潞安集團王莊煤礦井下爆破安全監控系統的設計研究

任 剛

（長治市煤炭安全信息調度中心，山西 長治 047100）

煤礦井下爆破安全問題一直備受業內人士關注[1]。起初煤礦井下爆破的安全管理由特定人員完成，極易因工作人員疏忽而出現事故，之后科學技術的進步逐步出現了智能控制系統，大大提高了井下爆破的安全性和煤炭開采效率[2-4]。不同煤礦的井下地質條件存在差異，使得井下爆破安全監控系統的設計工作較為復雜，而且必須根據煤礦的實際情況進行設計才能取得更好的應用效果[5-6]。因此基于潞安集團王莊煤礦井下安全監控系統應用現狀，設計井下爆破安全監控系統，對于提高井下爆破安全監督系統適應性具有重要的意義。

1 安全監控系統需求分析

為了保證井下爆破時人員與設備的安全，須保證爆破之前工作人員處于安全區域，同時確保井下環境中的氣體濃度處于規定的范圍內。為了實現上述功能要求，擬設計安全監控系統中包括人員定位模塊、氣體檢測及超標報警模塊、遠程通信模塊等。其中，人員定位模塊能夠確保井下爆破之前人員處于安全區域；氣體檢測及超標報警模塊能夠實時觀察井下氣體的濃度及變化趨勢，一旦超標立即報警；遠程通信模塊實現井上與井下工作人員的信息溝通，實現井下安全狀況的遠程監控。

2 安全監控系統設計

2.1 總體方案

隨著潞安集團王莊煤礦開采深度不斷增加，井上計算機和井下監控基站之間的通信越來越困難。工業以太網具有遠距離信息傳輸能力強的優勢，逐漸引起了人們的關注。礦井內部條件較為惡劣，空間結構復雜多變，井內基站與分站之間的通信與信息共享采用了CAN 總線。分站中配置標示卡讀取模塊，能夠識別井下工作人員佩戴的標示卡信號，進而確定其所在區域，同時配置氣體實時監測模塊，顯示井下氣體的濃度，一旦氣體濃度超過規定的安全范圍，立刻報警并且終止爆破作業。井下基站需要設置監控人員，以防安全監控系統出現問題導致事故。井下爆破作業開始之前井下的所有檢測數據均傳輸至井上計算機進行顯示處理，進而實現井上工作人員對于井下環境的實時監視。安全監控系統總體方案如圖1 所示。

圖1 安全監控系統總體方案

2.2 硬件設計

井下爆破安全監控系統的硬件結構如圖2 所示，主要由人員定位功能模塊、氣體實時監測與報警功能模塊、基站控制功能模塊和CAN 轉工業以太網功能模塊組成。其中的人員定位功能模塊主要由射頻信號的發送和接收模塊組成，以便實現井下工作人員的定位功能。氣體實時監測功能模塊主要由傳感器、調理電路及CPU 組成，實現井下氣體接收、A/D 轉換、數據傳輸功能，同時由蜂鳴器和警示燈實現井下氣體超標報警。基站控制功能模塊能夠實現井下環境的實時顯示以及井下爆破工作調整功能。CAN 總線轉工業以太網功能模塊主要是完成CAN 總線與工業以太網之間的信息傳輸。

2.2.1 射頻芯片選型

人員定位系統中包括射頻發送和射頻接收兩種功能，考慮芯片工作的穩定性、抗干擾性、經濟性，選擇一對型號為nRF24LE1 和nRF24L01+的芯片。井下工作人員佩戴nRF24LE1 芯片，能夠發出射頻信號，讀卡分站配置nRF24L01+芯片，用于接收前者發出的射頻信號，進而傳輸至基站和井上計算機。

2.2.2 傳感器選型

傳感器主要應用于氣體監測及報警功能模塊的信號采集，涉及甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、硫化氫傳感器等。其中甲烷傳感器選用靈敏低耗的SS-1.1A 型傳感器，一氧化碳傳感器選用性能穩定、靈敏耐用的CO/MF-500 型傳感器，硫化氫傳感器選用性能穩定、靈敏低耗、使用壽命較長的NT-H2S型傳感器。

