國煤炭安全生產(chǎn)形勢雖然呈現(xiàn)逐年好轉(zhuǎn)的形式，但安全生產(chǎn)基礎(chǔ)薄弱、安全管理理念落后、地質(zhì)條件的復(fù)雜性和災(zāi)害種類的多樣性等多方因素限制，安全生產(chǎn)形勢依然不容樂觀[1]。嚴(yán)峻的安全生產(chǎn)形勢不僅威脅井下安全生產(chǎn)工作的順利開展，也嚴(yán)重威脅國家財產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)的安全，影響社會的穩(wěn)定和安全。

瓦斯災(zāi)害、粉塵災(zāi)害、水害和自然發(fā)火等是我國煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)過程中主要的災(zāi)害。瓦斯事故一直是我國煤礦重特大事故的第一位，瓦斯和煤與瓦斯突出礦井在我國煤礦中占有較大比例。隨著開采強(qiáng)度和深度的加強(qiáng)，瓦斯的涌出量將呈上升趨勢，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的數(shù)量將不斷增加[2-3]。因此，開展對礦井瓦斯參數(shù)在線采集技術(shù)的研究，為危及安全生產(chǎn)事故發(fā)生的可能性預(yù)測提供原始數(shù)據(jù)，提升煤礦井下安全生產(chǎn)現(xiàn)狀，避免事故的擴(kuò)大化。

1　瓦斯采集系統(tǒng)

瓦斯爆炸需要同時具備足夠氧氣、引爆火源和瓦斯?jié)舛冗_(dá)到上限三個條件，足夠氧氣（進(jìn)行安全生產(chǎn)必須具備足夠的氧氣）和引爆火源（0.28 mJ的能量就可引起瓦斯爆炸）這兩個條件是無法避免的，所以實時采集瓦斯參數(shù)，將瓦斯含量降到安全值之下是井下預(yù)防瓦斯爆炸的唯一途徑。利用催化物能夠使低濃度瓦斯在較低溫度下發(fā)生無焰燃燒，不同濃度的瓦斯在催化物作用下燃燒時產(chǎn)生的熱量差異，采集溫度變化引起電阻參數(shù)變化實現(xiàn)對瓦斯的含量檢測[4]。采用熱催化原理瓦斯傳感器為瓦斯檢測元件，以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心設(shè)計礦井瓦斯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

礦井瓦斯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由瓦斯傳感器、電源單元、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換單元、顯示單元、復(fù)位單元、時鐘單元、聲光報警單元、通訊單元、中央監(jiān)控系統(tǒng)和控制面板組成[5-8]。瓦斯傳感器采集瓦斯參數(shù)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過信號處理電路和A/D轉(zhuǎn)換單元后發(fā)送給DSP的信號輸入單元，DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算得到瓦斯含量值，在顯示單元上顯示出來，在瓦斯含量臨界超標(biāo)和超標(biāo)情況下進(jìn)行不同等級的聲光報警，同時經(jīng)過通訊單元實現(xiàn)礦井瓦斯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與井下中央監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。

1.1　DSP

DSP是將許多新興學(xué)科、新技術(shù)和新工藝集于一體的數(shù)字信號處理器，在計算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的推動下迎來高速發(fā)展的階段，同時其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展，不僅可以應(yīng)用到電動機(jī)控制、手機(jī)通訊、電動汽車系統(tǒng)管理等單一技術(shù)領(lǐng)域，也可以應(yīng)用到公共安全、工業(yè)控制和醫(yī)療器械等多學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域。

DSP是TI公司專業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字信號處理的芯片，利用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，降低了供電電壓和系統(tǒng)功耗，30 MIPS的指令執(zhí)行速度將指令的執(zhí)行周期縮短到30 MHZ，從而大大提升了系統(tǒng)的實時性和控制精度，片上具有看門狗電路，從而保證了系統(tǒng)的安全和可靠運行。對于數(shù)字信號處理是DSP系統(tǒng)的基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)信號處理器相比較DSP的優(yōu)點表現(xiàn)在：穩(wěn)定性好，DSP系統(tǒng)受周圍環(huán)境的干擾較小，抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠；方便程序讀寫，開發(fā)人員通過DSP系統(tǒng)中可編程芯片能夠方便、靈活對軟件調(diào)試、修改和升級等操作；接口兼容性好，DSP系統(tǒng)與現(xiàn)有基于數(shù)字技術(shù)的系統(tǒng)之間的兼容性較好，在與此類系統(tǒng)之間通訊和數(shù)據(jù)傳輸時要比模擬系統(tǒng)容易很多[9-10]。

