图1 矿井通风安全智能监测监控系统结构
Fig.1 Structure of intelligent monitoring and control system for mine ventilation safety
杨战旗1， 郝天轩2,3
(1.河南工业和信息化职业学院 信息工程系， 河南 焦作 454000； 2.河南理工大学 安全科学与工程学院， 河南 焦作 454000； 3.煤炭安全生产河南省协同创新中心， 河南 焦作 454000)
摘要：为实现矿井正常生产或救灾时风量自动调节与控制，研制了一种矿井通风安全智能监测监控系统，介绍了该系统的结构、硬件配置及软件开发。该系统实现了通风安全参数——风速、瓦斯浓度、温度、风压和风量的实时监测和显示，为灾害预警及控制提供了依据；在风量不足或富余时可自动调节风门开闭状态和开启程度，以满足用风地点的供风需求和救灾需要。
关键词：矿井通风安全； 监测监控； 风量自动调节； 风门自动控制
矿井通风安全监测监控系统在保障矿井安全方面起重要作用[1-2]。随着现代传感、电子、移动互联、自动控制、信息处理等技术的逐渐成熟和新工艺、新材料的广泛应用，矿井通风安全监测监控系统将向智能化监测和控制方向发展[3-5]。现有矿井通风安全监测监控系统在传输效率、可靠性、使用寿命等方面较以往有较大提高[6-8]，但无法根据正常生产或救灾需要自动调节风量，在一定程度上制约了矿井抗灾能力[9-10]。 借鉴目前矿井通风安全监测监控系统的结构和功能，本文研制了一种矿井通风安全智能监测监控系统，并在多功能矿井通风安全实验装置[11](以下简称实验装置)上进行测试。
矿井通风安全智能监测监控系统结构如图1所示。在实验装置主要用风地点设置若干个分站，各分站通过组合式多参数传感器获得的数据以LED 数字形式就地显示，还可经PC-6310模入接口卡转换后在主机上实时显示。当需要调节风量时，主机向PC-6407D开关量输出卡发送控制信号，控制信号经控制柜中的转换器转换为电信号后，自动控制实验装置中电动风门的开启程度，从而完成风量按需调节。
图1 矿井通风安全智能监测监控系统结构
Fig.1 Structure of intelligent monitoring and control system for mine ventilation safety
2.1 组合式多参数传感器
组合式多参数传感器配有KG94A2型矿用瓦斯传感器、KG3044型矿用温度传感器、KG3088型矿用风速传感器和KG3033型矿用风压传感器各1台[12-13]。KG94A2型矿用瓦斯传感器采用热催化原理连续监测瓦斯浓度；KG3044型矿用温度传感器采用PN结测温原理连续监测环境温度；KG3088型矿用风速传感器采用超声波涡街原理连续监测风速；KG3033型矿用风压传感器采用半导体压力敏感电桥原理连续监测风压。
组合式多参数传感器主要技术指标：① 测量范围为瓦斯体积分数0～4%、温度0～40 ℃、风速0～15 m/s、风压0～5 kPa；② 信号输出方式为1～5 mA(外部负载电阻小于500 Ω)、4～20 mA(外部负载电阻小于150 Ω)。组合式多参数传感器面板同时显示瓦斯浓度、温度、风速和风压4种参数，且配有4种参数的信号输出端口。
2.2 模入接口卡
PC-6310模入接口卡允许32路单端输入方式或16路双端输入方式，可根据需要选择单极性信号或双极性信号。输入信号范围为0～10 V、-5～5 V，放大增益可设置为1，2，5，10倍。
2.3 开关量输出卡
PC-6407D开关量输出卡输出采用32 路(分2组)共地方式，每组16路输出，每路最大输出电流为200 mA，可直接驱动继电器，每组输出电流不应超过2 A。另外，需要外接12 V直流电源。
矿井通风安全智能监测监控系统软件按照面向对象化的设计思想，采用Visual C++ 2013开发工具编制[14-15]。系统软件采用模块化结构，按功能可划分为数据板卡启动模块、系统设置初始化模块、实时监测模块、风门自动控制模块、风量自动调节模块等。
3.1 数据板卡启动模块
系统软件与硬件之间通过模入接口卡和开关量输出卡进行通信，因此，开发PC600095.DLL动态链接库驱动数据板卡。PC600095.DLL动态链接库主要采用3个驱动函数实现其相应功能。
(1) AI6310Init(int nAdd, int InputRange, int nTrigger)函数实现初始化接口功能，定义所有通道电压输入范围。各参数定义：nAdd为基地址，取&100H；InputRange为电压输入范围，“0”表示0～10 V，“1”表示-5～5 V；nTrigger为触发方式，“0”表示软件触发。
(2) AI6310Single(int nAdd, int nCha)函数实现某一通道的模拟量数据采集。各参数定义：nAdd为基地址，取&100H；nCha为通道号，单端采集时通道范围为0-31，双端采集时通道范围为0-15。
