矿井监控图像（共8篇）
矿井监控图像 篇1
0引言
1985年劳动部提出使用便携式瓦斯报警仪控制瓦斯爆炸事故以来, 有关部委进行了大量的调查研究和试点工作。实践证明, 使用便携式瓦斯报警仪是一项减少瓦斯爆炸的有效措施。即使在有瓦斯断电仪、报警仪、遥测仪和监测仪的矿井, 也须使用便携式瓦斯报警仪作为安全生产的补充措施。《煤矿安全规程》规定, 高瓦斯与瓦斯突出矿井必须在采煤工作面及其回风巷设置瓦斯传感器, 在工作面上隅角设置便携式瓦斯检测报警仪。
在使用便携式瓦斯报警仪监控工作面瓦斯浓度时, 工作面的便携式瓦斯报警仪将随着采掘面的移动而移动[1]。地面人员若想知道井下工作面的瓦斯浓度, 需要井下人员现场读数, 通过电话或对讲机向地面人员报数, 十分繁琐。而在瓦斯监控中引入视频监控和图像处理技术后, 可以通过瓦斯浓度的自动识别实现自动报警、记录瓦斯浓度曲线、语音报数等工作, 大大简化了现场操作, 节省了人力, 在调度室可以随时观察采掘工作面的瓦斯浓度, 真正达到了工作面瓦斯浓度的“可视化”, 对减少煤矿安全事故具有积极的意义。本文主要介绍了瓦斯浓度自动识别过程中的图像预处理、边缘检测和瓦斯浓度示数区域分割这几个部分。
1瓦斯浓度自动识别系统
瓦斯浓度自动识别系统组成如图1所示。首先将摄像机安置在便携式瓦斯报警仪前 (固定摄像机装置已申请专利) , 使其随着报警仪的移动而移动;监控过程中, 通过摄像机来拍摄便携式瓦斯报警仪, 获得含有瓦斯值的便携式瓦斯报警仪工作画面, 如图2所示;然后通过无线视频接收仪器[2]将视频传送至调度室, 并对视频图像序列进行处理, 包括预处理、边缘检测、瓦斯浓度示数区域分割、瓦斯浓度示数字符分割及瓦斯浓度识别等几个步骤, 即可达到自动识别瓦斯浓度的目的。
图像识别[3,4,5,6]是用机器来模拟人的各种识别能力, 即用机器来做图像的识别和理解工作, 其目的是对文字、景物等信息加以处理和识别, 从而利用计算机与外部环境直接通信。公路收费站的汽车牌照自动识别就是图像识别的典型应用。图像分割是图像识别中提取图像特征的一个重要过程, 边缘检测是图像分割中的一种常用手段。本文采用边缘检测的方法对瓦斯浓度示数区域的图像边缘进行提取, 然后通过Hough变换[7,8,9]对瓦斯浓度示数区域附近的边缘直线进行检测, 实现对图像的分割。
2图像处理过程
2.1 图像预处理
由于采用特制的装置将摄像机固定在报警仪前, 一些诸如光照、背景等因素将不会影响拍摄的图像质量。但是待处理图像是在矿井采掘工作面拍摄的, 摄像机周围必然会存在大量的灰尘、煤炭颗粒,
所以拍摄的图像中会存在一定的噪声。因此, 在对采集图像进行边缘提取处理之前, 需要对采集的图像进行简单的预处理操作。预处理的过程包括图像灰度化和中值滤波。
2.1.1 图像灰度化
把采集的彩色图像进行灰度化处理, 可以减少后续处理的数据量。对图2进行处理后的灰度图像如图3所示。
2.1.2 中值滤波
中值滤波常常用来减弱随机干扰或者孤立噪声干扰, 因此本文采用中值滤波方法去除噪声干扰。中值滤波是一种非线性平滑滤波。由于它在实际运算过程中并不需要图像具有统计特性, 所以使用比较方便。在一定条件下, 中值滤波可以克服线性滤波图像细节模糊的缺点, 而且对滤除脉冲干扰及其颗粒噪声最为有效。
2.2 图像边缘检测
在基于图像处理的瓦斯浓度自动识别过程中, 从待处理图像中准确地定位并提取出瓦斯浓度示数区是识别的重点工作。瓦斯浓度示数区分割的精度将直接影响后续字符识别的准确性, 分割出的瓦斯浓度示数区越完整、包含的背景信息越小, 瓦斯浓度的识别精度越高。
本文所需处理的图像有两个特点: (1) 图像背景简单, 没有其它纹理且灰度值相差明显; (2) 瓦斯浓度示数区与背景之间存在颜色突变, 边缘信息十分丰富。根据图像特点选用边缘检测法来提取图像中的边缘点。基于一阶导数的边缘检测算子有Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子等。
2.2.1 Roberts算子
Roberts算子是一种利用局部差分算子寻找边缘的算子, 它由式 (1) 给出:
式中:f (i, j) 、f (i+1, j) 、f (i, j+1) 、f (i+1, j+1) 分别为4领域的坐标。
Roberts算子所使用的两个2×2模板为
2.2.2 Prewitt算子与Sobel算子
使用Prewitt算子将产生一幅边缘幅度图像, Prewitt算子的水平梯度和垂直梯度矩阵分别为
Sobel算子用像素相邻区域的梯度值来计算一个梯度, 再根据相应的阀值来进行取舍, 得到图像中的边缘。Sobel算子的水平梯度和垂直梯度矩阵分别为
2.2.3 实验结果
分别使用Roberts边缘算子、Prewitt边缘算子、Sobel边缘算子对灰度图像进行边缘检测, 所得结果如图4所示。从图4可看出, 通过边缘算子检测灰度图像, 瓦斯浓度示数区附近边缘可以从背景图像中检测出来, 在浓度示数左、右两侧具有两条垂直直线。
2.3 瓦斯浓度示数区域定位
从图4可看出, 在瓦斯浓度示数区左、右两侧具有两条高度近似的直线。如果将这两条直线单独提取出来并标记出两直线的起始、末端坐标位置, 再进行左右起始、末端对应连接, 就可以将瓦斯浓度示数区分割出来, 实现对区域的定位。理想的区域定位图如图5所示。经典的Hough变换常用于进行直线提取, 因此, 采用Hough变换完成对瓦斯浓度示数区域的分割、定位。
Hough变换的基本原理:图像空间中的每一个数据点对应参数空间中的一条直线或曲线, 与一条直线上的数据点对应的参数曲线簇相交于参数空间中的一点 (“多对一”的变换[10]) ;利用图像空间和参数空间的“点-线”对偶性关系, 将图像空间中直线检测的问题转换为参数空间中一个点的检测问题。Hough变换的关键问题是找出图像空间中直线段上的点对应的参数空间中曲线簇的交点, 根据交点位置计算出图像空间中的直线方程参数, 继而得到逼近的直线方程。
图像空间中直线方程的Hough变换为ρ=xcos θ+ysin θ, 其中ρ、θ分别为直线到原点的法线距离、法线与x轴的夹角。直线上的有效数据点对应参数空间中的正弦曲线, 这些曲线会相交于一点 (ρ0, θ0) , 根据 (ρ0, θ0) 可以计算出直线方程的参数。交点坐标的获取过程[11,12,13,14] :
(1) 将ρ、θ参数空间划分为M×N的网格, 每个网格为一个相应的矩阵单元AM×N。ρ、θ的范围分别为[-R, R]、[-90°, 90°], R为图像的对角线长度。ρ、θ被M、N等分。
(2) 为每一个单元分配一个二维累加器A (i, j) , 并将其初始化为0。
(3) 取直线上的一个数据点 (xi, yj) , 先将θ取为经过N次量化后的值, 通过Hough变换计算出相应的单个网格允许的单元值ρ。
