矿用监测监控系统研究

2024-09-18

矿用监测监控系统研究（共10篇）

矿用监测监控系统研究篇1

0 引言

非煤矿山环境监控系统主要用来监测矿井上、下的各类环境安全参数, 如一氧化碳、二氧化氮等有害气体。能随时向地面反映井下环境变化, 使工作人员能及时了解井下各地点有关环境参数的变化情况, 对存在的隐患能够迅速作出处理决策, 从而有效避免灾害发生。同时系统能监测矿井各生产环节的设备运行情况, 如主扇风机、局部通风机以及一些重要生产工艺参数, 使系统监测范围更全面, 有效降低各专业工作人员的工作量, 帮助领导和调度员及时掌握生产情况。因此矿山环境监控系统在保障矿井安全, 提高矿井生产效率等方面发挥着非常重要的作用。

1 环境信息监测系统结构

非煤矿山监测监控系统, 采用集散式控制体系结构。监测监控部分分三级结构:第一级为地面监控中心;第二级为数据传输链路;第三级为前端数据采集、控制部分, 包括各类传感器、控制器等设备。

地面监控中心的监测主机选择2台工控机作为主控、热备机, 主机通过地面核心交换机, 访问井下交换机的485接口, 读取传感器数据。为了防止意外停电对整个系统的影响, 在监控中心设置不间断电源1台。

中心站可在监控主机实时显示环境参数、生产工况参数、动、静态图形、数据、曲线、采掘工程平面图、模拟量配置图等。

2 系统硬件设计

本系统的硬件平台主要采用GTH1000矿用一般型一氧化碳传感器、GFW15型矿用风速传感器、KGT15型设备开停传感器、GYH25型矿用一般型氧气传感器等来完成整个监控监测系统的设计。传感器具有精度高, 使用稳定的特点。

传感器其各项参数如下:

GTH1000传感器的测量范围:0~1000ppm, 输出信号:RS485接口, 通信波特率1200bps, 工作电压:DC9~18V;GFW15传感器测量范围:0.4~15m/s, 供电电源:本安直流10~18V, 工作电流:45~60m A;KGT15传感器参数为被测设备电流:不小于5A, 输出信号:1.5m A, 电缆外径:ф18~ф80mm, 供电电源:DC11~18V, 小于10m A;GYH25传感器参数为测量范围:0~25%, 响应时间:不大于45s, 遥控范围:距离不大于5m, 角度不大于120度, 报警方式:红色灯光闪烁, 蜂鸣器断续鸣叫, 响度大于80d B, 输出信号:RS485接口, 通信波特率1200 bps, 工作电压:DC9~24V。

3 系统软件设计

系统的操作平台采用Windows XP/2008/7软件, 所有功能操作均具有在线帮助功能, 在中文菜单提示下完成, 并可方便地点击图形, 即点即得所需信息。可随时显示监测数据、图形、曲线和报警点及数值。并且系统具有自诊断功能。设计主要采用C#进行编成。

监测系统的数据都可在监测主机、大屏幕及工作站上显示, 也可编制统一的报表, 打印输出。在显示器上可显示动、静态模拟图形、数据表格、历史曲线、显示采掘平面图、测点配置, 并可打开实时数据显示窗口。由于WINDOWS XP/2008/7操作系统的人机界面十分友好, 因此系统的所有显示和打印全部是中文, 操作人员在操作过程中只要用鼠标器进行简单的点击即可, 任何人都可方便使用。为了确保系统配置等信息不被破坏, 为专门从事系统配置的矿方主管人员配备口令 (或密码) , 只有口令正确才能进入系统配置等的操作。

系统设计了简便的绘图工具。所有动态、静态图形都可由矿上一般操作人员绘制, 绘图时不影响主机的实时监测功能, 系统支持多种图形格式 (bmp、jpg、gif、avi等) 。系统通过显示器可同时显示任选四个被测参数的实时动态曲线;开/停信息及累计量按小时累计、存储, 并可连续保持一年, 如有特殊情况可保存更长的时间, 这些数据可随时用表格、曲线、矩形图 (二维、三维) 、圆饼图等形式显示出来, 也可打印保存。对重要设备用户能够调整模拟量或设备开停信息和存储时间。

在各种显示模式下均有主菜单显示, 主菜单应包括参数设置、页面编辑、控制 (远程控制) 列表显示、曲线显示、状态图、柱状图显示、模拟图显示、打印、查询、帮助、其他功能。根据输入的查询时间, 将查询期间内报警信息、故障信息、异常状态的全部模拟量和开关量列表显示或打印。监测系统的数据都可在监测主机、大屏幕及工作站上显示, 也可编制统一的报表, 打印输出。

4 结语

本系统可以稳定高效的运行, 经过多家矿山企业的应用, 得到了一致的好评。该系统对矿山的安全生产起到了很大的作用, 当发生突发情况能够及时的提醒调度室, 便于预防一些可能发生的灾害, 具有一定的使用价值。

摘要：现在的大型矿山的生产监控管理系统中往往使用到多厂家提供的多种不同类型的设备和子系统, 为了达到方便管理, 保证系统运行稳定的目的, 必须选择一个开放的通信平台, 将各种设备和子系统的通信统一到标准的通信平台上。为了保证良设备间良好的兼容性和可扩展性, 本文设计了通用性较强的矿用监控监测系统, 具有极强的使用价值。

关键词：通信,管理,传感器,监控

参考文献

[1]刘炎, 张立斌, 蒋泽.具有温度及压力补偿的矿用红外甲烷传感器设计[J].工矿自动化, 2012, 38 (06) :7-10.

矿用监测监控系统研究篇2

关键词：煤矿安全监测监控系统对策

我国煤炭资源丰富，但开采条件复杂，自然灾害严重，47%的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井。在当前煤炭市场的推动下，部分煤矿存在突击生产或盲目超产现象，造成近几年矿井安全事故发生率居高不下。为保障煤矿的安全生产，除进一步加强煤矿安全管理意识外，关键是建立煤矿井下安全监测监控系统，形成煤矿井上、井下可靠的安全预警机制和管理决策信息通道。所以当前现代化矿井的生产不仅要解决煤矿生产过程中存在的安全问题、生产自动化的问题、又要了解各种与生产经营相关的信息。建立安全生产、调度和管理网络系统，对井上、井下安全生产全面了解，靠及时准确的信息指挥生产和防止各种事故的发生，已成为煤矿设计工作必须解决的问题。

一、煤矿安全监测监控系统的作用

矿井安全监测监控系统是传感器技术、信息传输技术、计算机应用技术、电气防爆技术和控制技术等多种技术在矿井安全生产监控领域应用的产物，对保障煤矿安全生产，提高生产效率和机电设备的利用率都具有十分重要的作用。

矿井安全监控系统一般由三部分组成：①中心站（包括应用软件、计算机及外围设备）；②信息传输装置（包括传输接口、分站、传输线、接线盒等）；③传感器和执行装置。具体来讲，煤矿安全监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度等环境参数和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控制，用计算机分析處理并取得数据的一种系统。安全监控系统可以为各级生产指挥者和业务部门提供环境安全参数动态信息，为指挥生产提供及时的现场资料和信息，便于提前采取防范措施。另外通过对被测参数的比较和分析，系统可以实现自动报警、断电和闭锁，便于制止事故的发生或扩大；在发生事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材，提供决策信息。

二、安全监测监控系统存在的几个问题

①诊断功能有待加强，系统的可维护性低

现场设备在线故障诊断、报警、记录功能不强，现场设备的远程参数设定困难，影响系统的可维护性。作为管理维护监控系统的辅助手段，部分系统只能对系统的通讯状况诊断，不能详细地判断故障的性质和故障点。但实际工作中要求能迅速判断出分站、传感器或电缆故障之间，或短路报警与真实超限之间的区别，为维护人员提供故障的类型和方位，以便于迅速处理故障地点。

② 现场管理和维护水平欠缺

尽管我国各省市煤炭管理部门都强制性要求各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统，而且近几年再次加大了对矿井安全生产的管理力度，但一些地方国有煤矿，特别是乡镇小煤矿，多数由于缺乏专业技术人员而不能正常使用和维护已装备的系统，甚至对系统配接的传感器根本不进行调校。另外，在大多国有煤矿还存在着监测监控方面的管理制度不够健全、对已经存在的监测监控管理制度执行不严、对监测监控系统的监督管理不到位等问题，严重地制约着安全监测监控系统的正常运行。

