試論煤礦粉塵濃度監控系統

＊杜 芳

（晉能控股煤業集團地煤公司姜家灣煤礦 山西 037000）

煤炭和巖石等物質的細小顆粒都是粉塵的構成部分，粉塵可以出現在掘進、割煤、爆破、裝煤、運輸等多個環節，在一定濃度以下的粉塵對設備和人員健康的影響較小，但濃度過高將造成較大影響，而且會破壞周圍環境。因此，開展煤礦開采作業必須做好對粉塵監控。

1.煤礦粉塵濃度監控系統功能

利用不同工作環境的粉塵濃度傳感器采集粉塵溫度、濕度等數據，然后將采集的數據利用提前構建的通信網絡實時傳輸給上位機，上位機接收到數據信息后可根據當前粉塵濃度的實際狀況判斷是否要發出預警[1]。以此便可幫助相關人員了解當前煤礦粉塵的濃度情況，如果超標可立即進行處理，保障煤礦生產能夠順利、安全、穩定地進行。

2.煤礦粉塵濃度監控系統的設計

（1）系統構成。根據對某煤礦粉塵濃度監控系統的分析，系統中有粉塵濃度和溫濕度傳感器，連接傳感器的信號的調轉換電路、顯示模塊、執行模塊、報警模塊、通信模塊、上位機、中央處理器、電源、接收終端等。

（2）傳感器。傳感器由探頭、光電子倍增管、本安電源、5VDC穩壓電路、高壓發生器電路、光電流積分電路、轉換電路等構成（如圖1所示）。當帶有粉塵的氣體經過探頭時可獲取粉塵濃度的光信號，然后將光電子倍增管輸出光信號，光信號隨后被轉換為電信號，并將電信號傳向光電流積分電路，最后經過轉換電路向外傳輸。此處同時利用了平行采樣標定法，將一臺粉塵采樣器設置在觸感器旁，和傳感器同時測量粉塵濃度，且實時記錄濃度數據，以10組數據為標準，計算10組數據的平均值，傳感器將以該平均值測量粉塵濃度數據。

圖1 傳感器構成

（3）電源電路。該監控系統的本安電源共有三種類型，分別為5V、12V和18V，5V電源為系統的控制和顯示電路供電，12V電源為系統的報警電路供電，18V電源為傳感器電機供電[2]。為保護電路，避免系統出現短路、過流、過壓等故障，需將隔爆本安型直流開關電源安裝到系統電源前級，并直接連接井下交流電，并利用A/D轉型形成18V的直流電，直流電經過系統電源末級采用了集成穩壓器，可將18V直流電分別轉換為系統所需的三種的電壓，同時在電源電路并聯穩壓管，用以降低因內阻而導致熱損耗。這種電源電路的抗干擾能力比較優秀，可保持系統電源電路的穩定運行。

（4）中央處理器。該粉塵濃度監控系統中央處理器使用了MSP430F149芯片，這是一種16位的單片機，優勢是集成度高，功耗低，通過對PWM發生器、多功能模塊、電機驅動專用接口、兩相增量編碼器、I/O接口、ADC等模塊，可快速處理來自信號的調整轉換電路的粉塵濃度信號，然后經過通信模塊、上位機傳輸到后臺終端，最后經過后臺終端處理后傳輸向聲光報警模塊和顯示模塊，達到了提高系統靈敏密度的目的[3]。

（5）控制軟件。在軟件設計部分可充分利用模塊理念，通過初始化、參數配置、邏輯判斷、自我診斷、故障顯示、預警等模塊完善軟件功能。以圖2為例，該圖為粉塵濃度監控系統的程序流程，功能是初始化上電，通信控制和中斷定時器，完成全部操作后開始進入系統啟動倒計時，結束后開始檢測。圖3是中斷定時器的程序，可在獲取粉塵濃度數據后對比報警值，如果超出報警值則立即發出報警信號，同時結合通信控制對信號輸出加以控制。