(4) 在参数空间中每计算出一次ρ、θ值, 就将其所在的网格单元累加器数组自加1。
(5) 计算出所有的ρ、θ值后, 检验网格单元对应的累加器数组的值, 其中最大值所对应的ρ、θ值即为参数空间中的交点坐标, 也即图像空间中的直线方程所对应的参数。
获取两条边缘直线后, 通过对x或y进行一次从最小值到最大值的扫描, 也就是找出第一个和最后一个数据点, 这两个点就是直线的起点和终点;将左、右两直线的起点与终点进行连接标定就可以实现对目标区域的分割;对分割出的目标区域进行连通域分析, 分割出单个瓦斯浓度示数字符后递交至字符识别程序进行识别, 即完成整个瓦斯浓度的自动识别过程。
3结语
提出了通过无线视频监控和图像处理的方案来解决地面人员监测工作面瓦斯浓度的难题。通过边缘检测、Hough变换对监控视频图像序列进行处理, 完成了对瓦斯浓度示数区域的提取, 实现了对图像的分割, 为瓦斯浓度自动识别作了前期准备。接下来笔者将对瓦斯浓度示数单个字符的分割及字符的识别作进一步的研究。
矿井监控图像 篇2
马莲台煤矿文件
马莲台煤字[2010]
号
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关于下发《矿井安全监控系统管理制度及考核办法》的通知 矿属各部门、区队：
矿井安全生产监测监控系统在矿井的安全生产过程中起着重要的作用，为进一步提高矿井安全生产的管理水平，确保安全监控系统稳定、可靠、准确、有效的运行，充分发挥矿井安全生产监测监控系统的功能，特制定如下管理办法，望各科室、区队认真组织学习、严格执行。
附：《矿井安全监控系统管理制度及考核办法》
宁夏宝丰能源集团有限公司马莲台煤矿
二0一0年三月四日
主题：下发 矿井 安全监控系统 管理制度 考核办法 通知
抄送： 矿长
副矿长
总工 马莲台煤矿印发： 共21分 存档2分 矿井安全监控系统管理制度及考核办法
一、矿井监控网络的管理
(1)井下监测监控网络由矿调度室全程监控管理，井下各单位应全力配合。凡属井下相关单位责任区域之内，使用单位对该区域内安全监测监控装备和线路应规范使用和正确维护。由于非正常使用造成监控设备故障，对使用单位要追究责任。
(2)对于监控设备移动频繁的采掘工作面，使用单位班组长必须按标准要求及时进行移设悬挂。
(3)在设有监控装备地点附近放炮和进行支护作业时必须对监控装备、线缆采取可靠的保护措施。掘进工作面放炮前应将传感器移至安全位置，放炮后应及时恢复设置到正确位置。（综采工作面传感器距端头标准为10米以内，掘进工作面传感器距端头标准为5米以内）。传感器的悬挂必须符合安全规程标准（距顶不得大于30CM，距帮不得小于20CM）。
(4)各单位对所管辖范围内（机电设备管理及工作责任区）监控装备的日常维护工作包括：清除外表积尘，保持清洁，每天进行除尘，传感器应保持干燥，避免洒水淋湿，维护、移动传感器时应避免摔打碰撞，及时汇报监控装备出现的异常情况等，保持监控线缆的整洁和悬挂整齐，及时移设监控装备和盘挂监控线缆，并做到移设符合标准，盘挂整齐。监控管理人员进行不定时检查，一旦发现责任区域的监控设备、线路等未做日常维护或维护不到位，对责任区域带班工长予以处罚，并责令整改。(5)凡在各单位使用范围内出现监控装备保护不周，由于设备损坏、丢失，而造成矿井监控网络信号不正常、监控设备及线路损坏，由使用单位承担材料费用，矿井监控管理人员负责修复调试，其他人员不得随意处理。同时追究该单位管理责任，并查明原因、落实到人，予以处罚。
(6)井下布置的传感器，各使用单位按规程要求进行悬挂，新区域监控网络的布置方案以及局部网络的变更均由生产技术部提出设计，各职能部门审查报矿总工程师批准后方可执行，井下的监控线路必须在矿监控管理人员的指导下方可进行线路联接和拆除工作。
(7)井下监控设备应保持24小时不间断供电，各分站备用电源的设计供电时间为2小时，当井下供电区域停电达到2小时以上时，及时汇报矿调度室，矿调度室应及时与监控管理人员取得联系，以便按实际情况进行现场处理。
(8)各使用单位的采掘工作面设计、作业规程以及安全技术措施中必须包含安全监控系统的设计方案及安全管理措施，并在实际生产中严格遵照执行。
(9)为进一步规范和协调管理，对监控管理人员给予以下权力： A、有权依据本管理办法对相关使用单位安排和布置工作。B、有权对查出的问题责令使用单位限期整改和要求立即整改。C、有权提出对违反本制度的单位和个人做出处罚。D、有权制止破坏或对监控装备有安全威胁的行为。
F、有权在监控装备不能按要求使用及正常维护时停止作业地点的工 作。
(10)负责全面管理安全生产监测监控系统的监控管理人员主要负责矿井监控网络的巡检和维修工作，具体包括：主监控装备及时移设。定期的巡检，传感器的标校维护、井下监控网络故障处理、指导井下局部监控网络的搬家以及安全监控装备帐、卡、牌、板记录等业务。
二、处罚办法
(1)监控线路和装备的正常使用及维护，均纳入各单位的安全生产日常考核之中，处罚时同样纳入单位的标准化考核中。
(2)井下监控线路和装备遭损坏或丢失，对使用单位给予以下罚款： A：井下线路被破坏，主控电缆500元／处，支线电缆200元／处，视频光缆200元/芯。
B：井下监控设备和传感器损坏、丢失或造成设备报废，由使用单位照价赔偿，并追加罚款200元。
要求处罚必须按责任大小落实到人，罚款至300元以上时，单位主要领导承担50％。
C：未经监控管理人员同意，随意拆除或断开分站电源供电，不得随意在监控专用电源另接电源做他用，每次罚款200元，造成设备故障和损坏的追加处罚。
(3)监控管理人员进行不定时检查，发现责任区域的监控设备、线路等未做日常维护或维护不到位的将对责任区域带班工长责令进行整改并 予以处罚100元，未认真执行监控管理人员提出的整改，或不能如期整改，每项处200元罚款。
(4)使用单位不得随意更改或拆除安全监控断电器的接线，如遇特殊情况需必须经过负责安全监控的管理人员同意后,方可更改或拆除断电器接线。否则，发现一次对使用单位罚款200元。
(5)随着采掘工作面的推进未及时移设传感器发现一次罚款50元，线路盘挂不整齐发现一次罚款50元。传感器的悬挂必须符合安全规程标准，否则对使用单位每次处罚100元。
(6)井下停电2小时以上时，变电所值班人员必须通知安全监控管理人员，送电后要及时恢复安全监控电源。否则，每次罚款100元。
(7)各使用单位未规范使用安全监控设备而造成通讯失败的一次罚款100元。
(8)本制度在实施过程中有不当或不妥之处，有待于不断完善。最终解释权归调度室。
附：传感器悬挂标准（巷道回风流）
一种矿井巷道图像边缘检测算法 篇3
关键词：矿井巷道图像,模糊图像,边缘检测,小波变换,Canny算法,低频图像,高频图像
0 引言