③ 通信协议不规范，可集成性差

因为没有一个符合矿井电气防爆等特殊要求的总线标准，所以现有生产厂家的监控系统的通信协议几乎都采用各自专用的，互不兼容。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差，不易于系统功能扩展。在使用中，个别系统虽经多次升级改造，仍不能实现系统资源的有效共享，形成了一个个独立的“信息孤岛”，严重阻碍了矿井安全生产管理水平的进一步提高。

④ 传感器质量和性能差

与安全监测监控系统配接的甲烷传感器和CO传感器已成为矿井瓦斯综合治理和监测煤炭自燃发火灾害预测的关键技术装备，并越来越受到使用单位和研究人员的普遍重视。但在现场使用中，虽然系统主机、分站以及软件已经不断进行升级，但国产安全检测用的传感器几乎全部采用载体催化元件，长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁、灵敏度漂移以及制作工艺水平低等缺点，严重制约着矿井有害气体的正常检测。另外《煤矿安全规程》中对甲烷传感器的调校有严格的规定，调校工作需要专用器具和标准气样，对调校人员的技术水平有一定的要求。很多煤矿往往由于缺乏专业技术人员等原因而不能按时对系统进行维护和调校，甚至从不调校，严重制约了矿井有害气体的正常检测。

三、提高安全监测监控系统良好运行的措施

① 规范监控系统统一通信协议

通信协议不规范将造成设备重复购置、系统补套受制于人和不能随意进行软硬件升级改造等后果。为了改变标准不统一的局面，国家出台了很多规范性规程和标准对监控系统及信息传输协议等进行规范，如《矿井安全监控新标准、新规程汇编及矿井安全监控系统设计与选型手册》等。建议各监控系统统一通信协议，统一采用SQL数据库，采用统一数据格式，这样可以很方便对系统进行维修、补套、升级，也可以很方便的建立矿、公司（矿务局）两级数据存储中心，并与上级监管系统联网，实现系统资源共享。

②发展专家诊断、专家决策系统软件

科研院所应开发专家诊断、专家决策系统软件。专家诊断应具有对故障的智能分析、判断功能，改变系统自检功能单一、简单的情况。在发生事故的情况下，能正确指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材提供决策。

③研究和开发出高品质的传感器

国产安全检测用甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，与国外同类传感器比较差距较大。所以国家科研院所应加大科研投入力度，进一步提高传感器应用的可靠性。

④加强技术培训，完善管理制度

监测监控系统维护要求非常严格，所以在日常监测管理工作中采取多种形式提高维修人员的维修技术和操作水平，每月应组织理论和实践的学习，对新调入的安全监测员，重点加强对其基础知识的学习和培养，合理利用售后服务和兄弟矿井相互指导的便利条件，确保矿井监测系统维护的顺利进行。另外要建立细致严谨的管理制度，及时完善有关监测监控管理的规定和制度，有效提高相互监督、相互预警的能力。

四、总结

安全监测系统是生产、安全及管理方面的一个实时监控系统，通过本系统可以使管理层快速、及时、准确地获取生产相关数据，提高决策的科学性，从而避免或减少因决策失误而造成的安全事故和财产损失。

参考文献：

[1] 搞好矿井安全监测监控系统确保煤矿安全[J].山东煤炭科技.2008年第3期.

矿用监测监控系统研究篇3

目前, 用于电力电缆绝缘监测的方法主要有: 低频叠加法、直流分量法、电缆介质损耗法、直流电压叠加法、局部放电法等[2]。而煤矿供电系统中对电力电缆的在线监测方法多采用基于附加低频电源的监测方法即低频叠加法[3], 但由于此方法叠加的是交流信号, 因此系统杂散电容特别是杂散电容较大时会影响检测效果及检测灵敏度, 并且给正常运行的电缆注入外加信号, 长此以往, 同样会对电缆的寿命造成影响。

局部放电法是国内外专家以及电力权威机构一致推荐的用于XLPE电力电缆绝缘状况监测的最佳方法[4], 局部放电法已在城市电网得到了一定的范围的推广, 效果显著。但由于煤矿的复杂环境影响, 基于局部放电法的矿用高压电缆的在线监测系统一直处于探究阶段。本文研究设计了一种矿用高压电缆局部放电的无损在线监测系统, 提出了形态学滤波与小波阀值相融合的滤波方法, 并从理论分析、系统介绍、实验室模拟实验以及现场测试等方面进行讨论。与煤矿常用的低频叠加法相比, 该方法能够在不影响电缆正常运行的情况下, 根据电缆实时的局部放电信息, 真实地反映出电缆绝缘的损坏状况。

1 监测系统的基本原理与结构

系统的设计以电磁耦合原理的局部放电法为基础, 系统不与高压线路直接连接, 不改变正在运行电缆的结构, 通过安装于屏蔽接地线或电缆本体上的高频电磁耦合传感器, 来感应电缆屏蔽层中的局部放电 ( PD) 脉冲信号。监测系统采用模块化设计, 由高频电磁耦合传感器、采集与处理模块、通信模块和上位机4 部分组成。通过光纤双回路通信技术, 可以有效防止由通信故障造成的监测中断, 实现变电站电缆的同步远程在线监测。由于矿用高压电缆多采用MYJV型交联聚乙烯铜芯电缆, 所以将互感器 ( HFCT) 安装在电缆外层, 系统结构如图1 所示。

2 高频电磁耦合传感器

由于局部放电 ( PD) 脉冲信号具有持续时间短, 频谱宽等特点, 所以传感器应具有良好的灵敏度以及较宽的工作频带。该系统设计采用以自积分形式的罗氏线圈为基础的卡钳式高频电磁耦合传感器, 其结构与等效原理如图2 所示。

根据上述等效电路图, 采用高频小信号并联谐振回路理论对电缆局部放电信号进行分析[5], 可得其工作频率上下限分别为fH与fL, 见公式 ( 1) ( 2) 。

根据公式 ( 1) 、式 ( 2) 以及煤矿特殊环境的限制, 该套设备的高频电磁耦合传感器最终选用MnZn铁氧体材料的钳口形式, 线圈匝数为8 匝, 积分电阻为40 Ω, 其理论灵敏度为5 V/A; 外形尺寸分别为高50 mm、外径100 mm和内径60 mm; 适合于100kHz ~ 5 MHz的中频段局部放电测试。

3 数据采集与处理单元

数据采集与处理单元为系统的核心所在, 选用Xilinx公司生产的XC6SLX150 型号FPGA为主处理芯片, 采集后的信号先经过前置的形态学滤波电路的初级调理, 接着采用基于Sqtwolog ( 即长对数阀值法) 的小波阀值滤波法进一步去除白噪声干扰和窄带信号干扰[6,7,8]。

3. 1 形态学滤波器

形态滤波器 ( MF) 利用数学形态学变换把信号中的复杂成分分解为多个具有物理意义的部分, 使信号与背景分离并保持其全局或局部的主要形态特征[9,10,11]。MF的实现是基于数学形态学, 其中数学运算应用到信号和结构元素 ( SE) 中, 从而提取形态特征。设xn为一维信号x = ( 0, 1, 2, …, M - 1) , sn为结构元素s = ( 0, 1, 2, …, M - 1) ; 定义为腐蚀运算;为膨胀运算;为开运算;·为闭运算。

设计采用开—闭和闭—开滤波器组成交替混合滤波器来滤除白噪声和脉冲噪声。其定义如式 ( 7) 所示:

3. 2 基于Sqtwolog函数的小波阀值

长对数阀值法 ( Sqtwolog) 是一种统一阀值去噪的方法, 原理是: 如果多维独立正态变量联合分布时, 在维数上就会趋向于无穷, 然后在最值估计的限制条件下得到阀值的最优值, Sqtwolog阀值的计算公式为:

式中, N为待分析细节层的小波系数个数;为噪声标准差估计。

采用软阀值法对小波系数dnj的处理方法如下:

