井下分站

井下分站 篇1

目前国内绝大部分煤矿都已装备了矿井安全监控系统。矿井安全监控系统是煤矿安全生产、高产高效的重要保证。煤矿井下是一个特殊的工作环境, 由于有易燃易爆和腐蚀性等有害气体、淋水、潮湿、矿尘等环境因素的影响及电网电压波动大、电磁干扰严重、工作空间狭小、工作场所分散、地质条件复杂多变, 加之有些煤矿管理滞后, 作为安全监控系统中心处理单元的监控分站往往会出现性能参数不达标等一系列问题, 不能反映井下正常的监控状态, 最终导致对井下数据信息的误判, 从而对整个安全监控系统数据信息的准确性、系统运行的可靠性产生严重影响。

国家煤矿行业标准《MT-T1005—2006矿用分站》和《AQ6201—2006煤矿安全监控系统通用技术要求》中规定:监控分站性能参数一般涉及到甲烷超限断电时间、风电瓦斯闭锁、故障闭锁、模拟量信号采集误差和开关量信号输出等指标。笔者通过研究, 设计出一种能够在线检测煤矿井下监控分站性能的装置, 该装置可判断出相关的性能指标是否能达到国家安全标准规定的要求等, 如现场监控分站是否存在执行控制时间 (断电时间) 不能达到标准规定的小于2 s的要求、监控分站风电瓦斯闭锁功能是否不完全或不具备、故障闭锁功能是否不具备、模拟量信号采集误差是否较大或采集数据反应时间是否慢、实时性是否差等一系列问题。该检测装置为目前国内煤矿井下使用的监控分站提供了一种现场可行性的在线检测检验手段。

1 检测装置总体结构设计

该检测装置采用模块化结构设计, 整个系统由前端信号处理模块、核心处理模块、显示模块、电源模块4个部分组成, 如图1所示。

前端信号处理模块主要实现信号的采集与输出等功能, 由采集、输出、滤波、信号调理、数字通信等部分组成。核心处理模块主要进行数据的综合计算处理, 进行各种分析归类、逻辑处理等, 并配合前端信号处理模块和显示模块实现相关功能。显示模块主要进行数据的显示, 实现人机交互功能。电源模块作为检测设备内部本安性能的关键部分, 设计为本安供电电源, 不仅满足检测装置的大电流设计输出能力要求, 还具有低功耗、高效率的优点。

2 检测装置的系统设计

由检测装置的组成架构可知, 核心处理模块作为前端信号处理模块、显示模块之间的中枢协调单元, 完成数据的采集、处理和显示, 电源模块为其它各部分提供本安供电电源。

2.1 前端信号处理模块

前端信号处理模块主要完成信号的测量和输出功能, 包括对频率量信号、开关量信号的采集与输出, 测量输入通道设计为高阻抗输入, 测量安全可靠, 不影响被测设备工作状态。各端口之间采用特殊的隔离技术设计, 可以实现端口间不共地的测量或输出等。在信号采集模块采用了低功耗设计方法, 大大降低了系统的功耗, 延长了工作寿命。

2.2 核心处理模块

核心处理模块是检测装置的中枢, 主要对前端信号处理模块发出控制命令以进行数据交互, 还要协调显示模块实现数据显示和人机交互功能。

核心处理模块采用基于Xscale架构的超低功耗PXA270处理器。PXA270处理器是Inte1公司于2003年底推出的一款性能最为强劲的PXA27x系列嵌入式处理器。PXA27x系列嵌入式处理器基于ARMv5E的Xscale核心, 最高频率可达624 MHz, 配合嵌入式Linux或WinCE操作系统, 具有高性能、低功耗等优点, 广泛应用于以手持终端为代表的嵌入式系统开发中。

2.3 显示模块

显示模块采用分辨率为320×240 5.7寸TFT液晶屏, 其显示驱动部分由PXA270处理器内部自带, 可大大节省设计与调试工作量;显示颜色丰富, 美观大方, 人机交互功能强。