传统的图像边缘检测方法大多是采用边缘检测算子,即Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子等[1],都是从图像的高频分量中提取边缘点信息,这样往往会把图像低频部分的图像细节成分忽略掉,导致图像边缘部分缺失。边缘点是指图像中周围像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的那些像素点,即灰度值导数较大或极大的地方。Canny提出了边缘检测的3个标准[2],并用这3个标准提出了高斯函数的一阶导数边缘检测算子,它有着比前几种算子好的去噪效果[3],但由于使用了高斯滤波器对图像做初始化处理,导致其在边缘检测之前就会平滑掉一些边缘信息, 尤其在处理模糊不清的图像时,如矿井巷道图像,必然会极大地影响边缘提取的效果。近年来,有越来越多的新技术被引入到边缘检测方法中,如小波变换[4]的理论。本文提出了一种将小波变换和Canny算法相融合的新型矿井巷道图像边缘检测算法,解决了模糊图像对边缘提取带来的影响,并且从边缘图效果[5]和算法复杂度2个方面对新算法和Canny算法进行了比较,结果表明,新算法具有较好的检测精度和准确度,同时降低了算法的复杂度,保证了良好的实时性。
1 Canny算法
Canny算法[6,7]的基本思路:首先选择一定的高斯滤波器对图像进行平滑滤波,然后计算图像的一阶偏导数,采用非极大值抑制进行处理,最后进行双阈值连接得到边缘图像。
(1) 采用高斯滤波器平滑图像。
这里,利用一个省略系数的高斯函数H(x,y):
式中:f(x,y)为图像数据;σ为标准偏差。
(2) 采用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向。
利用一阶差分卷积模板:
求一阶偏导:
得到的幅值:
得到的方向:
(3) 对梯度幅值进行非极大值抑制。
全局的梯度图还不能确定边缘,为确定边缘,必须保留局部梯度最大的点,而抑制非极大值,即将非局部极大值点置零以得到细化的边缘。通常,可以在每一个点上考虑邻域中心点像素与沿着梯度线的2个像素相比。如果中心点像素的梯度值不大于沿梯度线的2个相邻像素的梯度值,则认为该邻域中心点像素值为零。
(4) 采用双阈值算法检测和连接边缘。
使用2个阈值,分别为高阈值和低阈值,从而可以得到由2个阈值所确定的图像。由于高阈值得到的图像含有很少的假边缘但又有很多间断不闭合区域,所以要在高阈值图像的基础上,把边缘连接成轮廓,当到达轮廓的端点时,该算法就在低阈值图像的8邻点位置寻找可以连接到轮廓的边缘,这样,双阈值算法不断在低阈值图像中收集边缘,直到将高阈值图像连接起来为止。
2 二维小波变换的基本原理
小波变换分析方法是一种窗口大小固定但其形状可改变、时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率[8]。
本文采用二维小波变换,首先引入3个二维小波基,如式(9)、式(10)、式(11)所示,它们构成二维平方可积函数空间L2(R2)的正交归一基,即式(12)。
式中:ϕ()为一维尺度函数;φ()为相应的小波函数。
式中:j≥0;l=1,2,3;j,l,m∈Z。
二维离散小波分解的过程如下:
一幅N×N的图像f1(x,y),其中上标指示尺度N是2的幂。对于j=0,2j=20=1的尺度,也就是单尺度。在单尺度小波变换中,图像被分解为4个1/4大小的图像,它们都是由原图与一个小波基图像的内积后,再经过在行和列方向进行2倍的间隔抽样而生成的。分解后可写成
最后,即可得到需要的低频的粗略逼近部分和高频的细节部分。
3 基于小波变换和Canny算法的边缘检测算法
针对模糊不清的图像,基于小波变换和Canny算法的边缘检测算法在做图像边缘检测时的流程如图1所示。
(1) 对图像做小波分解,获得低频图像和高频的细节图像,这样可以避免模糊对边缘检测效果的直接影响。
(2) 按照Canny算法分别计算低频和高频图像的一阶差分,获得低频和高频图像的梯度图。
(3) 为获得局部梯度最大值,首先,从高频图像
的梯度图得到最大值gmax和最小值gmin,然后设定阈值T0(T0>0):T=(gmax-gmin)/T0,最后计算每一点处该点梯度值与相邻8点梯度值之差,用最大的差值与上式计算得到的T相比,当最大的差值大于T时,可以认定该点梯度值为1,否则,该点梯度值置零。对低频图像使用同样的方法,通过这一步能获得高频图像的边缘图和低频图像的边缘图。
(4) 本文采用的边缘连接法:当高频图像的边缘图出现间断点时,在低频的图像边缘图中检测该点的8点邻域,寻找连接点,最后得到完整的边缘检测图。
该算法不仅通过小波分解去除了模糊影响,同时采用高低频图像的比对获得了比较好的结果,通过第(3)步就能获得比较好的边缘检测图。该算法不仅有比较理想的边缘检测图,也节省了运行时间。
4 实验分析
4.1 实验结果
本文采用Matlab工具对新算法和传统的Canny算法进行仿真实验。图2为矿井巷道的原始图像,比较模糊,分别采用传统的Canny算法和本文提出的新算法对该图像进行边缘检测,结果如
图3、图4所示。对比图3、图4可看出,新算法提取的图像边缘更加丰富和清晰。
4.2 边缘效果的对比和算法复杂度对比
本文从边缘效果和算法复杂度2个方面对新算法和传统的Canny算法做一比较说明。表1为 2种算法的边缘效果对比,对边缘图统计其边缘点数A、4-连通成分B和8-连通成分C以及它们之间的比值,边缘图像是一幅二值化图像,边缘点数是累计检测到的边缘图中值为1的像素数。而对于一个像素集合,如果集合内的每一个像素与集合内其他像素连通,就称该集合为一个连通成分,4-连通成分就指4-邻域内是否有与它连通的像素,如果有就可把它们称为一个4-连通成分,8-连通成分同理。在得到这些参数后,考虑如果某一幅被检测图像中的灰度值为1,则它的4-连通成分和8-连通成分个数都为1,这样它们的比值(C/A、C/B)为最小,而此时的边缘图的连接程度是最好的。因此,本文采用计算它们之间的比值来衡量边缘连接效果,当C/A、C/B的比值越小时,则图像边缘线形的连接程度就越好。表2是2种算法的复杂度对比,主要是通过每种算法对大小为M×N的图像在实现过程中所做的运算次数的统计比较以及整个实现的运算时间的比较。
从表1可看出,虽然新算法所获得边缘点数少于传统的Canny算法,但是从连通数据的比值中,能清楚地看出新算法所获得边缘点的连接性更优于传统的Canny算法,这对之后的图像识别等工作具有重大意义。
从表2可看出:
(1) 图像初始化过程中,未比对传统的Canny算法的高斯滤波与新算法的小波分解部分的复杂度。主要是本文在做仿真实验时对小波分解采用了快速小波分解工具箱函数,其速度在一定程度上不会对运算时间产生巨大影响,而传统的Canny算法的高斯滤波复杂度也同样不会产生大的影响,所以未对小波分解和高斯滤波作详细复杂度说明。
