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摘要:近年來，我國煤礦井下安全事故頻率不斷增加，國家對防范煤礦開采安全事故高度重視，對煤礦的生產(chǎn)安全性提出了更嚴格的要求。傳統(tǒng)煤礦開采管理大多依靠人工模式。隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)對煤礦進行跟蹤性生產(chǎn)控制和管理已經(jīng)成為新的發(fā)展方向。智能監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)管理工作中不僅具有效率較高、成本較低的優(yōu)勢，也能有效排查煤礦生產(chǎn)過程中存在的各類隱患。本文主要分析了煤礦智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計方法，就煤礦智能監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中的實踐應(yīng)用進行了探討。

關(guān)鍵詞:煤礦智能監(jiān)控;硬件設(shè)計;生產(chǎn)管理;實踐應(yīng)用

現(xiàn)代計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入我國煤礦安全管理，進一步推動了我國煤礦信息化，隨著我國智能管理技術(shù)趨于成熟，為煤礦的安全發(fā)展提供了巨大動力。例如，五一單片機就是煤礦智能監(jiān)控系統(tǒng)核心零部件，能夠在管理過程中兼容英特爾8031的所有管理指令，也是目前我國煤礦安全生產(chǎn)管理和智能管理應(yīng)用最廣泛的八位單片機之一。目前，該單片機被廣泛應(yīng)用在我國工業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng)中，很多公司在推出該系列的兼容性管理機器之后，迅速在市場上占據(jù)了一席之地。五一單片機屬于入門級別的單片機，也是目前我國智能化礦山管理工作中應(yīng)用最廣泛的硬件設(shè)備。簡單地說，現(xiàn)代的智能化監(jiān)控和管理系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用大致可分為前期的調(diào)研階段、概念模型的設(shè)計和抽取階段、企業(yè)模型的構(gòu)建階段、數(shù)值的計算及結(jié)果評估階段這四個階段。而煤礦監(jiān)控子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息的分析結(jié)果也是監(jiān)控系統(tǒng)進行自動化操作的主要判斷依據(jù)，需要將數(shù)據(jù)監(jiān)測的結(jié)果與標準值進行對比后，再將數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)胶笈_監(jiān)控中心。因此，本文對五一單片機的智能監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督上的應(yīng)用全方位分析。

1智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

1．1數(shù)據(jù)實時上傳功能智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下測量傳感器數(shù)據(jù)的實時測收，為提高數(shù)據(jù)信息的傳遞效率和精確性，新型監(jiān)控系統(tǒng)通常采用事件方式對數(shù)據(jù)信息進行上傳。可以對上傳事件進行閾值的前期設(shè)定，一旦超過了閾值的額定范圍，就被定義為事件發(fā)生。如果在煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生事件，數(shù)據(jù)信息會被傳遞到后臺的管理中心。例如，某一區(qū)域的瓦斯?jié)舛瘸^了警報值，就已經(jīng)進入了事件的閾值，會被傳感器判定為事件發(fā)生狀態(tài)，在這種情況下，數(shù)據(jù)將會實時上傳到后臺的監(jiān)控中心，為確保煤礦的安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1．2故障診斷功能智能監(jiān)控系統(tǒng)具有分析設(shè)備故障信息的功能。上位機可以讀取此設(shè)備寄存器中提前設(shè)置好的命令，了解煤礦生產(chǎn)設(shè)備存在的故障。例如，瓦斯傳感器在發(fā)生催化元件脫落或進水等故障問題時，可能會出現(xiàn)探頭短路、內(nèi)部數(shù)據(jù)比例失衡等現(xiàn)象，采集的數(shù)據(jù)信息也會超過正常范圍。在這種情況下，傳感器會自動存入故障信息，而上位機可以通過讀取子系統(tǒng)的寄存故障信息了解設(shè)備的故障。

1．3異地控制功能智能監(jiān)控系統(tǒng)具有異地控制功能。該異地控制不是單純地依靠上位機及自動監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢周期實現(xiàn)的，而是當異地斷電事故爆發(fā)時，監(jiān)控分站快速將該事件通過一種特殊的命令方式傳遞給后臺控制中心，異地斷電的受控分站會接收到特殊的命令，并立刻執(zhí)行斷電的命令。1．4傳感器的即插即用功能傳感器的即插即用意味著上位機不需要對傳感器類型和總線傳遞類型進行分別，可以根據(jù)接入的傳感器自動判斷識別其種類。井下的工作安裝人員將傳感器接入到分站的端口上，也可以根據(jù)傳感器發(fā)布的數(shù)據(jù)信息自動識別傳感器的類型，并根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)測量范圍、報警閾值等配置信息，分站將識別到的類型數(shù)據(jù)通過總線模擬形式發(fā)送給上位機，上位機接收數(shù)據(jù)信息后，就會在軟件的操控界面提醒后臺管理人員有新的傳感器接入，提醒信息中包括了傳感器的設(shè)備類型及監(jiān)測點。當監(jiān)測人員確認新的傳感器接入之后，上位機會自動判別傳感器類型，并將傳感器分配到相應(yīng)的傳感端口之下。

