礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)

0礦井新型背景和設(shè)計(jì)采礦救援室也稱(chēng)為采礦移動(dòng)救援室。它的主要功能是為礦工提供一個(gè)安全的封閉空間，在礦山事故后無(wú)法立即離開(kāi)的情況下，避免爆炸和高溫氣體的影響，并避免有害氣體造成的內(nèi)部條件。它可以為受影響礦山的工人提供氧氣、食物和水，以消除有害的氣體，并贏得長(zhǎng)期的生存時(shí)間，并通過(guò)內(nèi)部通信監(jiān)控器引導(dǎo)外部救援。目前,國(guó)內(nèi)礦用救生艙生產(chǎn)廠家對(duì)救生艙內(nèi)部裝置的設(shè)計(jì)只是做一些簡(jiǎn)單的組合和拼湊,協(xié)調(diào)性差,其穩(wěn)定性和可靠性還有待進(jìn)一步研究和提高。筆者根據(jù)《煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》中對(duì)礦井移動(dòng)式救生艙、永久避難硐室和臨時(shí)避難硐室的安裝和基本配置的規(guī)定,設(shè)計(jì)了一種新型礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置。該裝置可對(duì)救生艙內(nèi)外的瓦斯?jié)舛取⒁谎趸紳舛?、二氧化碳濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、壓力等參?shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。1監(jiān)控主機(jī)及電源礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置具有實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、設(shè)備故障報(bào)警統(tǒng)計(jì)、設(shè)備開(kāi)出統(tǒng)計(jì)等功能,其工作原理如圖1所示。該裝置以監(jiān)控主機(jī)為核心,其供電電源以外部交流電或救生艙內(nèi)部鉛酸電池為電源,經(jīng)過(guò)本質(zhì)安全處理后為監(jiān)控主機(jī)、艙內(nèi)和艙外的傳感器供電;救生艙所用的傳感器通過(guò)CAN總線(xiàn)與監(jiān)控主機(jī)通信,監(jiān)控主機(jī)根據(jù)艙內(nèi)和艙外的傳感器的濃度輸出控制信號(hào)控制相應(yīng)的設(shè)備,同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)接口或RS485接口將當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷鳈C(jī)。2設(shè)備硬件設(shè)計(jì)(1)監(jiān)控主機(jī)的選擇礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置的本質(zhì)安全(以下稱(chēng)本安)電源采用澆封兼本安型,具有2路本安電源輸出和CAN總線(xiàn)接口輸出。本安電源具有電池電量監(jiān)測(cè)功能,通過(guò)CAN總線(xiàn)將當(dāng)前的電池容量、電池溫度等參數(shù)傳給監(jiān)控主機(jī),便于監(jiān)控主機(jī)在電池供電的情況下根據(jù)電池當(dāng)前的容量選擇不同的工作模式,從而降低功耗,延長(zhǎng)礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置在電池供電時(shí)的工作時(shí)間。救生艙有外部交流電源輸入時(shí),外部交流電源經(jīng)AC/DC模塊輸出直流24V;救生艙沒(méi)有外部交流電源輸入時(shí),則由鉛酸電池供電。AC/DC模塊輸出的直流24V和鉛酸電池連接到DC/DC模塊輸入端,DC/DC模塊輸出的2路直流經(jīng)過(guò)雙重過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊后輸出2路本安12V,一路供監(jiān)控主機(jī)使用,另一路供傳感器使用。該本安電源工作原理如圖2所示。(2)路和處理器組成礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置的傳感器主要包括瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、溫度、濕度、壓力等傳感器。傳感器由DC/DC模塊、檢測(cè)元件、放大電路、紅外接收電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路、CAN接口電路和處理器組成,如圖3所示。傳感器內(nèi)部采用2個(gè)處理器,2個(gè)處理器之間通過(guò)總線(xiàn)交換數(shù)據(jù),處理器1采用C8051F350芯片,負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和處理;處理器2采用C8051F502芯片,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示及標(biāo)校、CAN總線(xiàn)通信、聲光報(bào)警等。