(2) 本文所采用的局部最大值计算方法虽然有少的计算量,但是在比较次数和迭代次数上是多于非极大值抑制计算量的,之所以未写出本文比较次数和迭代次数,主要是在运算时间上可以清晰看到,避免冗余。
(3) 传统的Canny算法所采用的双阈值算法和新算法提出的高低频图像对比算法所做的边缘连接主要在于迭代和比较,相对于新算法,双阈值算法不仅需要设定合适的阈值,而且要对原边缘图像进行合适分割,获得其高阈值图像和低阈值图像,再进行比较连接,这必然对阈值有着明显的要求。而高低频图像对比算法在之前已获取高低频图像,只需要做比对连接,极大地降低了算法的复杂度。
虽然本文提出的新算法也在边缘处存在一些缺陷,但是从边缘的连接性和算法复杂度上可以清楚地看出该算法优于传统的Canny算法,而这些存在的缺陷也正是以后研究工作的重点。
5 结语
在传统的Canny算法的基础上融入小波变换河南省教育厅科学技术研究重点项目(12B470002);河南省控制工程重点学科开放实验室资助项目(KG2011-15);河南理工大学青年基金项目(Q2012-28);河南理工大学第4批实验室开放基金项目(SKJB11046)。
参考文献
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矿井风网监控系统的研究 篇4
关键词：矿井通风,监测监控,现场总线
0 引言
采用先进的监控系统是解决煤矿通风安全问题的根本途径, 它不仅能够对通风系统实现远程自动控制, 而且可以集中监测通风系统的工作状况, 预报和自动处理故障, 以保证煤矿通风系统的安全可靠运行。针对目前煤矿安全监控系统缺乏对矿井风网监测与调控的薄弱环节, 以CANBUS现场总线式的矿井风网监测与优化调控技术为基础, 提高矿井通风的稳定性、可靠性和通风效率, 全面实现矿井通风自动化。
1 煤矿安全监控技术发展现状
第一代监控系统模式为:1个模拟式传感器+1条专用电缆, 将1个被监测量直接传送至计算机。缺点:大量电缆;距离不能太远, <2 km;传感器数量不能太多。第二代监控系统模式为:1个模拟式传感器+1条专用电缆, 将1个被监测量传送至分站, 再由分站将多个传感器数据汇总后经1条专用电缆发送至计算机[1]。优点:传感器数量及传送距离都大大增加。缺点:仍用模拟传感器, 仍存在一个传感器、一条专用电缆、传送一个数据的缺点。第三代监控系统采用早期的现场总线形式, 如:RS485总线、Modbus总线等。早期的总线:用智能式数字传感器, 有数字通讯功能, 总线将所有传感器串接起来。由于尚未引入网络技术, 通讯方式也只能用“主-从”巡检方式, 信息也是由主节点独占, 不能共享。第四代监控系统采用各种最新的现场总线形式, 如:著名的Can_bus、Lanwork、基金会现场总线等。现场总线:引入了计算机网络技术, 网络上的节点不分“主-从”, 都可以随时主动发起通讯。网络上所有节点共享信息。
2 矿井风网 (安全) 监控技术开发
2.1 现场总线
现代计算机通信技术有能力延伸到现场, 现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术, 这是发展趋势。因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是:经济、安全、可靠地传递信息;正确使用所传信息;及时处理所传信息。
CAN_BUS是一种具有很高性价比的先进的现场总线, 目前在我国工业控制和自动化领域得到了大力推广, 并为推动此领域的信息化、现代化建设做出了重大贡献, 它被公认为最有前途的几种现场总线之一。
由于CAN总线采用了许多新技术及独特的设计, 与一般的通信总线相比, 它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点如下:CAN_BUS为多主方式工作, 网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息, 而不分主从, 通信方式灵活;在报文标识符上, CAN_BUS上的节点分成不同的优先级, 可满足不同的实时要求;CAN_BUS采用非破坏性总线仲裁技术。CAN_BUS节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据;报文采用短帧结构, 传输时间短, 受干扰概率低, 保证了数据出错率极低;CAN_BUS采用了循环冗余码校验 (Cyclic Redundancy Check) 、帧检测 (Frame Check) 、确认信号出错检测 (ACK Errors) 、总线监控 (Bus Monitoring) 、位填充 (Bit Stuffing) 等多种错误监测和纠错措施, 从而达到了很高的可靠性;CAN_BUS通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤, 可通过标准插接件方便地连接;CAN_BUS节点在错误严重的情况下, 具有自动关闭总线的功能, 切断它与总线的联系, 以使总线上其它节点的操作不受影响;CAN_BUS协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码, 而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制;CAN_BUS采用了多主竞争式总线结构, 具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点;CAN_BUS可以点对点、一点对多点 (成组) 及全局广播集中方式传送和接受数据。
CAN总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计, 非常适合用于煤矿安全生产监控领域。
KJ86N煤矿安全监控系统, 以“工业以太环网+CAN总线”架构为数据传输平台, 结合CAN总线传感器, 使系统在带宽, 反应速度, 可靠性, 组网灵活性、系统效率、传输距离, 系统节点容量, 集成能力, 兼容性及开放性等方面与国内外其它现有系统相比具有无可比拟的优势。KJ86N系统主要由系统主机、备机、中心站接口、工业以太环网交换机、总线扩展器、数据接口、智能中继器、传感器、断电器等设备组成。
KJ86N系统中上层采用了目前较为流行的工业以太环网作为传输平台, 它具有传输速度快、可扩展性高、成熟可靠、兼容性好等优点。采用环形结构的最大优点是可以提供链路冗余, 极大地满足了煤矿井下恶劣环境中的使用要求, 大大增强了其可靠性。开发了CAN总线式全数字传感器, 实现了点对点、一点对多点 (成组) 及全局广播集中方式传送和接受数据。