4 系统的实验室及现场性能测试分析

4. 1 实验室模拟实验分析

在实验室环境下, 建立6 kV矿用电缆放电模型 ( 图3) , 对所设计的监测系统进行模拟实验研究。

从图4 所示的实验波形可知, 由于实验室环境安静, 噪音干扰很小, 可以得到清晰的放电痕迹, 所以实验室模拟主要检验系统对局部放电信号监测的准确性。通过实验室模拟实验, 充分证明了该系统对PD监测的有效性与可靠性。

4. 2 现场调试效果分析

将监测系统安装于平煤股份十矿变电所, 并分析了系统降噪能力和绝缘监测系统的整体性能。图5 ( a) 为互感器安装图, 图5 ( b) 为现场监测系统整体调试图。

通过在6 kV配电柜正常运行的电缆上安装监测系统装置, 得到如图6 所示波形。由滤波前后效果对比, 以及现场数据的采集分析, 在最终显示的PD信号中, 噪声得到了很好抑制, 证明了监测系统具有很好的降噪能力。通过现场长时间的运行测试, 表明该检测系统整体运行稳定、性能良好。

5 结语

本文设计了一种矿用高压电缆无损在线绝缘系统, 并提出了形态学滤波器与小波阀值相融合的降噪方法。经过实验室以及对平煤股份十矿在运行电缆的现场测试, 表明该监测系统能够提高信噪比, 有效地去除矿用高压电缆局部放电的噪声干扰, 较好地保留了局部放电的宽频带特性, 提高了在线绝缘检测的可靠性, 能够满足煤矿复杂环境下在线连续绝缘监测的应用条件。

参考文献

[1]梁增元.煤矿低压电缆绝缘状态检测与寿命评估[J].煤炭技术, 2012 (3) :81-82.

[2]随慧斌, 李靖强, 杨晓娟, 等.XLPE电缆局部放电在线监测系统研究[J].山东大学学报:工学版, 2012 (4) :126-131.

[3]苏文, 宋建成, 许春雨, 等.基于低频叠加法的矿用低压电缆在线监测研究[J].煤炭技术, 2014 (5) :176-178.

[4]IEEE.IEEE Std 400.3-2006 IEEE Guide for Partial Discharge Testing of Shielded Power Cable Systems in a Field Environment[S].[S.l.]:IEEE Power Engineering Society, 2007.

[5]陈庆国, 蒲金雨, 丁继媛, 等.电力电缆局部放电的高频与特高频联合检测[J].电机与控制学报, 2013 (4) :39-44.

[6]唐明, 梁得亮, 王青山, 等.矿用电缆局部放电监测的最优二代小波包基降噪[J].西安交通大学学报, 2013, 47 (12) :32-37, 76.

[7]张晓星, 周君杰, 李楠, 等.抑制局部放电白噪声的分块阈值空域相关联合去噪法[J].高电压技术, 2011, 37 (5) :1142-1148.

[8]Shalvi O, E Weinstein.New criteria for blind deconvolution of nonminimum phase systems (channels) [J].IEEE Transactions on Information Theory, 1990, 36 (2) :312-321.

[9]狄红卫, 许瑶.数学形态学在图像滤波中的应用[J].暨南大学学报:自然科学与医学版, 2003 (3) :42-45.

[10]刘云鹏, 律方成, 李成榕, 等.基于数学形态滤波器抑制局部放电窄带周期性干扰的研究[J].中国电机工程学报, 2004, 24 (3) :169-173.

矿用监测监控系统研究篇4

【關键词】信令监测；TD网络监测

【中图分类号】TN929.5 【文献标识码】A 【文章编号】1672—5158（2012）08—0091-02

随着中国移动网络规模的不断扩大以及各种通信业务的迅速增长，作为现代网络通信的神经枢纽，信令网在移动通信中发挥的作用越来越大，对信令网的管理和维护的要求也非常高，而且信令协议承载着业务网络运行的所有信息，是非常宝贵的信息资源。信令监测系统不同于信令网管系统，网管系统是针对STP的管理，实现信令网的性能管理、告警及故障管理、配置管理等，着重宏观的管理，而信令监测系统平台在协议、网络、业务等的深层次的分析和实时性监视方面具有更强大的功能，是信令网集中维护和管理、话务网网管、网络优化、网间服务质量监视分析和网间结算核查、业务话务模型分析、网络规划、故障快速定位和排除等的有效的支撑手段之一。

为了能将中国移动TD-SCDMA网络尽快调整为高质量网络，保障网络高质量运行、为客户提供满意服务，需要借助信令监测系统来发现、分析网络中的不同设备商之间信令不兼容、信令消息不规范、参数设置不正确、局数据错误等问题，重点辅助业务开通测试、网络故障排查、客户投诉处理等项工作。

此外TD-SCDMA网络支持业务种类丰富、业务质量机制复杂，通过信令监测系统可实现精细化的网络和业务分析，更详细掌握业务实际运行质量、业务分布和发展趋势，从而合理规划、调配网络资源。在与2G网络长期共存的复杂环境下，信令监测系统将是保障网络高质量运行、快速响应用户投诉的有力支撑。

信令监测系统是通信网络运行维护的重要支撑系统之一。信令监测系统以不影响网络运行的高阻跨接、端口镜像、能量分配等方式采集各类信令和协议数据，进行信令协议解码，合成CDR，再现业务接续全过程，进行网络和业务各类指标统计，从而帮助网络维护和分析人员掌握分析网络与业务运行情况。

信令监测系统是在全网部署、全天候监测的“大仪表”，其最基本、最核心功能是协议分析、呼叫跟踪，此外提供网络告警和预警，精细化的网络分析、业务分析和用户分析等功能，并可为新业务实施提供一定支撑。信令监测系统重点考虑对网内薄弱环节以及与外网互联互通环节的监测，是新业务开通测试、处理用户投诉时诊断网络故障的有力工具，是网络和业务运行质量精细化分析的有力工具，同时也是获得网络和业务KPI指标的数据源之一。

GoS是3G测试的关键。软交换的核心思想就是把媒体和承载相分离。首先，在3G核心网采用的接口为百兆或者千兆以太网口，为信令监测同时带来了有利和不利的双重影响，有利因素表现在，现在通过以太网交换机很容易做端口镜像或TAP复制，容易对软交换的信令进行统一监测，使得用于监测的探针的投入数量减少，节约资源。不利因素表现在由于协议数据的流量会非常大，在实际监测中，信令任务聚合起来以后将达到几十兆甚至上百兆的流量，捕获大容量的信令流将是个难点。

TD-SCDMA作为中国自主研发的3G标准，经过几年的发展日趋成熟，目前正在为大规模商用作最后的准备和验证工作。虽然TD-SCDMA技术和产品正在不断成熟，但是一方面，由于TD—SCDMA相对传统的GSM，网络接口和协议更加复杂、在物理层和网络层运用了多项有特色的技术，比如联合检测、低码片速率，切换技术和动态信道分配DCA技术等等，这些新技术的应用必然会给网络建设和运营带来新的挑战；正是由于这些复杂性，3G业务走向市场还面临着许多问题，最根本的问题是如何达到3G标准所设定的服务质量目标。

我们知道，经过10多年的不断完善，2G的GSM网络的服务质量才达到了较完美的状态。当3G网络建设完成以后、面对3G终端用户的时候，服务质量问题的解决就变得特别具有挑战性。如何尽快地缩短这两者之间的差距，并在网络运营成本和服务质量之间寻求有效的平衡是所有3G运营商都需要面对的课题。解决这些问题的一个关键因素就是如何完善3G测试技术，并建立一套相应的故障检测和网络优化技术体系。

和传统的GSM移动通信网相比，TD-SCDMA通信网有如下不同：

1、接口类型不同。

2、接口流量不同。我们知道，传统的E1传输流量是2Mbit/s，但是FE/GE的流量一般也有几十Mbit/s，STM-1/STM-4则会有上百Mbit/s。

3、接口协议不同。

由于以上接口的复杂性，给网络测试带来了巨大的困难。如果使用测试仪表或者不同类型的信令监测系统对网络进行测试，实际上只能对局部或者部分网络和业务进行测试，达不到全城全网全业务测试的目的，非常不利于全网的故障定位和运营水平的提高。因此提供一种能够针对不同接口、不同协议（业务）的综合测试平台，是解决3G网络运行问题的关键。