2智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計

2．1單片機的選擇單片機是煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建過程中最核心的單元，在煤礦生產(chǎn)過程中，所有系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)都來源于對井下實踐操作數(shù)據(jù)的收集，因此單片機必須能完成對井下工作數(shù)據(jù)的收集和抓取任務(wù)，還需要對采集的數(shù)據(jù)信息進行綜合性處理和整合，之后才能接通外部的溝通設(shè)備和顯示設(shè)備，將數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)到后臺管理人員面前。例如，在井下瓦斯數(shù)據(jù)的監(jiān)測過程中，如果收集的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)已經(jīng)超過額定標準值，智能監(jiān)控系統(tǒng)會自動發(fā)出聲光警報信號，并支持驅(qū)動繼電器對現(xiàn)場的瓦斯?jié)舛确治龊吞幚?。目前，考慮到煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)必須具備穩(wěn)定性較強、性價比較高的特性，大多數(shù)安全監(jiān)控系統(tǒng)都會選擇由美國英特爾公司生產(chǎn)的8751單片機。8751單片機內(nèi)部的中央處理器可以作為煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心運算部分及操作執(zhí)行部分，還包含了128byte級別的用戶數(shù)據(jù)存儲容量，基本上能滿足礦山企業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)存儲需求。該單片機還含有4096程序控制器及雙16位的計數(shù)器，基本能與井外的后臺通信系統(tǒng)相互對接，滿足了井內(nèi)外數(shù)據(jù)通信需求。

2．2安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計在安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)計構(gòu)架中，單片機通常占據(jù)較為核心的地位。監(jiān)控系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架都由虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成，主要是為了滿足井內(nèi)外數(shù)據(jù)信息的快速銜接和傳遞要求，在智能化監(jiān)控系統(tǒng)的任意兩個計算機網(wǎng)絡(luò)點之間，都不存在傳統(tǒng)的物理連接鏈路，信息傳遞是構(gòu)建在共用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的網(wǎng)絡(luò)平臺之上的。例如，我們熟知的Internet、Atm步傳輸模式等技術(shù)之上構(gòu)建的邏輯網(wǎng)絡(luò)，井下管理傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息會自動在邏輯鏈路中實現(xiàn)傳輸，不需要借助傳統(tǒng)的物理鏈路，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的共享。該工作模式中應(yīng)用的技術(shù)涵蓋了跨共享網(wǎng)絡(luò)或公共網(wǎng)絡(luò)的封裝、加密信息傳遞技術(shù)與身份驗證獲取技術(shù)、專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的擴展。監(jiān)督系統(tǒng)的核心構(gòu)架主要采用了隧道傳遞技術(shù)、加密技術(shù)、解密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)、身份識別技術(shù)等。在設(shè)計虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的管理系統(tǒng)之前，應(yīng)嚴格區(qū)分煤炭礦區(qū)資源數(shù)據(jù)的傳遞線路，再通過對前期數(shù)據(jù)信息進行整合和規(guī)劃，設(shè)計好不同類型數(shù)據(jù)信息的存儲空間［1］。

2．3安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計在智能監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)用戶的軟件設(shè)計工作中，接收數(shù)據(jù)信息的用戶端軟件接口通常會設(shè)計成11個功能模塊。這11個功能模塊又可以分為多個子功能，不同子功能之間可以進行補充和延展，完全可以根據(jù)不同煤礦用戶的井下開采及安全管理需求進行調(diào)整和升級。通過個性化的軟件設(shè)計手段，進一步提高智能監(jiān)控系統(tǒng)對不同煤礦的服務(wù)水平。而服務(wù)器的終端還具備數(shù)據(jù)查詢功能，后臺監(jiān)控人員可以對煤礦開采的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行提取和利用，找到數(shù)據(jù)信息之間潛在的關(guān)聯(lián)，為煤礦的生產(chǎn)和管理頂層設(shè)計提供準確的數(shù)據(jù)支撐，也能為煤礦生產(chǎn)虛擬網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。而在由核心網(wǎng)絡(luò)模型組成的模塊中，服務(wù)器針對數(shù)據(jù)信息的緩存技術(shù)和應(yīng)用是至關(guān)重要的。服務(wù)器的緩存模塊大致可分為緩存管理組件、索引管理組件。兩部分在運行過程中可以分工合作，緩存管理組件需要根據(jù)索引分析組件提供的數(shù)據(jù)信息，在緩存空間中對數(shù)據(jù)信息進行預(yù)處理然后再向客戶端發(fā)送信息。也可以利用數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)存的數(shù)據(jù)信息直接向客戶端發(fā)送;而索引管理組件需要先分析客戶在數(shù)據(jù)查詢過程中提出的請求，再為客戶羅列出數(shù)據(jù)信息列表［2］。

