汪 爽

（晋能控股煤业集团有限公司成庄矿监测队，山西 泽州 048000）

引言

近年来，国内的煤矿井下安全监控技术取得了较大的进步，相较于前些年，目前主流的煤矿井下安全监控技术主要有五个发展方向，分别包括高精度传感器、系统在线自动调校设备、分站式结构设计、现场总线控制技术应用、采用TCP/IP网络协议通信技术。五大方向代表了主流的技术突破方向，研究从各个方面去提高安全监控系统的性能[1]。本文对现有的某矿业公司井下安全监控系统的升级改造。

1 监控分站简介

煤矿井下安全监控系统主要包括四大模块，分别对其做简要说明[2]：

1）信号采集。该模块的功能主要是负责收集各传感器所采集的信号，并将这些信号进行处理转化后传输给井下监控分站。

2）安全监控分站设计。分站系统的组合构成了安全监控总体系统，分站设计对于整个监控系统具有重要意义。分站系统主要是将前端传感器传输回来的信号进行分析，并作出判断。

3）信号传输。各个模块之间相互协作，都离不开信号的有效传输，所以信号传输模块是煤矿井下安全监控系统的基础。

4）地面控制中心。地面控制中心主要是集成各子系统信息，同时是安全监控系统的核心控制部分，可以实现对井下相关系统的人工控制。

如图1所示，为煤矿井下安全监控系统总体的结构示意图，在监控系统中传感器处于最底端，主要是对各种信号的采集。所有经采集得到的信号，进过监控分站的处理，最后汇总到地面控制中心站[3]。

图1 井下安全监测监控系统结构示意

2 安全监控分站总体方案设计

监控分站是整个安全监控系统的重要子模块，各个子模块具有相对独立的功能，分站系统可为煤矿井下作业人员提供安全保障。因此，对于保障安全和整体系统的可靠运行和扩展性，分站系统的设计具有重要意义。

2.1 系统硬件总体设计

分站系统的硬件主要包括主控制器、井下传感器、输出电路、输入电路、数据传输等，硬件的性能对整个系统具有较大的影响，因此需要综合考虑硬件的各项指标。同时分站系统具备独立工作能力，可以根据传感器所采集得到的参数对相关设备进行控制[4]。

根据设计要求，拟定的分站系统硬件技术指标如下：

1）传感器的信号输入要求：信号的频率范围为50～1 800 Hz，额定工作电压信号2～50 mV，其中信号的误差不大于0.5%。

2）数据传输能力：20/200 Mbps，工业级以太网，网络以TCP协议传输。

3）信号传输能力：具有一定的抗干扰能力，最大传输距离应不小于40 km，各类传感器到分站主控制器之间的有效传输能力不小于4 km。

4）系统具有较好的兼容性，具有16路输入与16路输出端口。

5）设备工作环境要求：温度-10～50℃，空气的相对湿度不得大于94%，额定工作大气压力为90～120 kPa。

分站系统的硬件结构如图2所示，安全监控分站硬件系统主要包括微处理器、开关操作输入信号以及传感器采集信号输入端口等。上下主要连接了显示器、备用电源等硬件设备，微处理器可实现对传感器采集信号的处理，并作出反馈[5]。

图2 分站系统硬件组成

2.2 分站系统软件设计

煤矿安全监控系统中的硬件设备是系统的物理基础，而软件系统则是运行各种设备所需要的程序语言。软件系统对系统整体性能影响较大，为了保障安全监控系统整体的性能，在本项目的系统升级中，软件编程由专业公司合作完成，在此只对软件系统的设计结构框架做简要介绍。

分站软件系统为可操作系统，但是系统以单任务的形式运行，由于分钟系统所涉及的功能也较多，所有选择了Linux操作系统为软件系统，分站系统软件的设计开发内容如图3所示[6]。

3 系统硬件设计方案

在分站系统硬件设计中，核心部分为微处理器，实际上目前市场上可满足分站系统设计需求的微处理器较多，根据实际需求和产品性价比，选择了基于ARM9框架的三星WS7H280型处理器作为分站系统硬件微处理器。该型微处理器具有200M网络接口，可实现以TCP/IP协议方式与地面控制中心和井下传感器的数据传输。终端传感器则以国内维博电子所生产的各型传感器为主，包括GTH100型风速传感器、SHM490型温度湿度传感器、GSK15型有害气体浓度传感器等。微储存器（NOR FLASH、SDRAM）选择的是丹麦丹诺克公司生产的GBX30系列存储器。

安全监控系统分站硬件设计原理如图4所示，微处理器对各种传感器采集所得的信号进行判断。如果信号超过闸值，微处理器可作出判断，对井下的环境安全做出实时诊断。分站与地面控制中心之间通过网卡以TCP/IP协议进行信号传输，传感器信号的采集频率为60 Hz。分站硬件系统配置了显示屏及触摸控制屏，可以实现人工手动对设备进行操作，并设置了紧急停止操作按钮。

图3 分站软件系统开发图

图4 监控分站硬件设计原理

4 监控分站的软件设计

安全监控系统分站系统软件升级，采用了Linux开源代码进行编程，Linux具有诸多优点，如能同时执行多个任务、多用户登录、后期开源扩展性好。Linux可为用户提供丰富的编程技术，具有较高的安全性，可为用户提供文件的访问、读取权限，对于保障系统的信息安全具有重要意义。由于软件的具体编程是与第三方合作完成，在此不再对软件的详细编程过程做过多的赘述，如下页图5所示，为Linux驱动与应用程序的关系图。

分站软件系统主要包括五个功能子程序：

1）传感器信号分析：传感器信号分析程序主要是对井下传感器所采集的井下环境参数进行分析计算。

2）简易控制程序：微处理器的控制程序主要是对信号进行判断，可检测井下环境参数是否超过闸值，从而做出自动控制，包括对井下硬件设备如通风机等设备井下调节。

3）简易信息显示程序：显示主程序主要是对监测信息的显示和反馈。

4）数据通信：数据通信程序主要是以TCP协议实现井下与地面的数据交互。

图5 Linux驱动程序关系

5）触摸控制程序：触摸控制程序是为用户提供简易的几个功能按钮，从而达到代替实体按钮的功能。

5 安全监控系统分站系统的测试及其结果

在实现井下安全监控分站系统的搭建后，投入实际应用，并对该系统在井下进行了两个月的井下调试与试用，详细地对分站系统的软件和硬件进行了调试，硬件是软件调试的基础，在确保硬件系统性能可靠、准确的前提下，再对软件的性能进行调试。

硬件调试内容主要包括电源故障排除、焊接故障排除、电子元器件故障排除、微处理器故障排除、信号输入测试、输出信号测试、网络连接测试等。软件的测试主要包括操作界面测试、监测数据显示能力测试、按钮输入测试、软件信号反馈测试等。

调试结果显示，分站系统的设计达到了设计目标，该研究对于井下安全监控系统分站系统的升级改造具有重要参考意义。