中心站负责CDR记录数据的收集、储存、统计、应用等，提供web界面。数据储存部分，即数据库服务器和磁阵之间，用2台光纤交换机组成SAN，保证了数据的有效性和稳定性。中心站一般是维护和应用的中心，利用储存的各种形式CDR/TDR数据，组成统一的数据平台，支持各种业务的统计分析和应用。同时中心站还可以利用远端站储存的原始信令，对各种业务进行全程全网的实时关联分析，解决网络故障，提高运营水平。

针对TD-SCDMA接口复杂的问题，监测系统遇到最大的问题是如何统一远端站信令采集设备，如果使用单独的信令监测系统（如GSM信令监测系统、GPRS信令监测系统、软交换信令监测系统、UMTS信令监测系统等）的设备，那么就很难做到全程全网的实时关联，同时各种监测系统的采集设备不同，给系统维护和系统稳定性都带来了很大的问题。需专门研发信令采集统一平台，结合分布式部署的信令处理机，组成统一的信令处理平台，从而提供了一套完整的统一解决方案。

矿用监测监控系统研究篇5

煤炭是我国主要能源之一, 对国民经济的发展起着至关重要的作用, 但煤矿企业的安全生产形势比较严峻, 矿井气候条件对井下工作人员的安全、健康和劳动生产率影响非常大, 而构成井下气候条件的诸多因素中包含重要的两个因素,即温度和湿度。井下温湿度的变化主要有几个方面,(1) 随着矿井深度的增加, 温度和湿度都会不断上升;(2) 矿井中的透水区域, 随着透水水量的增加, 该区域的湿度也会增加,采煤工作面的实际相对湿度都在90%以上[1]。目前关于温湿度的监测很多是通过单片机软件编程产生传感器周期采集信号,稳定性差, 达不到实时采集温度湿度的要求, 并且存在控制方法落后、波动大等问题[2]。

采用32位ARM9嵌入式微控制器和Linux操作系统, 通过温湿度传感器采集信息, 并对传感器的选型和算法上进行改进, 从而使温湿度监测系统达到相对较高的要求, 具有系统扩展性强、可靠性高、测量和监控精度较高、响应速度快等特点。

2 系统总体设计及硬件选型

温湿度监测系统涉及的模块主要有: 电源模块、复位电路、传感器采集模块、键盘模块、显示模块、报警电路、GPIO等。系统结构总体框图如图1所示。

在综合考虑系统功能、开发成本等因素下, 系统选用广州友善之臂计算机科技有限公司设计生产的Mini2440开发板作为硬件平台。Mini2440采用Samsung S3C2440A微处理器。Samsung S3C2440A是一款32位的、基于ARM920T内核的RSIC嵌入式微处理器, 面向的是高性价比和低功耗的应用。

系统使用的是数字温湿度传感器DHT21。该传感器应用专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术, 是一款含有已校准数字信号输出的能对温湿度进行检测的复合传感器, 产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性[3]。传感器包括一个NTC测温元件和一个电容式感湿元件 , 并与一个高性能的8位单片机相连接。

湿度传感器的精度是在某一指定温度下 (如25℃) 的值,在不同情况、不同温度下使用湿度传感器, 所示值要考虑温度漂移的影响[4]。温度一般严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1℃, 将有可能产生0.5%RH的湿度变化及误差。可见 , 相对湿度是温度的函数 , 这也是本系统选择DHT21温湿度一体化传感器 , 而没有单纯选择温度和湿度传感器的缘故。

DHT21电气特性如表1所示。

采样是监测系统中对信号采样的基本要求。本系统对井下温、湿度信号进行采样, 一般温、湿度信号变化周期以分钟计, 文中的温、湿度采样周期为2秒左右, 采样足够准确。

3 系统硬件

硬件部分是整个温湿度监测系统的基础, 其性能的好坏对系统功能的实现至关重要。

3.1 电源模块

在系统中使用了+12VDC、 +5VDC、 +3.3VDC 3种直流稳压电源。其中, 内核工作、ARM的IO端口工作、部分器件需3.3V电源, LCD需要5V电源。核心板和扩展板上电路的供电由扩展板的电源模块负责提供, 采用线性稳压器。为了方便用户外接其他电源, 设计了一个白色2.0mm间距的单排插座电源接口CON8, 中间均为“地”, 两侧均为5V。

3.2 复位电路

CPU所需要的低电平复位由本开发板采用复位芯片MAX811实现。另外, 本系统同时使用了看门狗复位。

看门狗根据程序在运行指定时间间隔内是否进行相应的操作来判断程序运行是否出错, 若未按时复位看门狗, 定时器会出错。因此看门狗是保证嵌入式软件长期、可靠和稳定运行的有效措施之一。

3.3 GPIO

本系统带有一个标称为CON4的34 Pin 2.0mm间距的GPIO接口。CON4包含了很多的GPIO引脚 , 还包含了其他一些CPU引脚, 如SPI接口、I2C接口、GPB0和GPB1等。GPIO既为外围设备提供了信号输出的引脚 , 也提供了从外围设备输入信号到ARM的引脚。另外, ARM提供多路GPIO复用管脚, 这些管脚在使用前必须先将其驱动起来。

3.4 传感器采集模块

本系统采用了单总线温湿度传感器DHT21, 数据采集电路因此变得异常简单, 数据线与ARM系统的GPIO口GPF0相连接,电源和地与CON4的1脚 (VDD5V) 和3脚 (GND) 连接即可。

3.5 键盘模块

在ARM嵌入式应用中, 人机交互对话最通用的方法就是通过键盘和LCD显示进行的。一般通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。

本系统总共有6个均从CPU中断引脚直接引出的按键,它们属于低电平触发。这些引脚可复用为GPIO和特殊功能口, 所以用按键处理程序、中断方式或按键扫描方式皆可。

3.6 显示模块

本开发板的LCD接口包含了常见LCD所用的大部分行场扫描、时钟和使能控制信号、完整的RGB数据信号。还引出了PWM输出、复位信号、背光控制信号等。其中37、38、39、40为四线触摸屏接口 , 可直接连接触摸屏使用。

3.7 报警电路

本电路采用蜂鸣器报警。通过PWM控制开发板的蜂鸣器SPEAKER, GPB0通过软件设置为PWM输出。因为GPIO口无法直接驱动蜂鸣器, 因此采用三极管9014来实现对蜂鸣器的驱动。

4 系统软件

软件是整个控制系统的灵魂, 良好的软件设计不但能充分发挥微处理器在数据处理上的速度优势, 更好地完成控制功能, 还能大大提高系统的可靠性。

4.1 嵌入式 Linux 操作系统的建立

(1) 建立交叉编译环境。一般来讲 , 交叉开发环境需要二进制工具程序、编译器、C连接库, 嵌入式开发常用的3类软件是: Binutils、Gcc、u Clibc。本系统使用的交叉编译器为arm-linux-gcc-4.4.3。

(2) 编译内核。这一步 , 需要用上一步建立的工具 , 对内核进行编译。Linux内核是Linux系统中最关健的部分 ,Linux内核主要由进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口、进程间通信等5个子系统组成[5]。Linux源码采用C语言和汇编实现 , 其内核源程序的目录分布主要在/arch、/drivers、 /fs、 /kemel、 /mm、 /indude、 /init等目录。一般在每个目录下, 还有作为编译时使用的辅助文件, 分别是depend文件和Makefile文件[6]。

(3) 建立根文件系统。建立诸如bin、dev、proc等目录及一些必备的文件。常用busybox来完成, 包括系统引导软件init。最后为系统建立初始化的引导文件等。

(4) 启动系统。把建立好的目标、程序、文件、内核和模块全部拷贝到目标机存储器上 , 接下来为系统安装bootloader, 做到这一步 , 将目标存储设备挂上目标机 , 这样就可启动系统。

(5) 优化和个性化系统。

4.2 系统软件设计

主程序主要完成系统的初始化, 调用按键处理程序、显示子程序、温湿度数据采集子程序进行数据处理和比较, 以判断是否达到设定超限的温湿度值, 如达到则报警。其主程序流程图如图2所示。

