礦井水數據采集系統設計

馬 艷，尚秀全

(神木職業技術學院，陜西 神木 719315)

在煤礦中需要設置安全監測監控系統，及時建立穩定、精確、安全的采掘工作面的瓦斯爆炸監控系統，對生產過程進行實時監控，對瓦斯爆炸做好預警，提出有效的預防措施，是煤礦安全生產管理工作的重中之中[1-2]。煤礦安全監測監控系統的安裝與應用，對于控制煤礦瓦斯排放與利用起到關鍵的作用，通過具體設計與實驗對其進行改進和優化，證明可以延長通信距離，減少不必要的調制解調器、中繼轉發設備等，使通信設備得到優化，從而使其達到體積小、質量輕、性價比高、移動方便，能被更多生產單位所接受，使安全監控系統應用于礦井每一個角落，對礦井生產真正起到安全保障作用[3-4]。

1 井田邊界掘進工作面采空區積水利用

哈拉溝煤礦井田與11個煤礦相鄰，其中部分礦井已完成了與哈拉溝煤礦井田邊界處的回采[5]。為了確保安全生產，掘進井田邊界時需對存在的采空區進行探測，對采空區積水進行疏放。根據哈拉溝煤礦 22413回風巷邊界掘進經驗，邊界采空區水水質較好，若通過水質化驗達標，可通過清污分離將清水直接輸送至采空區過濾，作為生產或灌溉用水[6]。22413 回風巷布置示意如圖1所示，22410 回風巷富水區剖面如圖2所示。

圖1 22413 回風巷布置示意Fig.1 Layout of 22413 return airway

圖2 22410 回風巷富水區剖面Fig.2 22410 section of water rich area of return airway

2 煤礦水監測監控技術存在的問題

目前，在我國煤礦使用的很多早期安裝的監測監控系統處于淘汰、停產狀態，其主要原因是技術水平低，功能差。另外，傳感器安裝位置、安裝數量、傳感器的靈敏度、可靠度、監測閾值等不滿足要求[7]。一些礦井已經安裝檢測監控系統，但是由于通信等條件的限制，被監控地點一般是主回風巷、泵房、中心變電所、井底車場等固定生產地點，而對于瓦斯經常超限的采煤、掘進移動工作面則采用獨立式報警裝置(非網絡化，或局部網絡化)，或由安檢員流動檢查，不能把井下實際生產狀況全面地、實時地反映到井上中心控制室[8]。礦井構造復雜、通信距離長、通信線路與動力線之間容易發生信號干擾，使檢測監控系統網絡難以覆蓋礦井每個角落。監控設備復雜，數據信號需要調制及解調器或中繼轉發等工序，這給經常移動的采掘工作面安裝監控設備造成困難。目前需要的檢測監控設備應該具有結構簡單，容易拆裝、移動方便、通信距離長、抗干擾能力強、通信協議規范、互換性能好，其中首要問題是通信距離及通信方法[9]。

3 邊界采空區水回收利用

采空區水質檢驗報告見表1，采空區水樣合格，為提高礦井水利用率，采用清污分流方式進行。

表1 采空區水質檢驗報告Tab.1 Water quality inspection report of goaf

4 礦井的數據采集系統設計

在礦井水采樣后傳輸系統增加了機械控制、調劑功能(圖3)，信息輸入即將礦井下采集的信號傳感器采集后進行傳輸[10]。

圖3 通信距離實驗設計框架Fig.3 Communication distance experiment design box

礦井水監控系統組成如圖4所示，由多組傳感器將信號采集后，通過井下分站1～n將信號進行采集后并分配，通過安全柵將信號傳送至中心站主機，中心站備用主機、地面分站等。

圖4 礦井水監測監控系統的組成Fig.4 Composition of mine water monitoring and control system

4.1 煤礦水監測監控系統的功能

微機實時采集并傳輸、存儲、處理顯示、打印哈拉溝煤礦礦井水的采空區水質檢驗值，根據設定的的上/下限值進行實時報警和打印，微機通過視頻觀測主要場所的現場圖像，用于監測風門、饋電、風筒狀態，監測水樣的pH值等[11]。

