矿井通风安全自动监测报警系统的开发研究
1. 引言
煤炭是我国的基础能源，在国民经济中发挥了重要作用。然而当前煤矿事故死亡人数居高不下，每年死于煤矿事故的官方数字是6000人，百万吨死亡率大大高于世界主要产煤国家平均水平。这不仅给人民群众造成了巨大的痛苦，国家财产遭受损失，更增加了社会的不稳定因素，因此，安全生产是煤炭工业发展的重要基础，必须把它放在煤矿各项工作的首位，防治矿井灾害己成为我国矿业健康发展的头等大事。
2. 通风网络解算参数获取的研究现状
2.1 压差法
用压差计测定通风阻力的实质是测量风流两点间的势能差和动压差，计算出两测点间的通风阻力。压差计测量方法比较精确，整理数据简单，但收放胶皮管费时费力，如有足够的人力和高精度的压差计，是可以顺利完成测量任务的。对于局部地段阻力和阻力系数的测定，此法优点更为显著。
2.2 气压法
近年来随着通风测量仪表的发展和完善，矿井通风阻力测量已由过去的倾斜压差计法逐步向气压计法转变。气压计法是采用精密气压计测量两测的绝对静压，计算其静压差，再测算两断面间的动压和位能差，利用伯努利方程计算两测点间的通风阻力。气压计法测量比较迅速，但要测算出测点间的位压差并进行大气压变化的校正，计算较麻烦。尤其以前用过的恒温气压计，其容器内的气温难以保持稳定，且要多次重定基点，使测定结果误差较大，现已不使用。
3. 系统总体方案设计
井下测量传感器通过电缆直接连接到监测分站，监测分站通过模拟开关分时采集传感器信号，同时完成数据存储及与监控计算机数据交互的功能。这种结构的监测系统具有以下不足:传感器输出的信号一般为频率信号，范围为20OHz~1000Hz，测频精度不高，可靠性差;每个传感器都需要一条电缆来连接到监测分站，使用电缆多，成本高，不容易扩展，它适合测点集中的情况。
4. 总线方式选择
现场总线是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备与高层设备之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制。自80年代末以来，有几种类型的现场总线技术已经发展成熟并且广泛地应用于特定的领域。在分布式测控系统中，目前影响最广泛的现场总线是CAN总线和RS-485总线。
5. 智能传感器的设计
5.1 智能传感器的功能及性能要求
(1) 自补偿能力:通过软件对传感器的非线性、温度漂移等进行自动补偿。(2) 数值处理功能:可以根据智能传感器内部的程序，自动处理数据，如进行统计处理，剔除异常值等。(3) 远程通信功能:具有M一BUS总线接口，可实现远程距离通信。(4) 信息存储和记忆功能:能随时存取检测数据。(5) 掉电保护:掉电后能有效保护内部存储的数据，防止数据的丢失。(6) 数字量输出功能:输出数字信号，可方便的与计算机或接口总线相连。
5.2 智能气压传感器的电源设计
为减少供电电源的数量，降低费用，方便维护，各智能传感器采用总线供电方式，由通信分站的本安电源远程供电。因总线电阻会带来压降，当总线过长或智能传感器过多时，总线末端的智能传感器将供电不足，为此，各智能传感器采用分时上电工作方式，即每一时刻只有一台智能传感器上电工作，而其余智能传感器处于低功耗的空闲等待状态。在空闲等待状态下，片机P89LPC932上电，只有微功耗稳压器HT7150A(Ul)、HT7130A(UZ)和低功耗单耗电仅300A。
6. 通信分站的设计
6.1 通信分站的功能设计
一方面，通信分站与井下的智能传感器组成主从式M一BUS总线通信系统，通信分站作为主机，工作在查询方式，通过M一BUS总线对各智能传感器进行巡测，完成对测量数据的采集和存储。另一方面，通信分站还与监控计算机组成主从式RS-485总线通信系统，通信分站作为从机，工作在中断方式，当监控计算机访问该分站时，该分站可以立即响应，根据计算机的命令进行下一步的工作。
6.2 通信分站的组成及工作原理
信分站由RS-485总线从机接口电路、M一BUS总线主机接口电路、单片机、扩展RAM、数据保护电路等组成。拨码键盘用于设定所在的分站地址，由系统管理员将该地址录入到监控计算机软件，监控软件就通过该地址访问相应分站;数据保护电路用于存储通信分站所接收到的智能传感器的信息;由于智能传感器数据量较大，我们又扩展了RAM(2K字节数据存储器6116);双串口单片机的串口。
6.3 通信分站接口硬件设计
通信分站既要通过RS-85总线与监控计算机通信，还要通过M-BUS总线与智能传感器通信，因此需要有专门的通信接口电路。监控计算机与各个通信分站组成RS-485通信系统，通信分站作为系统的从机。为了便于RS-232串行接口的计算机与通信分站之间通信，必须进行标准串行接口的相互转换。因此，每个通信分站都带有RS-485从机接口电路。
7. 通信接口的设计
7.1 通信接口的功能设计
通信接口是地面计算机与通信分站通信的桥梁。计算机串行通信口输出的RS-232信号只适用于点对点近距离通信，无法实现监控计算机与通信分站的远距离通信。再结合本系统的具体情况，因此，必须将RS-232和RS-485两种标准的信号进行转换才能实现正确通信。通信接口实现的就是这一功能。
7.2 通信接口的组成及工作原理
通信接口主要有以下几个部分组成:本安型电源电路、RS-232T/TL电平转换电路、TTL瓜S-485电平转换电路、状态指示电路及防雷击电路组成，其中本安型电源电路包括双重过压保护、双重过流保护及短路保护。由于计算机输出RS-232信号，因此先要将232信号转换为TTL信号，然后经过光祸隔离提高系统的抗干扰能力，最后再经过TTL瓜S-85电路得到我们所需要的RS-485信号。RS-232/TTL电平转换电路和TTL股S-85电平转换电路的电源分别由DC心C和稳压电路提供，这样可以提高系统的抗干扰能力。
8. 结语
在我们设计的矿井通风安全自动监测报警系统中，需要对数据进行集中分析处理，判断报警，并形成各种统计报表、曲线或计算机文档，并且将数据送入局域网，以便相关工作人员及时掌握矿井通风的安全状况，管理人员经授权后，可以通过网页对系统进行远程监控。
参考文献
[1] 杨娟, 沈汉年. 矿井通风系统评价方法与标准[J]. 工业安全与防尘, 2000,(01).
[3] 贾进章, 刘剑, 宋寿森. 通风系统稳定性数值分析[J]. 矿业安全与环保, 2003,(06).
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