温湿度数据采集子程序流程图如图3所示。

5 结语

矿用监测监控系统研究篇6

矿用隔爆型高压开关柜是煤矿供电系统中的关键设备,起着控制和保护作用,它的安全可靠性关系到整个供电系统的正常运行。在开关柜长期运行过程中,由于电、热和化学作用,可能导致开关柜的绝缘性能发生劣化,产生局部放电现象,进而发展成为故障电弧。故障电弧的发生会辐射出巨大的声、光、电、热等能量,虽然矿用开关柜已采用一定的物理隔爆措施,但严重的故障电弧仍可能造成开关柜毁坏,引发煤矿瓦斯爆炸,带来巨大的生命和财产损失。据美国NEC(National Electrical Code)统计,约有40%的电气故障是由故障电弧引起的,造成平均每年336人死亡,1 446人受伤,直接经济损失6.44亿美元。德国科隆精密机械行业工伤事故保险联合会编制的关于中低压配电设备事故最新统计报告指出,近几年来中低压成套开关设备电气事故中与电弧故障有关的超过50%[1]。因此,如何及时识别和定位开关柜中出现的故障电弧并在其出现初期就提供预警信息,采取有效的控制和保护手段具有很高的实用价值。

围绕如何有效地进行开关设备内部电弧故障监测和保护这个问题,国内外相关学者进行了大量的研究工作。国际上从20世纪初开始研究电弧故障的物理特性、产生机理及探测方法,其目的就是通过研究故障电弧的发生机理与特点,提取其发生时的相关伴随信号,如电压、电流、弧光、弧声、电磁能量、压力波等,结合复杂的算法来及时发现和切断故障电弧,提高开关设备的工作可靠性[2,3,4,5,6,7,8]。近年来,国外已经研发出一些弧光监测与保护系统,典型产品包括德国Moelle公司的ARCON故障电弧保护系统,ABB公司的ARC Guard System保护系统和芬兰Vaasa公司的VAMP保护系统等。这些系统是基于监测电弧故障时发出的弧光以及过流双判据,以提供快速而安全的母线保护,为限制电弧故障损坏提供了有效的解决方案[9]。但这些系统往往比较复杂,实现起来难度较大,价格高昂,因而限制了其的推广使用。

相对于国外在这一领域的研究,国内在电弧诊断与保护方面仍处于起步实验研究阶段。西安交通大学开发了基于光纤传感器和弧光信号监测单元的弧光单判据监测系统,这是国内首次开发成功的开关柜内部电弧在线监测和保护装置。此外国内也有基于电弧光谱中紫外线来分析故障电弧的装置[10,11]以及基于电弧电磁能量[12]和压力特性[13]等的故障电弧监测保护装置,但上述一般均采用单判据监测方法,可靠性仍有待论证,暂时还无法推广到工程实践中去。因此在现有研究成果的基础上,针对矿用开关柜的特殊要求,提出一套可靠性高,抗干扰性强,动作快速,使用简便,成本低廉的故障电弧监测和保护装置是非常有必要的。

基于此背景,本文提出了一种基于故障电流和故障电弧弧光双判据的监测方法以实现故障电弧定位监测和保护的双重功能,结构简单,具有较强的稳定性和可靠性。

1 系统总体方案

本系统由故障电流监测模块、弧光监测模块、柜内温湿度监测模块以及中央控制单元构成。其中,故障电流监测模块用于监测开关柜的进线侧电流;故障电弧监测模块用于监测开关柜的弧光信号;温湿度监测模块对开关柜母线室和电缆室温湿度实时监测。中央控制单元搜集上述3个模块的监测信息,运用专家系统进行综合判断,识别并定位故障电弧,输出保护控制信号及故障信息数据。系统的结构框图如图1所示。

如何通过搜集得到的电流、弧光和柜内温湿度信号,准确预测并识别电弧故障,是系统研究的关键点。故障电弧产生的时候,进线侧电流会瞬间变大,因此,同时监测到弧光信号与电流瞬间增强,可准确判断电弧故障的发生,避免单一监测可能带来的误判。当同时检测到故障电流和弧光信号时,发出跳闸指令;当仅检测到两者之一时,发出报警信号。故障电弧保护原理如图2所示。另外,柜内温湿度过大是造成电弧故障的一个重要因素,因此,当柜内温湿度过大时,自动启动风扇实现降温除湿;如果温湿度依然过高,启动报警。

2 系统硬件设计

2.1 故障电流监测模块

故障电流监测模块完成故障电流的采集和辨识,为开关设备的动作提供依据。电流互感器对开关设备每相进线上的电流进行监测,实时动态地输出所监测到的电流信号,依次经过整流分压电路单元、信号转换单元、电平判断单元、积分单元、输出单元,产生开关设备的故障电弧信号,送入中央控制模块进行分析和存储。

2.2 故障电弧监测模块

故障电弧采集模块完成对弧光信号的调理和采集功能,包含安装于开关设备母线室内用于采集弧光信号的凸透镜,以及依次串联的弧光感测电路、比较电路、锁存电路、多路选择开关。凸透镜按照像距和物距的位置放置于开关设备母线室需要监测的位置。本系统根据母线室和电缆室内的位置布局和易于发生故障电弧的所在地,将8个不同焦距的透镜分别安装在母线室和电缆室内,以全面监测可能产生的电弧光信号。经过透镜后的电弧成像光路如图3所示。

弧光感测元件为光敏三极管阵列,本设计中将其组成8×8的阵列,将从凸透镜聚焦的光信号转换为电信号。图4为利用虚拟仪器技术模拟的电弧成像分布图。图中圆圈代表感光元件,阴影部分为故障电弧的成像,根据凸透镜、弧光故障位置和光敏三极管之间的位置关系即可换算出设备中发生电弧故障的位置,因而可以很好地反映电弧的发生、发展过程,为后续的弧光故障分析提供很好的依据。

如图4所示,每个凸透镜后面有64个光敏三极管阵列,而每个光敏三极管都对应着独自的信号处理电路。如图5所示,先经过信号放大,再通过比较电路与设定的基准电平比较,确定电弧成像有没有到达后方相应的弧光感测电路光敏元件所在区域,从而形成电弧图像信号;锁存电路锁存电弧图像信号,并通过多路开关与中央控制单元进行数据传输,而后送入监控后台进行模拟电弧成像处理。本系统中8路弧光信号通过或门或多路选择器循环采样,任何一路发生弧光即可产生故障信号。

2.3 温湿度监测模块

本系统采用温湿度传感器SHT71实现对母线室和电缆室的温湿度监测。SHT71是一款基于两线数字输出的集成温湿度传感器,能同时测量温度和相对湿度,具有露点值计算输出功能。传感器中还集成了14位的A/D转换器、标定数据存储器和稳压电路,输出数字信号可以直接送到微控制器,无需外围元件,测量精度高,抗干扰性好。

2.4 中央控制模块

中央控制模块完成对故障电流监测模块,故障电弧采集模块和温湿度监测模块输入信号的分析,准确判断故障电弧是否产生,并利用故障电弧图像反向定位电弧发生位置。同时,通过CAN总线实现与上位机通信,发出故障信息与动作指令(包括启动风扇)。本设计中STM32系列ARM处理器作为主控芯片,共采集3路进线电流信号,8路弧光信号,2路温湿度信号。主控板的整体硬件结构如图6所示。

3 系统软件设计

中央控制模块完成的主要任务包括电流信号,弧光信号,温湿度信号的采集分析并与监控后台的CAN总线通信。主程序流程图如图7所示。

系统启动后,首先进行初始化,然后运行主程序。主程序是一个无限循环的采集、判断与通信过程。通过对弧光、电流、柜内温湿度信号的采集并与设定值简单比较,如果超过设定值即启动专家系统进行智能化分析。如果发现异常,则根据异常情况启动风扇、报警及跳闸。每一次监测与判断完成后,都通过CAN总线将监测结果及故障分析与处理结果上传给后台PC机。

本系统建立了故障电弧监测专家系统,用于对监测信息进行智能化分析和处理,其原理框图如图8所示。电弧故障发生时,进线电流的突变与电弧之间的相互关系可以通过仿真与实验来得到,这将作为专家知识写到系统中。另外,设备使用过程中的老化,比如传感器本身感测能力的下降,以及对温湿度敏感程度的增加,在系统中都加以考察,从而使故障判断阈值柔性化,更能准确的识别、定位电弧故障并实现保护功能。