圖2 系統主程序

圖3 定時器中斷程序

（6）可視化設計。目前在粉塵濃度監控的可視化設計中主要以網絡化監測為主，地面單微機監測早已被替代?？梢暬O計是煤礦粉塵監控系統中較為重要的部分，可直觀顯示各工作環節的粉塵濃度情況，進而為相關工作人員開展粉塵治理工作提供有效參考[4]。粉塵濃度監控的可視化設計可以通風系統的可視化設計同時進行，技術手段有KJ38、KJ66、KJ75等，結合現骨干資料可以得知，可視化設計對提升煤礦生產安全性具有十分積極的促進作用?？梢暬O計系統的構成有終端信號接收裝置、中心監控站、通信接口、井下分站、傳感器，主要使用兩種顯示方式，第一種為實時顯示粉塵濃度數據，第二種是在系統傳感器中呈現粉塵濃度圖形，都可將粉塵濃度實際情況呈現在監測人員面前，而且如果濃度超限也可以立即向報警模塊發送信息，報警的同時可顯示相應傳感器的位置。

（7）上位機設計。上位機通過通信卡和通信模塊連接中央處理器，粉塵濃度數據和圖形數據可顯示在上位機的顯示界面上，同時上位機可設置為不同監測點，并明確檢測閾值，以此在清晰后去各監測點對粉塵濃度狀況和閾值進行對比，令粉塵濃度變化情況更加明確。另外，還可在上位機中添加區分程序，比如利用紅色標注超出濃度閾值的數據，用綠色現實未超限的數據。

（8）數據庫設計。數據庫不僅可用于存儲粉塵濃度數據，而且是推動煤礦粉塵濃度監控信息化發展的必要手段。傳感器獲取粉塵濃度數據后，可同時向監控系統的上位機和下位機數據庫，然后可在數據庫中分別建立分成濃度的傳感器數據和基礎數據。在基礎數據下可分別設置煤礦信息、用戶登錄信息、預警信息以及粉塵濃度的過往數據，在傳感器數據下可設置監控點信息、粉塵濃度的實施數據（包括溫度和濕度）以及響應的位置信息（見圖4）。

圖4 數據庫設計

（9）實驗室試驗。系統設計結束后，應通過實驗室試驗進一步驗證系統的功能性，同時對系統進行完善。試驗可針對一段時間內粉塵濃度的變化情況，比如可以在白天的工作時間，以兩小時為時間節點，然后記錄每個時間節點的粉塵濃度變化情況，經過多次試驗后發現結果變化程度不大即可判斷為系統功能有效，如果出現過大差別的應梳理系統的每個模塊，尤其是傳感器、中央處理器等[5]。試驗完畢且達標之后才能真正用于煤礦的粉塵濃度監控中。

3.注意事項

第一，動態化監控。隨著煤礦生產作業的逐漸推進，工作環境實際情況在不斷變化，因此粉塵濃度情況也在發生變化，因此應用粉塵濃度監控系統應采取動態化監控的方式，并建立粉塵濃度的曲線圖，然后在系統數據庫中詳細記錄，以此為后續濃度監控以及相應治理工作提供有效參考。第二，完善網絡建設。由于煤礦實際環境的限制，完全實現信息化較為困難，但信息化建設不完善將影響系統功能，因此相關人員應積極克服困難，為系統應用提供有力支持。第三，對相關人員的綜合素質進行加強。這主要體現在以下兩方面。其一是系統設計人員，設計系統過程中應結合煤礦實際情況，使粉塵監控系統能夠充分滿足煤礦粉塵監控和治理需求。因此設計人員除了要具備基本的專業素養，還要具備全局性眼光，利用粉塵監控系統覆蓋煤礦生產的各個環節，避免出現監控不到位的情況。其二是一線工作人員，由于其需長時間處在高粉塵濃度的環境中，因此更應重視和監控系統的配合工作，除了做好個人防護工作以外，還應具備簡單的系統維護和維修能力，比如系統因為通信不良導致不能及時獲取粉塵濃度數據，那么一線工作人員應具備配合技術人員維修的能力，比如檢查接口是否松動、線路是否損壞等，以此保障系統穩定運行，同時也是在保護自身健康和生命安全。

4.結束語

綜上所述，結合煤礦實際情況設計粉塵監控系統，可清晰掌握每一時間段粉塵濃度的實際情況，然后可采取有效措施進行治理，以此便可為煤礦安全生產提供有力保障。本文首先介紹了系統功能，隨后分析了粉塵監控系統的各個環節以及試驗，最后闡述系統設計以及應用過程中的注意事項，以期可為相關人員提供一些有價值的參考。