3煤礦智能監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中的實踐應(yīng)用

3．1上位機監(jiān)控動畫的一致性傳遞監(jiān)控系統(tǒng)在工作過程中必須確保傳遞到中央計算機的畫面信息具備高度的時效性，顯示器上顯示的設(shè)備工作狀況應(yīng)與井下開采的實際狀況保持一致。為確保上位機監(jiān)控動畫與井下開采實際狀況的一致，在智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計過程中應(yīng)采用二維數(shù)組技術(shù)，將現(xiàn)場設(shè)備與計算機的人機交互界面直接溝通，下位機可以將采集的數(shù)據(jù)和圖像信號直接傳遞到上位機的處理中心，經(jīng)過快速的圖像處理和特定的數(shù)據(jù)存儲，形成二維數(shù)組，然后利用系統(tǒng)自帶的程序?qū)ΧS數(shù)組讀取和挖掘，再將讀取的結(jié)果顯示出來。不同的二維數(shù)組具備較強的獨立性，因此數(shù)據(jù)信息的傳遞方式具有較強的可靠性，能夠確保井上和井下監(jiān)控動畫傳遞的一致性和實效性［3］。

3．2生產(chǎn)期間非工作人員進入預(yù)警在智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，可以將設(shè)備支架掛在破碎機后端對應(yīng)的頂部錨桿之上。攝像頭會隨著破碎機的運作逐漸移動。在井下的開采過程中，破碎機每一次移動之后，就可以將支架從原本所在的錨桿位置摘下，再掛到破碎機后端對應(yīng)的頂部錨桿支架上。將監(jiān)控畫面中的警戒線設(shè)計在破碎機后方，這樣可以快速讀取煤礦人員的定位信息及準入信息。一旦煤礦開采人員觸碰或超過警戒線，就需要對身份進行識別。如果超過警戒線的是非生產(chǎn)人員，系統(tǒng)將會自動發(fā)出警報信號。在破碎機正式啟動時，生產(chǎn)控制系統(tǒng)也會向智能視頻系統(tǒng)同步發(fā)送信號，此時視頻中的警戒線已經(jīng)生效，可以對外來人員的身份進行檢測。當破碎機停止工作時，生產(chǎn)控制系統(tǒng)就會向智能識別系統(tǒng)發(fā)送停止識別信號，智能識別系統(tǒng)設(shè)置的警戒線會自動失效。在設(shè)置過程中，第一，必須確定智能視頻裝置的設(shè)計高度及監(jiān)控破碎機的角度，然后根據(jù)警戒線的位置需求確認攝像頭的具體位置，最后根據(jù)井下開采工作的進度方向重新調(diào)整或懸掛攝像頭。第二，在攝像頭安裝完畢之后，需要對警戒線監(jiān)測區(qū)域可以準入的人員進行規(guī)則設(shè)定。第三，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性。一旦破碎機開始啟動，生產(chǎn)控制系統(tǒng)就可以向智能識別系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的工作信號，意味著智能識別系統(tǒng)可以開始識別非準入人員。當破碎機停止運行時，識別系統(tǒng)失效［4］。

3．3泄露通信綜合系統(tǒng)的應(yīng)用泄露通信綜合系統(tǒng)的核心是前端單元，可以從前端單元設(shè)置中延伸出四條泄露電纜，分別與井下操作的四個方向相互連接。同時，其還應(yīng)該與地面的天線相互接軌，這樣才能夠確保地面移動通信信號接收的穩(wěn)定性。地面通信信號可以通過帶寬應(yīng)用將數(shù)據(jù)信息解碼后分別發(fā)送給監(jiān)測和監(jiān)控后臺系統(tǒng);而地下通信信號需要在規(guī)定的信息數(shù)據(jù)傳輸頻率范圍之內(nèi)，將信號輸送到泄露電纜的下行階段進行傳輸［5］。

3．4通信方式的設(shè)計智能監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信方式大多數(shù)是兩級通信方式，該通信方式并不是將井上的接收設(shè)備和井下的發(fā)出設(shè)備直接連接在一起，而是將井上井下兩個信息傳輸設(shè)備分別與現(xiàn)場的控制中心相互銜接［6］。在銜接過程中，一臺上位機最多能和現(xiàn)場控制中心的四個信號接收器連接，而一個現(xiàn)場控制中心最多可以與八個下位機智能終端信息收集系統(tǒng)相互銜接。也就是說，煤礦傳輸監(jiān)控系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中最多可以同時監(jiān)控32臺帶式傳送機操作狀況。其中，上位的信息數(shù)據(jù)傳遞設(shè)備只會與現(xiàn)場的控制中心和后臺中心直接聯(lián)系，而現(xiàn)場控制中心則負責(zé)與多臺下位信息傳輸設(shè)備進行溝通。為避免多個下位機在同一時間段內(nèi)將作業(yè)信號發(fā)送到控制中心，引發(fā)信號干擾和沖突問題，在通信設(shè)計過程中還會采用上位機循環(huán)點名方式，確保下位機在傳輸過程中的傳輸有序性［7］。

4結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，很多煤礦在生產(chǎn)和管理的過程中開始意識到了信息化管理的優(yōu)勢，將智能監(jiān)控系統(tǒng)融入煤炭生產(chǎn)管理。該技術(shù)的應(yīng)用能夠在智能化監(jiān)控和調(diào)度指令下進一步提高煤炭生產(chǎn)的有序性和安全性。

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作者:任艷 單位:中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室