CAN总线式KJ86N煤矿安全监控系统真正建成了CAN_BUS+工业以太环网架构的监控系统。使用了位于现场最底层的CAN_BUS传感器及控制器。成功地应用了现场传感器监测数据主动上传、多主竞争的通信方式, 舍弃了传统低效的主从巡检方式。在这种方式中, 当任一传感器采集的数据变化量超过预先设定的门限或开关量状态发生变化时立即主动向中心站上传该数据。若传感器采集的数据变化量微小或开关量状态未发生变化时, 则自动转入定时上传方式。这种创新的数据传输方式在最大限度地降低总线数据流量的同时保证了监控系统数据采集的实时性, 极大地提升了系统通信效率与可靠性。传感器可以直接同断电控制设备建立关联, 从而传感器数据无需经主机或分站转发即可直接传送至关联设备, 这样减少了中间环节, 提高了本地断电控制的可靠性和速度。中心站计算机可以同系统中所有具备通讯功能的现场设备建立通信联系, 可以实现向现场节点发送各种远程控制命令, 如:改变控制逻辑关系、改变报警限、量程、改变横向关联及波特率等。成功地开发出大功率高压本安电源关键技术, 单路本安电源输出可以达到18.9 v/600 m A, 这一指标目前在国内的本安电源中处于领先地位。
2.2 风网监控技术
风网监控技术以CAN总线监控系统的监控软件、总线扩展器、多功能控制器、传感器、自动风门和自动风窗等设备为基础。对井下风网巷道风量、风压和主要通风设施进行实时监测, 实时调控主要通风设施。在此说一下风门风窗的控制。
2.2.1 基于CANBUS总线的自动风门与风窗控制与传输子系统
风门与风窗控制与传输子系统主要由风门监测、开关控制与反馈和CANBUS总线远程传输系统组成, 如图1所示。
(1) 风门或风窗监测。风门或风窗监测主要由风门开关传感器和风压、风速、风向传感器组成。风门开关传感器监测风门或风窗的开关状态, 风压、风速、风向传感器主要监测风流状态, 及时报警风流短路造成局部通风系统破坏的风网危险源。
(2) 风门开关控制与反馈。风门开关控制与反馈主要由自动控制柜、执行控制箱和防爆电机或气动阀门及储气缸体组成。根据井下人员或车辆通行自动打开、关闭风门, 由自动控制柜发出开、关风门信号, 执行控制箱和防爆电机或气动阀门及储气缸体执行开、关风门的动作, 如图2所示。同时, 风门或风窗监测的风压、风速、风向传感器监测风流状态, 及时报警风流短路造成局部通风系统破坏的风网危险源。
(3) 自动风门与风窗控制的CANBUS总线远程传输系统。自动风门与风窗控制的CANBUS总线远程传输系统由基于CANBUS总线的系统硬件电路和基于CANBUS总线的计算机应用系统软件组成。硬件系统设计与风压、风向传感器的远传电路相似。
2.2.2 无压自动风门和无压调节风窗
矿井风网调控关键是风门、风窗的远距离遥控, 实现遥控的关键是自动风门和风窗。与地面门窗不同的是, 井下风门、风窗承受很大风压, 开启困难。因此, 无压 (压力自平衡式) 风门、风窗是关键。同时要求井下布置永久风门地点的岩性稳定、不受动压影响。无压风门结构原理如图3所示。
2.2.3 风门风窗的控制与闭锁功能
地面发出风门或风窗的开关控制指令, 井下风门风窗自动开关, 并具有闭锁/解锁功能。通过常开和常闭风门的地面远程控制, 实现井下区域自动反风。
3 结语
矿井风网监控技术和工业以太网构建煤矿井下综合业务数字网后, 减少了井下人员, 提高了自动化及远程控制程度, 在井下部分工作岗位实现无人值守, 提高了煤矿的安全生产系数, 实现了安全生产各监控子系统的快速反应, 提高了煤矿生产的自动化、信息化程度, 安全效益及社会效益显著。
参考文献
矿井风机在线监控系统应用实践 篇5
1 现状分析
矿井主通风机是向井下送风的重要设备, 也是大型耗能设备, 以国家标准《通风机空气动力性能试验方法》、《煤矿用主要通风机现场性能参数测定方法》和《煤炭行业标准》作为依据, 运用专项研究成果和工业用计算机检测方法, 来在线处理和测量矿用大型的通风机在运行过程中所显示的数据, 通过多种方式提供和获得风机运行的各项数据, 以保障通风机运行安全和方便其性能的测试, 这些内容对于煤矿的安全生产、矿工的生命安全和减少风机的耗能具有重大意义[3]。
某煤矿三水平风井的任务是负责东区、中区的通风。BDK618-8-NO.30型对旋风机, 电机 (型号YBF630-8) 的电压和功率分别是6k V、3.8×460 k W;倒机操作使用的是传统模式:首先停止主通风机的运转→接着关闭运转的主通风机闸板上面的风门, 开启备用的通风机闸板上面的风门→启动备用的通风→倒机顺利完成[4]。正常情况下每次倒机时间是7分钟, 虽然没有超过规定的10min的时间 (《煤矿安全规程》) , 但井下却出现停风约3min的现象, 因为矿井的瓦斯涌出量约为109.01m3/min, 这给矿井带来了极大的安全隐患, 与此同时, 因为风机完全是由人工操作来完成的, 这就要求每台风机每次需要7个人进行操作;当前的监测系统是分散显示数据, 而且仅对温度、电流、负压和电压等几项内容进行检测, 最后才通过故障警铃来报警[2];为了能及时发现潜在的一些问题, 需要司机每小时巡查一次并统计风机的各项主要运行参数。
2 系统具备的典型特点
(1) 因为测控系统 (PLC) 使用的是双CPU, 所以它能快速且准确的完成实时监控和监测的功能[3]; (2) 系统的伸缩性很强, 能根据现场的实际需求进行更加灵活的配制; (3) 上位机使用的软件系统是冗余组态软件, 从而增加了系统的安全性可靠性 (4) 对WEB化和网络化现象进行实时测控[5]。
3 对功能需求进行分析
煤矿中所应用通风机系统的功能主要体现在以下几个方面: (1) 为了保障系统的安全, 具备自动闭锁控制的功能; (2) 具备手动、远程和现场控制等控制方式; (3) 能很好地控制风机的启和停、风门的开和关; (4) 对风机启停状态、风门的位置、电机的编号、反风信号等风机运行时呈现出的各种信息状态进行检测; (5) 能实时有效的监测风机的电流、电压、电网、轴承温度、风量风速等风机运行时的各项参数[1,3]。
煤矿通风机系统的软件的功能包括以下几方面:支持远程的网络控制以及浏览;自动的产生内容详实的各种类型的报表;通过超限报警来监测各项参数;通过各种方式生动形象且直观的处理、接收、存储、PLC系统直接上传的各种数据[2,4]。
