潘志栋（吕梁学院矿业工程系，山西离石，033000）



矿用移动电缆接头环境监测终端设计

潘志栋
（吕梁学院矿业工程系，山西离石，033000）

摘要：针对矿用移动电缆接头不正常运行引发的矿用隔爆开关运行安全问题，设计了相应的监测终端。监测终端使用DS18B20、MQ-4和AM2303为传感器，以STC15W4K单片机为控制核心，采用轮巡方式显示监测数据。试验结果表明，（1）监测终端对电缆接头温度和外环境CH4浓度的监测误差均小于10%，满足工程精度需要；（2）在STC15W4K单片机为核心的硬件仿真环境支持下，系统维护方便。

关键词：矿用移动电缆；电缆接头；监测终端；硬件仿真

基金：校内基金项目（编号：ZRXN201505）:掘进工作面安全监控实训平台的设计与实现

0 引言

提高煤矿安全生产水平，加强电缆电气设备维护是一个很重要的方面。2009年2月22日的山西屯兰矿的井下特别重大瓦斯爆炸事故，引火源来自一台隔爆开关的接线柱，由于电缆接头出现不正常运行状态，且未及时发现，最终造成接线柱放电，引发此次瓦斯爆炸。

电缆接头压接质量只能在设备运行中才能得到检验。对电缆接头温度进行监测，可及时发现电缆接头运行状态是否正常。实践证明，温度是表征电缆接头质量好坏的重要参数。具有不受电磁干扰，获取方式容易实现等优点。

图1.1 系统工作原理框图

另一方面，随着环境温度的升高，煤岩强度在显著降低，吸附瓦斯会变为游离瓦斯而逸出，严重影响电气设备的安全稳定运行。高湿环境则会降低电气设备绝缘强度、加速金属材料腐蚀和促使霉菌生长。因此，监测终端有必要增加设备环境CH4浓度和温湿度监测功能。

1 系统总体设计

图1.1为系统工作原理框图。监测终端主要功能由系统板完成。

2 硬件电路设计

2.1 单片机最小系统

系统板选择的单片机为宏晶科技推出的STC15W4K58S4（文中简记为MCU）。

MCU通过P3.0和P3.1端口与MAX232芯片组成的电路具有硬件仿真功能。

系统板通过74LS138加八位共阳数码管来实现监测数据轮巡显示。采用独立按键实现参数整定。

通过按键P1_2_ok/ P1_2_ks/ P1_6_plus/ P1_7_minus，用户可设置监测终端系统时间、温度上限及温差上限。

2.2 参数采集电路

系统参数采集元件包括接头温度传感元件DS18B20、环境参数传感元件AM2303与MQ-4。

MCU与多支DS18B20采用一线总线（DAT数据线接P1_3）进行通信。

AM2303湿度测量范围0～100RH%，温度测量范围为-40～125℃。在图2.2中，AM2303与MCU通过一线总线（SDA连接P1_5）进行通信。

图2.2 AM2303及其电路接口

3 系统程序设计

系统程序主要由主程序、定时中断程序和监测数据获取子程序组成。

3.1 主程序和定时中断服务程序

主程序负责周期性调用电缆接头温度获取子程序，系统时间获取子程序，环境温湿度获取子程序和环境CH4浓度获取子程序。

定时中断服务程序的作用有两条：（1）MCU取得所需数据后，实现显存数据及时更新和监测数据的动态显示。（2）控制每类监测数据的显示时长（5秒）。数据显示时长结束，系统进入下一类数据获取及处理流程中。

3.2 系统参数设置程序

用户可通过独立按键进行（系统日期系统时间最高允许温差最高允许温度）参数设置。

3.3 环境CH4浓度的获取

结合参考文献［7］试验，在工程精度许可的前提下，推得公式1：

Y=［（200X-152）/100 .0］% ，Y∈［0.4%，1.0%］（公式1）

MCU获取CH4浓度数据分三步。

1、MQ-4正常运行，经AO线送出模拟电压X。

2、MCU内部执行A/D转换，取得模拟电压值；

3、借助公式1得到CH4浓度Y。

3.4 AM2303环境温湿度获取

图3.1是测得的终端系统的SDA时序信号波形。

图3.1 AM2303与MCU通信时序图

对湿度数据（RH-H8/RH-L8）进行处理（0x0270=624d），得到所测环境湿度为62.4%。对温度数据（CC-H8/CC-L8）进行处理（0xB4=180d），得到所测环境温度为18.0℃。

4 试验结果

借助实验装置及测温仪器TM-902C，对实验室6台电气开关接头温度测试；借助实验装置及矿用传感器调校装置，对CH4浓度试验，结果如图4.1与4.2所示。

表4.1 接头温度试验结果

表4.2 监测终端CH4浓度测试结果

5 结束语

隔爆开关的运行安全监测很重要。针对隔爆开关电缆接头不正常运行或设备外环境不安全引发的安全问题，设计了相应的监测终端。试验结果显示，该装置对电缆接头温度监测误差小于10%，对CH4浓度监测误差也小于10%。因此该装置满足设计要求，可以用于监测电缆接头温度和外环境参数。

参考文献

［1］刘天野， 矿用综合保护器在用测试技术研究［D］，中北大学，2014. 第 125页.

［2］孙继平， 屯兰煤矿“2·22”特别重大瓦斯爆炸事故原因及教训. 煤炭学报， 2010（01）： 第72-75页.

Design of monitoring terminal for mine movable cable junction and outer environment

Pan Zhidong
（Mining Engineering Department， Lvliang university，Lishi 033000，Shanxi Province，China）

Abstract：For flame-proof switch safe problems caused by mine movable cable junction abnormal operation，the corresponding monitoring terminal is designed.The device is implemented by Using such sensing components as DS18B20，MQ-4 and AM2303，using a microcontroller of STC15W4K as the key control chip，and by means of polling mode to display monitoring data.Experiment results show that（1）monitoring error of the terminal about the junction maximum temperature and the gas concentration of CH4 in the outer device environment is not more than 10%，which meets the needs of the engineering accuracy.（2）with the aid of the hardware simulation and debug platform provided by the microcontroller of STC15W4K，the monitoring program may be easier to maintain than ever before.

Keywords：mine movable cable；cable junction； monitoring terminal；hardware simulation

中图分类号：TP39

文献标识码：

作者简介

潘志栋（1975-），男（汉族），山西平定人，硕士，讲师，主要研究方向为矿山监控系统