2.4 电源模块

电源模块的设计主要包括供电电池和本安保护电路的设计。由于检测装置的工作电流设计较大, 若采用简单的串接电阻进行本安保护设计, 则输出电流较小, 电池供电损耗较大, 效率低, 无法满足大电流供电的设计要求。因此, 笔者设计了一种新型本安保护电路。该电路具有大电流输出驱动能力, 损耗低、电池供电效率高, 且具有极快的过流保护速度, 在防爆火花试验中完全满足检测装置本安电源部分的设计要求。该本安保护电路的供电保护特性曲线如图2所示。从图2可看出, 本安电源短路保护的有效电流很小, 而负载驱动的电流能力很大, 满足设计需求。

3 检测装置研究与设计的关键问题

(1) 被检测设备不共地

检测装置在同时检测2路信号时, 如果该2路信号不共地, 而检测装置采集电路的内部电路共地, 检验时被检测的2个设备将自动共地, 这样就自动改变了被测设备的电气特性, 可能对被测设备的安全性、运行的可靠性造成影响。

要解决被检测设备的不共地问题, 同时检测的2路信号需要隔离, 这样就实现了不共地设计, 而且采用隔离设计的装置在进行测量时的安全性和可靠性能得到大大提高。

(2) 各接口之间和接口与内部电路间的电气能量叠加

检测装置的前端测量端口和输出端口之间, 包括与核心处理模块、电源模块等电路之间存在电容、电感的累积现象, 导致内部电容、电感对端口也具有很大影响。为保证各接口的本安特性, 满足现场检测的要求, 本文设计的检测装置前端各端口之间的电源和信号等部分全部采用隔离设计方法, 各端口之间相互独立, 互不影响, 设计的测量和输出端口完全满足煤矿井下检测的防爆本安要求。

(3) 检测装置和被测设备的灵活配接问题

由于研发生产煤矿井下监控分站的厂家很多, 型号不一, 本安参数性能指标各异。为实现对不同类型监控分站的检测, 检测装置的接口设计部分进行特殊的本安设计:接口电容、电感等本安参数与国内绝大部分厂家的监控分站相一致。另外, 考虑到各种故障状态下检测装置接口对被测设备的电气性能影响, 设计实现了与不同监控分站的灵活配接。

(4) 大电流低损耗本安保护电路的设计

检测装置的电源模块的设计不仅要满足防爆本安性能的要求, 而且还需要满足系统对电源的基本要求:① 具有大电流输出能力;② 供电具有高效率;③ 保护电路低损耗。采用普通的串电阻等限流方法无法实现上述要求, 因此, 笔者采用基于“打嗝”原理的设计方法, 可使本安保护电路满足上述要求, 且具有小巧、调试简单等优点。

4 结语

本文介绍的用于煤矿井下安全监控系统中监控分站的在线性能检测装置适于对目前井下监控分站基本性能指标等参数进行现场在线检测分析、辅助分站故障诊断或在线检查检修等, 可分析判断监控分站性能指标是否符合规定要求, 并可与不同厂家生产的监控分站灵活配接。该装置提高了解决监控分站问题的效率, 为煤矿井下提供了一种对监控分站进行在线检测的有效手段, 保证了煤矿安全监控系统运行的安全性、稳定性和可靠性。

摘要：提出并设计了一种煤矿井下监控分站在线性能检测装置, 详细介绍了该装置的结构组成、系统设计及设计中的关键问题。该检测装置可与不同厂家生产的监控分站灵活配接, 能够实现对监控分站各种性能指标的在线检测与分析功能, 有效保障了煤矿安全监控系统运行的可靠性。

关键词：煤矿,安全监控系统,监控分站,在线检测,本质安全

参考文献

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[2]梁秀荣, 朱小龙.煤矿安全监测监控系统有关问题的探讨[J].煤炭科学技术, 2006 (8) .

[3]赵立厂, 汪丛笑.基于ARM的新型矿用监控分站[J].工矿自动化, 2007 (6) .