(1) 系统组成方面:本系统主要是由通讯装置、显示器、供电装置等组成的, 他以PLC为主核心[5]。信号测取装置和传感 (变送) 器主要包括取压装置、模拟量温度采集器、压力变送器和采集器等。电流/电压变换和滤波环节构成了信号转换和采集装置[5]。通讯装置主要包括10mbps/100mbps自适应网卡。供电装置主要包括交流稳压电源[1,2]。 (2) PLC的硬件结构:S7―300PLC的硬件主要由CPU、电源模块、通信模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块组成[3]。 (3) PLC的软件结构:为了满足复杂的监控要求, S7―300PLC的软件采用了模块化结构, 而且各控制模块之间相互嵌套, 主循环程序包括有条件调用程序模块;当调用一次主循环程序模块OB1, 就必须调用一次无条件程序模块;而对于有条件调用程序模块的调用, 只有在发生异常故障时[4]。采用不同的处理方式利用2种程序模块, 可有效缩短程序处理时间, 大大提高系统效率[5]。 (4) 系统的工作原理:该系统由各种各样的外围设备构成, 同时以PLC为其核心元件, 来完成数据的分析和采集等工作任务, 这些都是在软件的控制下完成的, 完成后要将数据上传到指定的地点;风机运行参数需要在线处理和测量的是风机的风速、入口静压、流量、转速、电机正常情况下的震动烈度、轴承温度、功率和进出气体温度等[2]。
5 实现系统的功能
监测相应的电气参数:配套电机的电压、电流、功率因数和功率等参数均是电器参数的内容。监测气体的流量:对风机振动进行检测, 即通过电磁电式振动速度传感器, 对风机轴承振动绝对峰-峰值进行连续监视;监测转速:采用霍尔效应对转速进行检测[1];信号采集与转换:由各种集成化模块将数据采集后送PLC进行处理, 最后由计算机显示;以开关电源为传感器和变送器提供直流电源方式来实现系统供电[1,4]。
6 总结
作为我国煤矿安全生产必备的设备之一, 通风机不仅被称为“矿井的肺腑”, 还承担有以下重任:排出井下的污浊气流和粉尘、把新鲜的空气输送到井下[5]。由于井下工作环境恶劣, 主通风机工作电压较高, 电流较大, 出现故障的可能性也比较大[1]。应该逐步实现矿井中主要通风机的状态和性能的实时监测, 便于在以后的安全生产过程中及时获取通风机的各项资料数据[2]。煤矿井下主通风机在线监控系统集保护、检测、控制于一体, 能实现风量的精准调节, 还能进行故障诊断, 预测使用寿命, 预报维修极限, 成功地对风机进行检测, 有效地保证了矿井通风系统的安全运行, 完全满足井下对主通风机自动化监控系统的要求[4]。
摘要：煤矿风井传统停风倒机模式下存在井下倒机时间较长、短暂停风等问题, 从而引起瓦斯超限等问题, 直接影响生产的安全。由于当前的检测系统无法及时准确地把握系统运行的情况, 从而无法实现对远程信息化的及时监控。某煤矿对利用网络信息化和热备用倒机技术的研究, 以高性能的工控机和S7-300PLC为核心, 组合高精度的传感器, 实现对矿井主通风机的在线监控。结果表明, 该系统不仅实现了远程控制和在线监测, 而且精准地完成不停风自动倒台, 不仅缩短了倒机时间、杜绝了因风机正常倒机可能引起的瓦斯超限事故, 而且大大提升了矿井主通风系统的运行管理水平。
关键词：主通风机在线检测远程控制
参考文献
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[4]何志成.煤矿通风机安全监测数据无线扩频传输系统研究[D].湖南科技大学, 2012.
矿井主通风机的在线监控 篇6
矿井主通风机是实现矿井通风作业的重要设备,它担负着向井下输送新鲜空气、排出有害气体、为井下工作人员创造良好的气候条件、保障矿井安全生产的重要责任。由于主通风机长期处于污浊气流中连续运转,工作电压较高、电流较大,出现故障的频率较高。针对此本文设计了一种基于PLC的矿井主通风机的监控系统,其主要目的是监测通风机的各项参数和指标、运行状况,为故障诊断和效率分析提供准确的数据,保证通风机安全、可靠地运行。
1监控系统硬件设计
整个监控系统采用西门子S7-300系列PLC作为下位机,以研华工控机作为上位机。硬件设计主要由功能模块来构成,包括上位组态模块、PLC控制模块、现场信号采集模块等。矿井主通风机在线监控硬件模块框图如图1所示。
上位机监控系统即人机界面系统,它是操作员与现场对话的必要工具,其性能直接影响系统的可操作性。本系统采用研华工业控制计算机,22寸彩色显示器,配有打印机及不间断电源,操作系统为Windows XP,组态软件为专业工控软件WinCC。监控系统配有智能采集模块,对传感器实现数据采集、处理,并通过通讯系统上传至上位机和触摸屏来完成现场采集实时数据的显示、存储、打印、报警及网络通讯等功能。
PLC具有可靠性高、适应环境能力强、逻辑简单、维护方便、体积小、能耗低等特点,而且是控制系统的核心,可对系统进行全面管理。本系统选用西门子公司的S7-300,其由多种模块部件所组成,各种模块可以以不同的方式组合在一起,能使控制系统的设计更加灵活,以满足不同的应用需求。
现场信号的采集是通过各种传感器、变送器和辅助开关来实现的。传感器应根据实际使用的目的、指标、环境等条件来选择,本文选择输出信号与PLC输入信号要求相匹配的传感器,如果传感器输出的信号不是PLC能识别的标准信号,那就要通过变送器进行转化。由于铂金属具有长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性,因此系统选用PT100铂电阻作为温度传感器,用来测量通风机的轴承温度、电机的轴承温度和三相绕组温度;选用0 mm～20 mm位移传感器测量轴承的水平和垂直振动,其输出信号为4 mA～20 mA的电流信号;选用型号为GF5Z(A)的负压传感器测量井下通风巷道负压的变化,测量范围为0 kPa～5 kPa;采集电压、电流的电量变送器,其输出均为4 mA～20 mA标准信号;通过对各辅助开关的信号采集实现了开关量信号的采集。
由于传感器的输出信号都是弱电信号,容易受到各种因素的干扰,因此在硬件设计中必须采取隔离和抗干扰措施,如控制电缆全部采用屏蔽电缆,并将屏蔽层良好接地;工控机采用UPS稳压供电,以防止供电系统的电源干扰;传感器输出信号采用直流电流,以防止传输距离远造成信号的衰减;将动力电缆和控制电缆分开布置等。经过抗干扰措施处理后的输入信号稳定可靠,从信号源确保了系统的稳定可靠运行。
2监控系统的软件设计
2.1 PLC软件设计
PLC的软件设计过程是对程序结构、数据结构以及过程细节的系统化、规范化过程。模块化的程序设计方法是PLC软件程序设计最为有效和基本的方法。PLC系统设计的基本原则是最大限度地满足被控对象的控制要求,力求使控制系统简单经济,保证系统的安全可靠,选用PLC容量时应适当留有裕量。
主通风机的启停控制有自动和手动两种方式。在自动模式下,由操作台通过PLC发出指令,再由PLC根据逻辑程序来实现相对应的动作;在手动模式下,PLC的控制功能将被限制,所以必须由专业人员来手动操作。