系统采用CAN总线实现与后台机的信息交互。CAN总线的仲裁模式,可以保障信息按优先级别实现主动上传,及时反映故障信息。发送与接收程序流程图如图9所示。发送时,将待发送信息按特定格式组合成一帧报文,送入发送缓冲区中,启动发送位,即可发送报文。当监测到接收缓冲器中存在有效报文后,接收子程序将缓冲器中的内容读入CPU的数据存储区,完成接收后检查总线状态及溢出情况等并做相应处理。

4 结论

矿用监测监控系统研究篇7

一、矿用高压电缆接线盒

矿用高压电缆接线盒是煤矿井下应用较多的设备其主要由防爆外壳、接线端子和基座组成, 防爆外壳为钢板结构, 上盖采用螺栓压紧结构, 两侧为电源线进出线端口, 接线端子位于壳体内的基座上, 连接时采用压板将电缆接头压接, 接线端子固定在机座上, 基座为高压瓷瓶结构, 基座上设有辅助接线端子。矿用高压电缆接线盒适用于爆炸性气体 (甲烷) 和煤尘混合物的矿井中, 用于连接交流50Hz, 电压3.3k V、6k V和10k V电网中的电缆。矿用高压电缆接线盒用于周围空气温度-20℃—+40℃、空气相对湿度不大于95% (+25℃) 、无强烈颠簸和冲击震动、无滴水和雨雪侵入的工作场合。

二、矿用高压电缆接线盒温度监测系统设计

煤矿井下巷道结构复杂, 大部分为树形或者鱼刺形结构, 井下电网结构十分复杂, 高压电缆接线盒具有分布面广、相距较远、集中性差等特点。结合以上特点, 以数字信号处理器 (DSP) 为核心设计矿用高压电缆接线盒温度监测系统, 系统主要由DSP最小系统、温度检测单元、超温报警单元、显示单元和通信单元组成, 其中DSP最小系统采集温度监测单元反馈的数据, 并进行计算、处理;温度检测单元用于接线盒内部温度测量, 超温报警单元以声音和光的方式提示超温故障, 显示单元用于显示系统的工作状态和接线盒内部温度情况, 通信单元用于实现监测系统与计算机之间的通讯, 下边对DSP最小系统、温度检测单元和超温报警单元进行详细设计。

2.1 DSP最小系统设计

数字信号处理器 (DSP) TMS320F2812最高数据处理频率可达到150MHz, 具有12位16通道模/数转换器, 单路转换时间最快可达60ns, 具有浮点型数据计算函数库, 能够在定点处理器上实现浮点计算, 同时在处理器中集成了具有串行通信和e CAN通讯标准通信接口, 方便了与上位机和一些测量设备的数据传送, 在伺服电机控制、电气设备状态监测、汽车通讯和航空航天等领域具有广泛的应用。

2.1.1电源电路设计

TMS320F2812工作需要内核1.8V和I/O端口3.3V两种供电电压, 选用正向低压降稳压器AMS-1117为DSP内、外核供电。AMS-1117具有可调输出和固定输出两种模式, 固定输出电压档分为1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V等, 输出精度可达1%, 系统选用输出电压为3.3V和1.8V的AMS1117-3.3及AMS1117-1.8为DSP芯片供电。双稳压芯片供电电路如图1所示, AMS1117-3.3稳压芯片输入5V的直流电压输出3.3V的直流电压作为TMS320F2812的处理器供电电源, 同时3.3V供电电压上电后, 通过稳压芯片AMS1117-1.8的稳压后输出1.8V的内核供电电压, 为DSP的内核供电, 实现了双电压供电方式。

2.1.2系统时钟和复位电路设计

时钟的质量和精度直接关系到检测系统的测量精度和可靠性。本文选用30MHz有源晶振为DSP提供外部时钟信号, 经过DSP的PLLCR设置锁相环的工作模式和倍频系数, 输入5倍于时钟信号的乘法因子得到150MHz的内部时钟信号。为了使DSP能够在上电后自动加载FLASH中的程序, 需要设计可靠的复位电路, 如图2所示。电阻R、极性电容Cr和复位开关共同组成系统复位电路。当电源上电后, 利用电容Cr的充电, RS复位端维持低电平状态, DSP上电自动复位操作成功, 复位后DSP程序从000h开始运行。

2.2温度检测电设计

监测系统主要对矿用高压电缆接线盒的内部接线端子进行温度测量, 选用温度传感器AD590作为温度测量元件, 测量时将温度传感器粘贴在电缆接线盒内部接线端子上, 传感器输出信号经过LM358运算放大器和HCNR201光电耦合后发送给DSP芯片, 温度检测单元电路如图2所示。AD590是美国AD公司研制的一种电流式集成温度传感器, 这种器件在被测温度一定时, 相当于一个恒流源, 输出1μA/K正比于绝对温度的电流信号, 具有较强的线性度和抗干扰能力。

2.3超温报警单元设计

监测系统超温报警单元由蜂鸣器和发光二极管组成, DSP的数字信号输出端口输出端和电阻、报警指示灯相连接, 矿用高压电缆接线盒温度过高时DSP输出高电平, 报警指示灯 (发光二极管) 闪烁, 同时与蜂鸣器相连接的DSP端口输出高电平, 三极管导通, 蜂鸣器发出报警警报, 提醒工作人员进行超温事故处理, 同时设有复位电路, 用于关掉报警信号。

三、结束语

本文矿用高压电缆接线盒温度测试问题进行研究, 设计了基于DSP的温度实时监测系统, 重点设计了DSP最小系统、温度监测单元和超温报警单元。监测系统具有结构简单、稳定性能高和实时性好等优点, 为煤矿井下高压接线盒状态监测与评估技术的发展奠定基础。

参考文献

[1]国家安全监管总局国家煤矿安监局.关于进一步加强煤矿安全监管监察工作的通知.[2012]130号;

[2]周龙, 陈明义.电力电缆绝缘性能检测方法分析[J].武汉工业学院学报, 2003, 22 (2) :60-62.

便携式矿用钻场视频监控系统研究篇8

监控煤矿采煤、掘进工作面、钻场工作面的现场工作状态可有效预防煤矿突出事故, 保障煤矿职工生命安全。传统视频监视系统在煤矿井下已经得到广泛的应用, 但是综采、综掘工作面和瓦斯治理区域钻场的视频监控系统一直没得到大规模的的推广应用。

1 矿用摄像仪分析

1.1 矿用摄像仪特点

矿用摄像仪按照防爆型式可以分为两种:隔爆兼本安型摄像仪, 本安型摄像仪, 其特点如表1。

矿用摄像仪也可分为数字摄像仪和模拟摄像仪两类, 其特点如表2。

数字摄像仪KBA5的典型链接见图1。

1.2 网络延伸器的特点

(1) IP端到端网络。采用EDSL技术, 可实现网络中心与最终用户之间的IP端到端传输, 中间无协议转换, 减少了信令处理的复杂性, 提高了传输效率, 使网络结构更加简捷。 (2) 双向带宽动态分配、应用范围广。EDSL使用半双工通信方式, 这样可以动态的分配上行和下行拥有的时间片。 (3) 智能频谱管理。在从局端到用户的这段线路里, 同一束线缆中可能同时存在着POTS、ADSL、ISDN、E1/T1、HDSL或SDSL。 (4) IP包无碰撞机制。传统的以太网采用CSMA/CD方式通信。 (5) 突发技术。对于以太网络, 信息的传输是突发的。 (6) 低功耗。由于采用了突发技术, EDSL系统大部分时间处于低功耗运行, 系统的平均功耗大大降低。

1.3 矿用摄像机改造

KBA127B, KBA18, KBA5可利用网络延伸器进行改造, 其中KBA5的改造图如图2所示。

从图1和图2的对比可以看出来, 改造后设备数量增加。利用网络延伸器可以避免在高突工作面使用光缆, 因此考虑将摄像仪和网络延伸器结合在一起, 如图3所示。

2 新型摄像仪

2.1 新型摄像仪结构

新型摄像仪的内部结构如图4所示。

2.2 新型摄像仪特点

(1) 本摄像仪内部集成网络延伸器模块, 可以直接输出单对双绞线传输信号, 高突巷道内完全不使用光缆。 (2) 本摄像仪内部网络延伸器模块具有两个RJ11接口和两个RJ45接口。 (3) 摄像头模块通过强光抑制等技术手段, 解决井下部分场景由于灯光的直射而造成画面大面积发白的现象。 (4) 在摄像仪内部又加入了语音对讲模块。 (5) 整机、各种电路、模块采用本安型设计, 维护方便。 (6) 本摄像仪采用长方形壳体, 可有效利用空间。