圖2 系統硬件框圖

2.2.3 芯片選型

氣體監測芯片使用環境較為惡劣，需要嵌入井下分站內部，因此進行芯片選型時需要充分考慮芯片的體積大小、集成度、能源消耗、數據處理效率、I/O 接口擴展性、性價比等因素。綜合考慮選擇型號為C8051F040 的單片機，其外圍配置簡單，工作穩定性高，抗干擾性強，能夠適應煤礦井下復雜的工作環境。

確定選用型號為ENC28J60 的以太網芯片。該類型以太網芯片使用的是國際IEEE802.3 協議，自帶SPI 接口，能夠接收井下輸送上來的各種數據信息，具有很好的兼容性，適合于在煤礦井下惡劣的工作環境使用。圖3 給出了ENC28J60 型以太網芯片的結構及引腳。

圖3 ENC28J60 型以太網芯片的結構及引腳

2.3 系統軟件設計

2.3.1 人員定位程序

人員定位程序具有標示卡射頻發送和讀卡分站射頻接收兩個功能，前者程序主要是將工作人員位置信息發送至讀卡基站，而后者收到射頻信號之后對相關信息進行處理，將處理結果發送至井下基站。nRF24L01+芯片不僅能夠讀寫控制程序，還具有很好的程序存儲功能，能夠實時處理來自標示卡發出的射頻信號信息，其具體的控制流程如圖4 所示。

圖4 人員定位控制流程圖

2.3.2 數據采集程序

井下數據信息的采集主要由傳感器完成。以氣體監測傳感器為例，當傳感器接收到氣體濃度信號時，通過A/D 轉換模塊對氣體數據進行轉化處理，將氣體濃度轉換成電壓或者電流信號，比較監測氣體濃度和標準規定值，判斷井下氣體濃度是否超標。如果超標發出報警信號，否則繼續采集氣體數據，持續進行氣體濃度監測。

2.3.3 通信程序

煤礦井下采集的數據涉及工作人員信息和氣體監測數據，其通信過程如下：井下基站→CAN 總線→以太網→井上計算機→數據處理→基站控制。當井下向井上傳輸數據信息時，位置信息首先發送至CAN-Tx-flag，之后進入傳輸循環。系統狀態顯示1 時代表存在位置信息發送，若顯示0 則代表無位置信息發送。井下信息傳輸至井上的過程中使用了輪詢判斷方法，采用了CAN 總線中的CANTransmit（CAN1，&g-tCanTxMsg）判斷函數，數據存儲由g-tCanTxMsg 完成。井下傳輸上來的人員和環境信息輪詢監測之后對井下基站發出指令信息，以實現井下人員和環境的遠程監控目的。

2.3.4 CAN 轉以太網程序

井上和井下數據通信依賴于工業以太網和CAN總線。CAN 轉以太網程序主要實現工業以太網和CAN 總線之間數據的共享傳輸，保證井下數據能夠順利傳輸至井上計算機進行處理分析，也保證井上控制信息能夠快速傳輸至井下控制基站。井下CAN總線采用的通信模式為半雙工通信，通信順暢性由計算機配置的TCP 協議保障。上行通信時CAN 總線優先接收井下人員與環境信息數據，之后執行CAN 總線中斷程序，將接收到數據信息存入緩沖區，執行TCP 協議把相關數據輸送至井上計算機。下行通信時，以太網需要接收來自CAN 總線的數據，將數據緩存于以太網，之后將數據經CAN 轉以太網模塊發送至CAN 總線，實現井上控制信息傳輸至井下基站。

3 安全監控系統綜合測試

綜合測試過程中需要設置相應的參數值，以太網傳輸參數可以由調試助手完成，實現井上計算機與井下分站之間的數據傳輸。測試開始先將系統初始化，待工作人員配帶標示卡發出位置信號時，井上計算機可以通過接收人員的位置信息，判斷其是否處于安全區域，同時也能夠根據井下氣體檢測數據判斷井下環境是否安全，如果環境安全即可發出爆破指令。如圖5 給出了系統綜合測試過程中計算機顯示得到的結果，可以看出系統在模擬環境中能夠穩定可靠工作，達到了預期的設計效果。

圖5 綜合測試顯示結果

4 結論

煤礦井下爆破監控系統完成了各個模塊的硬件選型和軟件設計。測試結果表明，系統穩定可靠，能夠實現井下爆破監控的功能，提高了爆破的安全水平。