4.2 數據采集與傳輸

由于煤礦水監測監控目標分散、距離遠、監測監控多，監控系統是一個多路遙測遙控系統。數據采集即通過不同傳感器把現場的環境、工況參數信息及時準確地采集。

4.3 通信距離設計

在用監控系統存在如下問題，被監控地點一般是主回風巷、泵房、中心變電所、井底車場等固定生產地點，而對于瓦斯經常超限的采煤、掘進移動工作面則采用獨立式報警裝置，或由安檢員流動檢查，不能把井下實際生產狀況全面地、實時地反映到井上中心控制室，不能實現對井下安全生產的全面監控[12]。主要原因是礦井構造復雜、通信距離長、通信線路與動力線之間容易發生信號干擾，使檢測監控系統網絡難以覆蓋礦井每個角落；監控設備復雜，數據信號需要調制及解調器或中繼轉發等工序；檢測監控設備品牌混亂、通信協議不規范，互換性差，給維護工作帶來不便。因此，檢測監控設備應該結構簡單、拆裝移動容易、通信距離長、抗干擾能力強、通信協議規范、互換性能好，其中通信距離及通信方法是首要問題。

4.4 軟硬件設計

通信實驗原理如圖5所示，本實驗由AT89C2051單片機發出信號，用MAX232將TTL電平轉換為RS232電平并通過導線與計算機串口相連。接收端是裝有VISUALBASIC——串口編程調試精靈通信軟件的計算機，用來讀取數據，并用GOS-620示波器來觀察接收波形[13]。

圖5 通信實驗原理Fig.5 Principle of communication experiment

4.5 RS-232串口實驗過程

實驗布置如圖6所示，實驗電路板如圖7所示。

圖6 實驗布置Fig.6 Experimental arrangement

圖7 實驗電路板Fig.7 Experimental circuit board

該機上電后，在2.2 kΩ電阻和22 μF電容的作用下，單片機的一引腳處產生一個大于10 ms的高電平，使單片機可靠復位。單片機復位后，自動從ORG0000H開始執行程序，首先，是使ZCM1601液晶顯示屏初始化，設置顯示參數、字體、光標形狀、清屏等工作；然后，根據對定時計數器及串口的設置，以1 200的波特率發射數據，并把波特率顯示在ZCM1601上。由于單片機串口發射的數據為TTL電平(0～5 V)，所以要通過MAX232或MAX202轉換為PC機串口所能識別的RS232(-15～+15 V)電平[14-15]。用長導線把單片機與PC機的串口連接起來(握手連接)，用示波器對比觀察發射端與接收端的波形，并在PC機上觀察接收數據的準確性。為了簡化硬件設計，只在單片機AT89C2051的P3.2(INT0)腳安裝1個按鍵，該按鍵通過5 kΩ上拉電阻接地，P3.2平時為高電平，當按鍵被按下時P3.2為低電平，即產生中斷。單片機每中斷1次，波特率即增加1倍，直至增加到19 200 b/s后，返回到1 200 b/s重新開始。

不同波特率測試如圖8所示，導線736 m，不同通信速率下的波形如圖9所示。

圖8 不同波特率測試Fig.8 Different baud rate test

圖9 導線736 m、不同通信速率下的波形Fig.9 Waveform of wire 736 m at different communication rates

經反復實驗，可得出不同波特率條件下測試，示波器可顯示出不同的波形，且其錯碼率也能得到測試。圖10所示的波形及錯碼率的測試表明：采用4 800、N、8、1的數據結構時，接收端的波形稍有畸變，錯碼率為0。通過采取礦井下方水質數據，采用清污分離方法，將采空區水排至哈拉溝凈水廠處理后作為礦區生活飲用水，為礦區供應約10萬m3飲用水，按照3元/m3計算，增加收益30萬元，同時緩解了礦區水源緊張局面。充分利用積水采空區與泄水巷道以及水倉高差，實施自流，可節約排水電費上萬元；充分利用現有管路，快速形成排水系統，疏放積水，消除隱患，節約安裝管路約6 800 m，按照 DN200 管路安裝費用 3 857元/hm計算，可節約費用26.2萬元。

5 結語

哈拉溝煤礦采空區水庫用傳感器采集水庫的水質信號后，實時傳送至系統并顯示，采用清污分離方法將采空區水排至哈拉溝凈水廠處理后，作為礦區生活飲用水，充分利用井下采空區的自凈功能。736 m的導線的實際應用也滿足通信要求。在上述條件下，可以直接采用RS232電平進行通信，不需要用RS485或RS422等電平進行轉換。在煤礦水監測監控系統中，可以利用上述實驗結論，適當簡化通信接口技術，同時保證通信距離及通信可靠性。