目前,一些救生艙生產(chǎn)廠家將煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中所使用的傳感器作為救生艙環(huán)境監(jiān)控用傳感器,而這些傳感器工作電流較大,不適合在密閉條件下工作。因此,筆者將該礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置用傳感器進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì),降低了密閉環(huán)境和其它氣體對(duì)傳感器的干擾,提高了傳感器的穩(wěn)定性;同時(shí)將傳感器的測(cè)量部分和顯示部分采用快速插拔接口,便于井下定期更換和標(biāo)校。(3)與傳感器接口監(jiān)控主機(jī)由供電電源、開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集接口、控制輸出接口、10/100M以太網(wǎng)、CAN總線(xiàn)和RS485接口、信息輸入鍵盤(pán)、LCD顯示等部分組成,如圖4所示。CAN總線(xiàn)接口主要負(fù)責(zé)與傳感器之間的通信;RS485接口和10/100M以太網(wǎng)接口主要負(fù)責(zé)與地面主機(jī)通信;開(kāi)關(guān)量輸入和輸出主要用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制救生艙內(nèi)的設(shè)備。監(jiān)控主機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)采集各傳感器的當(dāng)前數(shù)據(jù),當(dāng)傳感器的參數(shù)超限報(bào)警或救生艙內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí),監(jiān)控主機(jī)將當(dāng)前的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口或10/100M以太網(wǎng)接口傳到地面主機(jī),并根據(jù)預(yù)先配置好的控制邏輯進(jìn)行相應(yīng)的控制或報(bào)警。監(jiān)控主機(jī)采用TFT彩色觸摸液晶屏,用戶(hù)通過(guò)輔助按鍵能夠在救生艙內(nèi)顯示各傳感器的當(dāng)前值和歷史曲線(xiàn)及故障統(tǒng)計(jì)等參數(shù)。3設(shè)備類(lèi)型代碼通信協(xié)議的設(shè)計(jì)是礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置的關(guān)鍵。該通信協(xié)議采用無(wú)破壞的總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)(CAN)方式,使用標(biāo)準(zhǔn)ID幀結(jié)構(gòu),救生艙內(nèi)各組成設(shè)備之間采用分布式控制方式。CAN方式的ID分配如表1所示。表1中,信息分類(lèi)代碼分為正常發(fā)送命令、報(bào)警發(fā)送命令、控制發(fā)送命令、變化發(fā)送命令,各命令優(yōu)先級(jí)逐步升高;設(shè)備類(lèi)型代碼主要表示傳感器或控制器等設(shè)備代碼;設(shè)備編號(hào)代表在同一個(gè)設(shè)備類(lèi)型代碼內(nèi)的設(shè)備編號(hào),每一類(lèi)設(shè)備中最多可以接16臺(tái)設(shè)備。救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置的組成設(shè)備在正常狀態(tài)時(shí),按照正常發(fā)送命令定時(shí)向CAN總線(xiàn)發(fā)送傳感器的測(cè)量值,當(dāng)傳感器的測(cè)量值超過(guò)預(yù)先設(shè)置的閾值時(shí),傳感器將發(fā)送變化發(fā)送命令;當(dāng)傳感器的測(cè)量值繼續(xù)上升超限報(bào)警時(shí),傳感器將向CAN總線(xiàn)發(fā)送報(bào)警發(fā)送命令;當(dāng)傳感器的測(cè)量值超過(guò)預(yù)先設(shè)置的控制值時(shí),傳感器將向CAN總線(xiàn)發(fā)送控制發(fā)送命令,其它控制設(shè)備收到CAN總線(xiàn)上的控制發(fā)送命令后,根據(jù)預(yù)先設(shè)置的控制邏輯條件進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的控制任務(wù)。4火炬氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案針對(duì)目前國(guó)內(nèi)礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置的現(xiàn)狀,提出了一種新型礦用救生艙環(huán)境監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)方案。該