1.2　電源單元

DSP雖然對內(nèi)核電源和I/O電源的上電順序沒有明確要求，但必須確保內(nèi)核電源和I/O電源必須同時處于上電狀態(tài)，否則將影響器件的長期可靠運行[11]。但從系統(tǒng)級別考慮，內(nèi)核的級別遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于I/O，如果內(nèi)核上電I/O未上電，系統(tǒng)沒有輸出，但如果I/O上電內(nèi)核未上電，則處理器的驅(qū)動/緩沖三極管處于未知工作狀態(tài)，因此，必須DSP工作時內(nèi)核電源必須同步或提前與I/O電源，同時必須在25 ms內(nèi)兩個電源的電壓達(dá)到額定電壓的95%。系統(tǒng)選擇TI公司專業(yè)DSP供電芯片TPS 70351為核心設(shè)計DSP電源單元，其引腳功能圖如圖2所示。

TPS 70351具有穩(wěn)定的相互獨立的雙路穩(wěn)壓信號輸出（一路輸出電流達(dá)1 A，另一路輸出電流達(dá)2 A），能夠指示第一路穩(wěn)壓信號輸出“POWER GOOD”，待機(jī)輸出電流小（僅為1 μA），具有手動和電壓自動監(jiān)測復(fù)位功能，具有快速的瞬態(tài)反應(yīng)特性和120 ms的復(fù)位延時，支持編程上電控制、使能控制和過熱保護(hù)功能。TPS 70351為DSP供電典型電路如圖3所示。Vout1輸出3.3 V電壓信號為DSP的I/O供電，Vout2輸出1.8 V電壓信號為DSP的內(nèi)核供電。為了保證DSP系統(tǒng)上電順序，將SEQ接到高電平，使Vout2的輸出優(yōu)先于Vout1的輸出[12-15]。

圖1　礦井瓦斯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of mine gas data acquisition system

圖2　TPS 70351引腳功能圖Fig.2 Pin function diagram of TPS 70351

圖3　TPS 70351為DSP供電典型電路Fig.3 Power supply circuit of TPS 70351 for typical DSP

1.3　信號處理電路

瓦斯傳感器依據(jù)溫度變化引起電阻的變化來采集瓦斯參數(shù)，由于瓦斯傳感器內(nèi)的載體催化元件在溫度變化情況下電阻的變化幅值非常有限，所以在濃度變化引起載體催化元件的輸出信號變化極其微弱，因此必須對信號進(jìn)行放大處理，才能在線采集到瓦斯參數(shù)。利用放大器和補(bǔ)償元件相結(jié)合設(shè)計瓦斯傳感器信號處理電路，如圖4所示。R1為載體催化元件，R2為補(bǔ)償元件，NI和N2為信號放大器，UREF為A/D轉(zhuǎn)換參考電平，UO為瓦斯?jié)舛却鼳/D轉(zhuǎn)換電壓信號[16-18]。

2　結(jié)語

瓦斯參數(shù)采集是煤礦井下安全生產(chǎn)工作的重中之重，直接關(guān)系到井下安全生產(chǎn)工作的順利開展和工作人員的生命財產(chǎn)安全。基于DSP設(shè)計瓦斯參數(shù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)瓦斯數(shù)據(jù)的在線采集、計算、顯示和數(shù)據(jù)通訊，為井下中央監(jiān)控系統(tǒng)決策提供原始數(shù)據(jù)支撐。

圖4　瓦斯傳感器信號處理電路Fig.4 Signal processing circuit of gas sensor