2.3 新型摄像仪使用方法

新型摄像仪在使用时需要配合KJJ12矿用本安型网络交换机或KCT18矿用本安型网络延伸器使用。如图5所示。

3 结论

(1) 基于网络延伸器设计的新型矿用摄像仪可以解决综采、综掘工作面和瓦斯治理区域钻场的视频监控系统布线难题。 (2) 新型摄像仪因为采用了纯电缆的传输方式, 线缆接续简单, 故障排除时间大大缩短。 (3) 新型摄像仪具备级联的功能, 如果一条巷道内需要布置多个视频监控点时, 可以减少布线长度, 方便施工。

摘要：随着传输技术和计算机技术的发展, 单对双绞线通信电缆数字传输应用得到广泛普及, 为瓦斯抽放巷钻场的视频监控系统提供了解决方案。本文结合煤矿采煤面设备及环境的实际情况, 采用单对双绞线数字传输, 把现场采煤面实时视频信号, 远距离传输至监控室, 解决瓦斯抽放巷特殊环境的实时监控问题。

关键词：便携式,煤矿工作面,视频监控

参考文献

[1]GB 3836-2010, 爆炸性气体环境用电气设备[S].

[2]谭宏, 丁有玺.EDSL无光纤视频系统建设方案探究[C].电力信息化高级论坛论文集, 2007.

仓桥水晶梨生长监测系统研究篇9

关键词：水晶梨；生长参数；远程监测；无线技术；应用效果

中图分类号： TP277.2；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0380-04

收稿日期：2013-09-06

基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（编号：200802800007）；上海市科学技术委员会项目（编号：10510500600）；上海市特色高等职业院校建设项目（编号：C603）；上海农林职业技术学院项目（编号：091221）。

作者简介：王兴旺（1978—），男，河南开封人，博士研究生，副教授，主要研究方向为数字农业、农业信息技术。Tel：（021）57729719；E-mail：gpguiping@163.com。农作物生长监测技术在许多发达国家如荷兰、美国、以色列等已相当先进，能够达到对多因素综合控制的水平，但其价格昂贵，维护不方便，以荷兰为代表的欧美国家的生长监测系统开始向网络化、无线化方向发展[1]。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第1个无线葡萄园，用于测量葡萄园中环境的细微变化[2]。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔1 min检测1次土壤温度、湿度或該区域有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。英国的农作物生长监测系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在农作物生长过程中的成功应用[3]。美国开发的农作物生长监测系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动监测，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于农作物生产[4]。

随着无线传感器网络技术的快速发展，人们也开展了农作物生长监测系统的应用研究。例如，北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”把无线传感器网络示范应用于温室农作物生产中[5]；2008年10月，上海市计算机研究所研发三部已将自主知识产权的自组织树型无线传感器网络系统应用到了上海奉贤花卉大棚监测系统中，大大提高了工作效率。

仓桥水晶梨是一种新型的梨品种，其果实为圆球形或扁圆形，平均单果重385 g，最大560 g；果皮近成熟时乳黄色，表面晶莹光亮，有透明感，外观诱人；果肉白色，肉质细腻，致密嫩脆，汁液多，可溶性固形物含量14%，石细胞极少，果心小，味蜜甜，香味浓郁，品质特优[6]。2011年，仓桥水晶梨正式被国家质监总局批准为“国家地理标志产品”。仓桥水晶梨日前已经成为上海地区重要的水果类拳头产品，但针对仓桥水晶梨生长的监测系统很少，甚至未见报道，根据目前仓桥水晶梨的生产现状，笔者对仓桥水晶梨生长监测系统的研发与应用展开了研究工作。

1系统电路设计

仓桥水晶梨生长监测系统硬件部分主要由控制器模块、电源电路模块、空气温湿度测量电路模块、土壤湿度测量电路模块、光强测量电路模块、二氧化碳浓度测量电路模块、显示电路模块、报警电路模块、通信电路模块、控制电路模块组成。

1.1空气温湿度测量电路模块设计

本设计选择SHT10数字式温湿度传感器来检测水晶梨大棚中空气的温湿度。SHT10数字式温湿度传感器是由Sensirion公司推出的一种可以同时测量湿度、温度的传感器，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度的数字信号，可以有效解决传统温、湿度传感器的不足。

如图2所示，SHT10数字式温湿度传感器来检测温室大棚中空气的温湿度，并将检测到的信号传送给单片机的P0口，让单片机处理。

1.2土壤湿度测量电路模块设计

本设计选择FDS-100型土壤水分传感器检测土壤中水分的含量。FDS-100型土壤水分传感器引脚功能如下：红线（VDD），5～12 V电源输入；黄线（V-OUT），电压输出0～1.875 V直流电；黑线（GND），地线。功能及特点如下：（1）本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单；（2）结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命；（3）外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀；（4）土质影响较小，应用地区广泛；（5）测量精度高，性能可靠，确保正常工作；（6）响应速度快，数据传输效率高。

FDS-100型土壤水分传感器经过LM358经信号放大输送至单片机P0口，电路如图3所示。

1.3光强测量电路模块设计

本设计选择TSL2561光强传感器检测水晶梨大棚的光照度。各引脚的功能如下：脚1和脚3分别是电源引脚和信号地，其工作电压工作范围是是2.7～3.5V；脚2为器件访问地址选择引脚，由于该引脚电平不同，该器件有3个不同的访问地址；脚4和脚6为总线的时钟信号线和数据线；脚5为中断信号输出引脚，当光强度超过用户编程设置的上或下阈值时器件会输出1个中断信号。TSL2561光强度数字转换芯片与单片机P0相接，电路原理如图4所示。

1.4报警电路模块设计

本系统专门设计了报警电路模块，由晶体管和蜂鸣器组成。由单片机I/O口输出信号控制晶体管的导通或截止，晶体管导通则蜂鸣器报警。当某个监控参数长时间（具体时间由程序设定）超出其合理的上下限范围时，报警系统启动，它与单片机的连接电路如图5所示。

2积分变换PID控制算法设计

2.1积分变换PID控制算法的提出

在普通PID控制中，引入积分环节的目的主要是为了消除静差。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过了执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产过程中是绝对不允许的。根据PID控制算法的局限性，我们提出了积分变换PID控制算法。

积分变换PID控制基本思想是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分的作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便

消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下：

第1步，根据实际情况，人为设定阈值ε>0；

第2步，当|error（k）| >ε时，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；

第3步，当|error（k）| ≤ε时，采用PID控制，以保证系统的控制精度。

积分变换控制算法可表示为：

u（k）=kperror（k）+βk∑kj=0error（j）kd[error（k）-error（k-1）]/T。（1）

式中：T为采样时间；β为积分项的开关系数。

β=1|error（k）|≤ε

0|error（k）|>ε。（2）

2.2积分变换PID控制算法试验

设被控对象为一个延迟对象：G（s）=e80s60s+1采样时间为20 s，延迟时间为4个采样时间，即80 s，被控对象离散化为：

y（k）=-den（2）y（k-1）+mum（2）u（k-5）。（3）

试验：采用M语言进行仿真。取M=1，采用积分变换式PID控制器进行阶跃响应，采用分段积分变换方式，即根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度。仿真中指令信号为r（k）=40，控制器输出限制在[-110，110]。取M=2，采用普通PID控制。

由试验结果得出结论，采用积分变换方法对系统进行控制其平稳性和快速性都要优于普通的PID控制，控制效果有很大的改善。值得注意的是，为保证引入积分作用后系统的稳定性不变，在输入积分作用时比例系数kp可进行相应变化。此外，β值应根据具体对象及要求而定，若β过大，则达不到积分变换的目的；若β过小，则会导致无法进入积分区。如果只进行PID控制，会使控制出现余差。