2.2 组态软件设计
本系统采用WinCC组态软件。WinCC是SIEMENS与Microsoft公司合作开发的、开放的过程可视化系统,具有自动化控制的强大功能和极高的性价比。WinCC的显著特性就是全面开放,很容易将标准的用户程序结合起来,建立人机界面,精准地满足生产的实际要求。
组态软件能够模拟运行画面,提供良好的人际界面,接收从PLC传送的实时数据并在画面上显示。对数据进行加工后,一方面以图形的方式直观地显示在计算机屏幕上;另一方面操作人员可以在此人机界面上直接发出风门开关、启停风机和正反转的指令。当PLC接收到从组态软件传出的指令后实施控制或调整控制参数并储存历史数据,对历史数据的请求给予响应,并记录报警的历史信息,以备检索。
3实时监测
主通风机在线监控系统的主要目的是实时准确地测量和监视通风机的各项参数,以及对通风机异常情况进行报警和控制,保证通风机在安全的条件下工作。实时监控界面如图2所示。本通风机在线监控系统实现的主要功能有:①实时检测风机电流、电压、功率、轴承温度、三相绕组温度等电机参数;②实时检测风机负压、风速、风量、轴承振动等风机参数;③实时检测风机蝶阀开启状态、运行状态信号等参数;④查看温度、振动等参数的实时数据曲线,任意参数变量的历史数据记录查询,实时或定时打印数据报表;⑤具有用户操作安全登录管理功能,防止无关人员的误操作。
4结语
本文采用模块化的思想设计了矿井主通风机智能化的监控系统,实现了主通风机性能及状态的在线实时监测和远程控制。在模块智能化、系统可靠性、监控一体化等方面进行了深入的研究,取得了很好的效果,提高了煤矿主通风机设备的自动化管理水平,有力地保障了主通风机安全、经济、可靠的运行。
摘要：针对当前矿井主通风机监控系统监测内容不全面、操作复杂等问题,设计了一种基于PLC的矿井主通风机在线监控系统。系统实现了主通风机的状态参数和电气参数的实时检测和远程控制,保证了主通风机经济、可靠、安全的运行。
关键词：矿井,主通风机,在线监控
参考文献
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矿井通风机远程监控系统设计 篇7
矿井通风机不仅能为矿井提供新鲜空气,还能冲淡或稀释有害气体和矿尘。对通风机的运行情况进行实时监控,就能提前掌握其工作状况,对于事故的早发现、早预防、早处理有着重要的意义［１－２］。传统的矿井通风机监控系统多采用电缆等有线方式将被测量信号发送到PLC进行处理,再通过RS485将数据送入上位机PC中。这种方式存在以下问题:1 需要布置大量的电缆将传感器与PLC连接起来,成本高,布线复杂;2 井下生产环境特殊,容易破坏电缆;3 扩展困难,需扩展功能时,需要重新布线［３－４］。鉴此,本文对传统矿井通风机监控系统进行了部分改进,应用ZigBee无线通信技术实现了数据的无线远程传输。
1 系统总体设计方案
矿井通风机远程监控系统主要由终端节点、协调器、PLC、执行机构和监控中心组成,如图1 所示［５］。终端节点1和2分别采集1号和2号电动机的电流、电压信号。终端节点3采集通风主巷道的风速和风压信号。 终端节点采集的信号通过ZigBee无线射频模块传送给协调器节点进行汇集、整理,协调器节点通过RS232 与PLC通信。PLC是系统的控制核心,它的主要作用包括:1 与上位机监控中心通信;2 将采集到的信息与PLC设定的报警阈值进行比较,从而自动对声光报警电路和电动机执行机构输出相应控制信号,实现控制系统的自动模式。执行机构主要包括2 个通风机电动机,1个正常运行,1个备用。控制模式包括自动控制和手动控制。在上位机监控中心计算机中安装组态软件,实现以下功能:1 将PLC送入的数据进行存储、显示,并实现报警、报表生成、历史数据查询、打印等功能;2 出现意外情况时,对执行机构发布控制指令,实现控制系统的手动模式远程操作。
2 系统硬件设计
2.1 终端节点硬件设计
终端节点控制核心采用CC2430芯片。终端节点1和2采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器检测电动机的电流、电压。信号经调理后可直接连接CC2430的ADC端口。CC2430内含8路ADC,满足设计要求。终端节点3采用了JYB-DW型微差压变送器和GF型风流压力传感器［１］。终端节点硬件结构如图2所示。
2.2 PLC电路设计
由于选择的通风机型号额定功率为90kW,所以在电动机启动时采用Y-△降压启动方式以保护电动机。通风机主电路如图3所示。
根据控制方案中的要求,该系统有10 个输入量、10个输出量,考虑选择PLC时应留有一定余量以便进行功能扩展,选择FX2N-48MR型PLC,它有24 个输入接口、24 个输出接口,完全满足设计要求。
矿井通风机的4个参数通过ZigBee终端节点采集并经协调器传送到PLC,故采集到的每一个参数都会与PLC寄存器中设定好的上限值进行比较,检测是否超限,以确定是否需要启动第2台通风机,加快空气循环速度,以使检测值降到预设值以下［４］。PLC中间元件编号及功能见表1,I/O分配表见表2,I/O分配图如图4所示。
3 系统软件设计
3.1 终端节点程序设计
终端节点首先进行初始化,然后查找网络通道,并各自申请加入网络。当获得加入批准之后,就可以与协调器进行数据通信,将电流、电压、风速、风压等检测量通过无线网络传送到协调器中［６］。终端节点流程如图5所示。
3.2 协调器节点程序设计
该系统中协调器只有1个,首先进行初始化,然后建立网络,接收3个终端节点的加入信号,并一一分配地址允许其加入。协调器负责数据的汇集、处理和发送,最后通过RS232将数据送入PLC中［６］。协调器程序流程如图6所示。
3.3 PLC程序设计
PLC程序主要实现数据监测和电动机控制功能。监测部分程序流程:首先将检测到的电流、电压、风速和风压数据与PLC寄存器中的预设值进行比较。如果数据正常,则继续采集数据;如果数据异常,则切换通风机。控制部分程序流程:首先1号通风机启动并开始定时,定时时间到之后切换到2号通风机工作。数据异常时,也切换通风机,并通过报警信号告知工人及时处理。2组通风机轮流使用有利于延长通风机的使用寿命［７］。PLC控制程序流程如图7所示。
4 仿真分析
仿真步骤:1 在上位机安装组态软件,并设计监控中心显示界面,组态软件界面如图8 所示。2 预备2个小型实验用电动机和通风机,用于模拟矿井通风机。3 将电流、电压、风速和风压等数据送入PLC。4 PLC通过RS485与上位机进行串口连接,并完成调试。5 完成组态软件程序编译,实现数据显示、存储、历史数据查询、报警等功能,使其能以动画的形式实时体现矿井通风机的运行情况。
通风机运行程序的编译思路:由于通风机转动时只是扇叶旋转,所以首先应将通风机拆开,对其中扇叶的旋转功能进行变量设置和程序编译。编译代码如下:
从仿真结果来看,整个系统能够长时间正常工作,界面友好形象,操作简单可靠。
5 结语
采用ZigBee和PLC设计了矿井通风机监控系统。该系统可对通风机电流、电压、风速和风压进行实时检测,并根据检测情况自动控制通风机的运转,且避免了复杂的布线,具有可靠性高、拓展性强、实时性好等特点,满足矿井通风机监控的需要。
摘要：针对传统矿井通风机监控系统布线难度大、拓展性差等问题,应用ZigBee无线通信技术设计了通风机远程监控系统。终端节点的传感器将检测信号通过ZigBee无线通信传送到协调器节点,再经过串口分别传送到PLC和监控中心进行处理。仿真结果表明,该系统实现了对通风机电流、电压、风速和风压的实时检测,避免了大量布线,且可靠性高、实时性好。
矿井通风机监控系统的设计 篇8
针对目前国内外通风机监控系统的优劣, 通过对通风机运行状况及其所处环境的分析, 制定一套合理的监控系统。本文主要是研究传感器的原理、特性、选型, 变频器的运行原理, PLC的原理及应用, 网络通讯器材的选择实现信号传送可视化, 上位机使用组态软件MCGS实现, 下位机采用μC/OS II进行软件编程设计, 最终得出实验结果在地面中心站显示。
1 矿井通风机监控系统的总体设计
本系统主要是通过传感器接收、输出所监控通风机的各类信号, 上传至PLC监控系统, 通过A/D、D/A完成数字量到模拟量的转换, 形成模拟电压来控制风机运行效率, 通过PLC监控系统的输出信号经由MCGS组态软件创立界面, 在平板电脑上显示, 同时通过网络交换机实现局域网络共享, 其中设立有实时监控图像及声光报警系统。通风机在运行时, 通过瓦斯传感器采集空气中的瓦斯浓度, 压力传感器采集风压、温度传感器采集通风机运行的温度, 还有一些其它传感器, 这里不一一列出[1]。传感器采集的各类信号经过PLC的A/D模块转换成可处理的数字量, 通过与设定好的信号值进行逻辑对比、判断, 然后数字量由D/A转换成电压模拟量, 来确定变压器所需的电压值, 进而调节风机转速。
本系统采用12位的ADC采集传感器的外部信号, 将8个引脚设为模拟量输入端口。时钟控制器提供两个时钟同步, ADC的时钟可以从系统时钟分频后获得。ADC的专用可编程分频器由RCC控制器提供, 最高可设为72 MHz。其转换时间与时钟有关, 每个通道以不同的时间采样。ADC采用3.3 V的基准电压, 时钟为系统时钟的6分频, 采样时间为71.5周期。
本系统软件选用由MCGS控制的上位软件和基于μC/OS-II的下位软件构成。上位机采用MCGS构成可视化界面, 并上传风机的监测数据, 下位机根据系统提供的数据分析并绘制出曲线和表格。两种软件相结合能较好地对数据进行分析、采样、控制、处理。系统预留了数据库的模块, 方便以后软件升级。以微控制器开发工具包, 微处理器开发工具包是最新的各种嵌入式处理器的软件开发工具, 包括集成开发环境和硬件编译器, 支持ARM、ARM9和新cortex-m3核心处理器, 自动配置启动代码, 集成闪存编程模块, 是一个功能强大的模拟装置。该套件硬件编译器的代码可提高20%以上的性能。
数据采集工作完成后, 需要对数据分析、处理, 剔除干扰数据、分析预警参数。当数据幅度超出预警界限时, 启动声光报警装置, 同时将预警参数写入预警数据库, 结果可以自动生成打印报表, 风机工况点显示及其事故预警与状况, 将矿井在线监测风机的不同阶段的实际运行特性曲线通过拟合处理, 将拟合结果以图形的形式显示在图片框中, 在参照实测曲线的基础上, 对照监测运行工况点与实测数据吻合程度, 来判断风机运行的安全状况[2], 并在报警后缩小数据存储时间步长, 以便更多地获取报警数据。
为保证风机的正常运行及控制, 本系统选择PLC控制2台变频器的控制方案。PLC还控制风机的变频切换及声光报警器的运行等。
MCGS包括程序命令语言、时间命令语言、数据改变语言等。为使MCGS运行时指示灯亮起, 其程序内容为:
设备选型:该系统主要由各类传感器、西门子S7-300型PLC、CHH100变频器及CAN总线通信网络组成。传感器对风机振动强度、出入口风量、风压、电机转速、轴承温度等信号参数完成采集、转换并通过开关模拟量传送至PLC, 经过分析处理通过控制量输出各类信号并通过计算机在液晶屏幕上显示成图形或图表, 也可连接报警器和摄像头等输出设备方便员工实时监测通风机运行状况[3]。同时可编程PLC还可根据传感器传输的数据, 通过分析控制变频器的运行, 达到节能降耗的作用。本系统中我们选用PT100的温度传感器、CP200的压力传感器, 还有关于O2、CO2、瓦斯、振动等各类传感器, 这里不一一介绍型号。
2 矿井通风机监控系统的功能测试
测试环境:矿井通风机监测系统的重要监测目标就是在不同环境下各类参数的变化。通风机的振动参数反应了通风机的状态, 当通风机振动时, 根据对波形和动量分析可以明确风机噪声的高低, 风机转速的高低, 属于设备的故障特征。振动信号可分为两种:
a) 定性振动, 振动频率稳定, 可用函数描述;
b) 随机振动, 这种振动是不确定的, 只能用概率和统计学来总结振动方式[4]。开关量参数检测:主要包括电机、风门、电机的合闸、声光报警等参数的检测。
通风机监控系统主要实现了电参量采集处理、风压温度参量采集处理、振动参量采集处理、历史数据查询等功能, 并通过以上数据的处理来监控通风机的运行状况。下面就简单地从这几个方面对软件功能进行测试:
a) 温度参数检测。风机运行中温度的检测是一项重要指标。检测过程中由温度传感器将温度检测信号发送至检测单元, 通过电压调理电路上传至工业控制计算机分析显示;
b) 风压参数检测。是由相应传感器将风压信号传送给PLC的模拟量模块进行处理;
c) 风量参数检测。风量参数的获得主要是通过传感器获得的静压、动压、全压等参数。
3 结语
研究矿井通风机监控系统, 出发点是使矿井通风机实时监测, 并且提高通风机运行效率。从控制系统的参数测量入手, 分析了传感器的选型、变频器的选型及变频节能的计算。MCGS组态软件的选择使整个系统的实时监控能力和界面显示能力大大提高, μC/OS II下位软件使信号数据的采集流程更加便捷, 数据准确度大大提高, 可以看出本软件是一款高效节能、经济适用的安全型软件, 值得广泛推广使用。
摘要：煤炭行业在中国占据着重要的经济地位, 煤矿安全要求逐年提高, 并且对节能降耗、人身安全等逐渐加大要求。通风机在煤矿安全生产中起决定性作用, 通风机监控系统软件不仅提高了煤矿机械化程度, 而且节省人力物力, 具有重要意义。
关键词：矿井,通风机,高压变频器,监控系统软件
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