1 引言
随着国家对煤炭安全标准的逐步完善以及煤矿工人安全意识的不断提高,煤矿的安全检测成为了煤炭安全生产中重中之重,由于井下环境复杂,布线问题困难,智能、可靠的检测设备可以大大的减少煤矿事故的发生。
据统计,我国煤炭行业发生2起重大事故均为瓦斯爆炸,瓦斯是煤矿开采的伴生物,极大的影响煤矿的安全生产[1]。因而做到边开采、边控制瓦斯溢出量,使用自动化的无线的传感网络代替繁琐复杂的布线,已经成为目前煤炭行业研究的热点。本文提出了一种基于无线瓦斯传感器网络来实现采煤机的自动控制。
在生产过程中自动采集这些数据并有效进行技术集成,然后把相关信息实时反馈指令传递给采煤机的支架,确定合理的采煤机割煤速度及移架速度,可以有效防止工作面瓦斯集聚,保证工作面安全,降低人工操作的失误,提高生产效率和机械化开采水平。
2 系统整体设计
核心采用Mega48V是ATMEL公司生产的8位单片机,通过无线模块收集各个无线传感器网络模块发送来的数据,然后通过数据集成对数据进行处理, 可以在显示电路上显示各组传感器的数据以及可观测数据变化曲线,并且达到一定报警值发送控制信号给采煤机速度,保证井下的煤炭的安全开采,系统框图如图1所示。
3 无线瓦斯传感器网络模块系统设计
核心采用Mega48V是ATMEL公司生产的8位单片机,催化燃烧式气敏元件将瓦斯信号转换成微小的电压信号,通过运算放大器将小信号放大,送入到微处理器,因为我们选择的单片机具有内部的A/D转换器,给我们的设计上减少了外部转换的麻烦,对经过转换后的数字信号利用PID、模糊控制算法进行处理,然后转换成浓度信号,显示出来[2]。如果超过报警范围,在无线传感器网络模块的出现声光报警,如果超过极限报警值会对关闭甲烷传感器的采集,有效的保护传感器。并且可以通过无线网络实时的把处理后的数据发送住主控器。系统框图如图2所示。
4 系统硬件电路设计
4.1 传感器选型
MJC4载体催化元件是用来检测空气中低浓度甲烷的敏感元件,可在有煤层及瓦斯爆危险环境中使用。它具有测量精度高、重现性好、调校周期长、寿命长的特点[3]。广泛用于煤矿的甲烷报警仪、甲烷传感器、断电仪、报警矿灯中,能准确测量矿井中瓦斯的浓度,元件的各项指标均满足安全生产行业标准(AQ)各项技术要求。 MJC4载体催化元件主要技术指标:
工作电压MJC4/2.9J 2.9V
电流型号DC 90mA
灵敏度:≥15mV/1%
基本误差测量范围(%CH4) 0～1 >1～2 >2～4
允许误差绝对误差(%CH4) ±0.06
相对误差(％) ±6 ±7
工作环境:温度0～40℃;相对湿度45～75％;
大气压力80～116kPa
4.2 报警电路设计
在无线瓦斯传感器模块中设计了报警电路,可对各个模块在分布区域出现瓦斯浓度超标及时报警,也可以将报警信号传给主控电路,使之采取相应措施,来控制采煤机的割煤速度,如果报警一直无中断,用来提前紧急预防分布在模块周围的区域出现瓦斯浓度过高,瓦斯爆炸事件,减少事故发生率,通过Mega48V的I/O管脚与LED1、LED2、LED3、SPK连接来控制声光报警。如图4所示。
4.3 通信模块设计
本设计中系统采用11.0592MHz晶振,波特率采用1200b/s。串口是本系统与外界通信的唯一通道,通过RS-232串口单片机系统可以和PC机进行通信,如图5所示。可以从PC机下载最新的数据,也可以将检测结果上传至PC机[4]。由于每一个甲烷传感器的参数都不完全一样,所以需要将系统放入标定环境中,通过串口由PC机进行标定,这样既提高了效率又保证了精度和标定过程中的安全性。
5 系统软件的设计
在系统上点或者复位后,微处理器会读取EEPROM中提前预设值好的标定值,然后开始调用无线瓦斯传感器采集来的数据,并且将采集来得模拟数据经过数模转换,对数字信号进行处理。并加以滤波、插值等数据处理,提供我们检测数据的精度,然后将检测到的数据与标定值相比较,看浓度是否超过标定值,如果超过标定值,会发出报警信号,声光报警[5]。如果超过极限值,控制器会发出信号停止数据采集,令一方面也会上传数据给主控器,使主控制动作,控制采煤机的割煤速度,系统主流程图如图6所示。
6 结束语
本文针对井下开采设计的无线瓦斯传感器网络的采煤机自动控制系统,本系统采用了分模块化设计,可以在井下布置多个无线瓦斯传感器网络区域,确保安全可靠的生产。并且各个子单位都可以进行声光报警和现实浓度值,并且可以实时的与主控器通信,确保采煤机的速度,使瓦斯爆炸事故降到最低。本设计具有微型化,智能化,并具有高的可靠性。
参考文献:
[1] 杨帮文.现代新潮传感器应用手册[M].北京:机械工业出版社,2006.
[2] 成永红.电力设备测量-传感与测控技术[M].北京:中国电力出版社,2003.
[3] 卢胜利.智能仪器设计与实现[M].重庆:重庆大学出版社,2003.
[4] 丁振良.误差理论与数据处理[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002.
[5] 沙占友.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社,2006.
作者简介:贾杨(1986-),男,硕士研究生,控制理论与控制工程专业,研究方向:矿山安全检测。