3系统测试及应用效果分析

3.1系统应用后温湿度变化值对比

系统完成后，笔者于2012年10月24日在上海仓桥水晶梨基地对水晶梨大棚进行了温湿度监测精度测试，系统操作与温湿度计测量结果对比见表1。

时刻采集温度

（℃）实际温度

（℃）温度误差

（℃）相对湿度

（%）实际湿度

（%）湿度误差

（百分点）09：0011.411.50.187.787.50.210：0010.811.60.287.887.60.211：0011.211.30.187.488.20.212：0010.711.50.287.087.30.313：0011.211.30.188.687.70.114：001111.10.187.887.60.215：0010.811.70.187.087.20.216：0010.711.60.187.288.41.217：0010.610.90.387.788.60.9

系统每10 min 采集1 次温湿度数据，每1 h取平均值后与SK-110TRH 型温湿度计测得的标准温湿度对比（表1）。测试结果证明，系统温度最大误差±0.3 ℃，湿度最大误差±1.2百分点，与同类温湿度监测系统相比，精度较高。

3.2实际生产效果对比

仓桥水晶梨由于品质的不同，价格变化也较大，仓桥水晶梨在销售过程中约定：价格在20元/kg以上的为优质水晶梨，价格在10元/kg左右的为普通水晶梨，价格在5元/kg以下的为劣質水晶梨。课题组成员于2012年11月至2013年8月在仓桥水晶梨基地两块相同大小的水晶梨大棚内做了是否使用生长监测系统的数据统计，根据数据统计结果得出如图6所示的效果对比。

由图6可知，通过使用仓桥水晶梨生长监测系统，对水晶梨生长过程中的温度、湿度、光照等参数信息进行及时的监测和调节，使得环境因子保持在一个比较适宜的范围，水晶梨的优质率和普通率有一定程度的提高，劣质率有一定程度的下降，这说明适宜的生长环境对水晶梨的品质有较大的影响作用。

4结论

笔者通过对农作物生长监测系统的研究，结合仓桥水晶梨的生长特点，设计研发了仓桥水晶梨生长监测系统，主要完成了空气温湿度测量电路模块设计、土壤湿度测量电路模块设计、光强测量电路模块设计、报警电路模块设计等。在系统控制方面，提出了积分变换PID控制算法，并进行了相应的控制试验，试验结果表明积分变换PID控制算法对系统进行控制的平稳性和快速性都要优于普通的PID控制。系统完成后在仓桥水晶梨基地做了系统测试并投入应用，经过近1年的使用，发现水晶梨的优质率和普通率有了稳步的提升，劣质率有了一定程度的下降，带来了一定的经济效益和社会效益，但是对于水晶梨生长环境的温度、湿度、光照等参数的自动控制及精确控制还比较困难，这个问题将作为今后研究的重点内容和方向。

参考文献：

[1]孙利民，李建中，陈渝. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005：53-65.

[2]王雪. 无线传感网络测量系统[M]. 北京：机械工业出版社，2007：156-178.

[3]韩华峰. 农业环境信息远程监控与管理系统设计[D]. 北京：中国农业科学院，2009：13-14.

[4]于海斌，曾鹏，梁韡.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006：45-78.

[5]于海滨，曾鹏，梁鞯.智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006：45-78.

矿用钻机开孔参数测量系统研究篇10

1系统工作原理

系统整机主要由本安电池组和系统主板组成,本安电池组主要用于整个系统的供电;系统主板主要包括充电电路、DC/DC转换电路、开关机电路、核心处理器(ARM)、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁力计、处理器外围存储器电路、WIFI芯片及LCD显示屏等。系统结构框图见图1。在实际的操作过程中,三种三轴传感器采集的信息通过对应的接口送给核心处理器ARM,ARM对数据进行相应的解算后,将得出的方位角和倾斜角结果显示在LCD显示屏上,同时用户可以通过按键操作对相应的测试信息进行储存,最后在地面可通过WIFI无线传输的方式将存储的测试数据传输到计算机上进行查看,此外还可以通过串口与计算机连接将测试数据传出。

系统实际操作流程如图2所示。设备正常开机后,首先进行设备初始化及传感器自标校,待完成初始化后,将设备安装在钻机上标定初始位置,然后设备将实时显示钻机的方位角和倾斜角信息,司钻人员可以根据实际的显示角度值进行钻机开孔方向的调整,进而完成钻机布置。

2参数测量

2.1倾斜角测量

设计将采用三轴MEMS加速度传感器进行倾斜角测量,传感器为表面微加工多晶硅结构,置于晶圆顶部。多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上,提供加速度力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成,能对结构偏转进行测量。固定板由180°反相方波驱动。加速度使梁偏转,使差分电容失衡,从而使输出方波的幅度与加速度成比例。然后,使用相敏解调技术来对信号进行整流并确定加速度的方向。

设计采用两轴加速度计进行计算倾斜角,如图3所示。采用双轴测量存在三个优点:

(1)由于两个轴相互垂直,X轴检测到的加速度与倾斜角的正弦值成比例,此Y轴加速度与倾斜角的余弦值成比例,随着一个轴的灵敏度下降,另一个轴的灵敏度会上升,不会存在灵敏度随着旋转角度趋于90°而逐渐下降的问题。

(2)即使第三个轴上存在倾斜,也可以测出精确值。而在用单轴进行测量,只要任何其他轴上存在倾斜,就会造成显著误差。这是因为灵敏度与目标轴上重力的和方根(rss)值成比例。

(3)能够区分各个象限并在整个360°弧度范围内测量角度,每个象限都具有与X和Y轴加速度关联的不同符号组合。

2.2方位角测量

设计将采用三轴陀螺仪与三轴磁力计综合应用的方式进行方位角测量。三轴陀螺仪的作用是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角,并计算角速度,通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态;三轴磁力计用于测试磁场强度和方向,定位设备的方位,磁力计的原理跟指南针原理类似,可以测量出当前设备与所在磁场东南西北四个方向上的夹角。由于矿井下钻场周边磁场环境复杂,且施工时间长等因素的制约,需要采用三轴陀螺仪与三轴磁力计综合应用来实现方位角测量。本系统采用陀螺仪为主磁力计为辅的方式实现方位角的精确测量。

3系统校准

整个系统最为关键的部分就是传感器校准,如果不能精确的校准则系统的误差将远大于预期值。下面我们将探讨如何进行系统校准。

3.1倾斜角测量校准

设计采用三轴加速度传感器,主要误差包括失调误差和灵敏度失配误差。首先设想一下,任意两轴向都具有完美的灵敏度,但X轴上存在50mg失调。0°时,X轴读数为50 mg,Y轴读数则为1 g。由此计算得出的角度就是2.9°,因而会造成2.9°的误差。±180°时,X轴的读数为50 mg,Y轴的读数则为1 g。由此计算得出的角度会存在2.9°的误差。另一方面,假设任意两轴向具有完美的失调调整功能,且Y轴具有完美的灵敏度,但X轴的灵敏度为+5%。在1 g场中,Y轴读数为1 g,X轴读数则为1.05 g,这种为灵敏度失配而造成角度计算出现的误差情况。

当失调引起的误差和灵敏度失配引起的误差两者相叠加时,总误差可能会变得相当大,完全超出倾斜检测应用所能接受的范围。要减少这类误差,就应当对失调和灵敏度进行校准,并使用校准后的输出加速度来计算倾斜角。包括失调和灵敏度的影响后,加速度计输出变化如下:

AOUT[g]=AOFF+(Gain×AACTUAL)。

其中:

AOFF是失调误差,单位为g。

Gain是加速度计的增益,理想值为1。

AACTUAL是作用于加速度计的实际加速度,理想值为g。

校准方法是假设增益为1并测量失调。经过此校准之后,系统的精度即会限制为未校准的灵敏度误差。这种校准方法可通过将目标轴置于1 g场中并测量输出(大小等于失调)来完成。然后,应在处理信号之前从加速度计的输出中减去该值。这种方法通常称为无调头或单点校准,因为器件的典型取向会将X和Y轴置于0 g场中。

3.2磁场校准

一般情况下,当带有磁力计的设备在空中各个方向旋转时,测量值组成的空间几何结构实际上是一个圆球,所有的采样点都落在这个球的表面上。如果磁力计在含有附加的局部磁场的环境中进行操作,磁力计的输出做附加的修正将是必要的。

修正的输出可以根据下面的方法来计算:

1)在磁场干扰的条件下进行,测试设备被多次旋转360°,并采集足够多的样本数据。

2)进行数据分析,以产生偏差的偏移和灵敏度的比例因子,以补偿所述干扰。