(3) DO6407Bit(int nAdd, int nBit, int nState)函数实现某一通道的数字量数据输出操作。各参数定义：nAdd为基地址，取&310H；nBit指定某一通道，通道范围为0-31；nState为输出状态，“1”表示导通状态，“0”表示截止状态。
为正确调用这3个驱动函数，首先应将PC600095.DLL拷贝到Windows系统目录下，然后在程序中初始化入口位置按一定的格式声明。
3.2 系统设置初始化模块
系统设置初始化模块根据用户的实际需要和硬件具体装配情况，通过人机对话方式对系统参数进行设置。该模块功能通过具有4个属性设置页面的对话框实现。
(1) 采集系统设置。该属性设置页面主要完成对传感器采集速率、瓦斯超限报警点和瓦斯超限断电点3个参数的设置。
(2) 传感器位置及校正。该属性设置页面完成对传感器的位置和校正曲线及所监测巷道分支断面积的初始化设置。传感器传输的信号是电压信号，为正确显示所测环境参数的真实模拟量，必须将电压信号经过校正曲线转换为模拟量信号。系统中传感器校正曲线是直线形式，因此只需2组电压和模拟量数值就能计算出直线的斜率和截距，从而大致确定传感器校正曲线。
(3) 风门初始状态设置。该属性设置页面主要完成对实验装置中风门初始状态的设置。风门初始状态是判断风流方向和设置控制量类型的基础。风门状态分为开启、关闭和半开启3种，其中半开启状态指风门打开程度在完全开启和完全关闭之间的某一位置。
(4) 开关位置设定。该属性设置页面主要完成对控制量类型和控制量位置的设定，如图2所示。控制量类型表示控制量对应的控制功能，分为风门开启、风门关闭、报警和断电4种；控制量位置表示控制量所控制设备所在巷道分支号。在选择控制量类型时，应注意与控制量位置相对应。当选择风门开启或风门关闭类型时，控制量位置必须安装有风门；当选择断电或报警类型时，控制量位置必须装配有传感器及断电仪或报警设备。
图2 开关位置设定界面
Fig.2 Switch location setting interface
3.3 实时监测模块
实时监测模块对实验装置中主要用风地点的通风安全参数——风速、瓦斯浓度、温度、风压和风量进行连续监测及实时显示，如图3所示。
该模块通过SetTimer()函数设置1个定时器，该定时器的激活周期为传感器采集速率；在定时器激活函数OnTimer()中调用动态链接库中的AI6310Single()函数，顺序读取各传感器采集数据。设置定时器不仅能保证系统连续采集数据，而且在采集过程中能同时进行其他操作，即多线程同时工作。
3.4 风门自动控制模块
风门自动控制模块对实验装置中1个或多个(最多10个)风门同时进行控制，控制设定界面如图4所示。控制量序号、控制量类型和控制量位置的内容与系统设置初始化模块中开关位置设定内容完全相同，由系统自动生成，为只读状态，用户不能修改。风门当前状态的内容根据系统设置初始化模块中风门初始状态设置内容和风门所在分支由系统自动生成，为只读状态，用户不能修改。控制状态分为动作和不动作2种，默认状态为不动作。动作状态指对应的控制量向所控制风门发出控制命令，不动作状态指对应的控制量不发出控制命令。某控制量的控制状态能否进行选择与该控制量类型和对应的风门状态有关。如果控制量类型和当前风门状态内容完全相同，则控制量的控制状态不能进行选择，保持不动作状态，反之控制状态可以进行选择。
图3 实时监测界面
Fig.3 Real-time monitoring interface
图4 风门自动控制设定界面
Fig.4 Automatic air door control setting interface
用户点击“确定”按钮后，系统自动顺序读取对话框中数据，当发现某控制量的控制状态为“动作”时，调用动态链接库中的DO6407Bit()函数，对相应的风门发出控制开启或关闭命令。控制结束后，调用DO6407Bit()函数发出复位命令，同时改变并存储被控制风门的当前状态。
3.5 风量自动调节模块
风量自动调节模块通过自动调节实验装置中1个或多个风门的开启程度，在主要用风地点的风量不足或富余时，将风量自动调整到与需风量基本一致。
风量不足是指需风量除以监测风量所得结果大于1.2的情况；风量富余是指需风量除以监测风量所得结果小于0.8的情况。风量不足或富余时风量自动调节步骤：
(1) 判断对应分支的调节标志是否为可控制，如果是则执行步骤(2)，否则显示信息“在本分支不能进行调节”，并跳转到步骤(4)。
(2) 判断调节风门的当前状态是否为完全开启或完全关闭，如果是则显示信息“风门已开启到最大状态，不能在本分支进行调节！”或“风门已完全关闭，不能在本分支进行调节！”，并跳转到步骤(4)，否则执行步骤(3)。
(3) 逐渐增大或减小风门开启程度，循环调节风量。风门的1次调节量(设为ΔS)取决于1次调节时间(设为ΔT)，ΔT越大，则ΔS越大。系统每隔ΔT自动循环调节1次风门，风量逐渐增大或减小。1次循环结束后，系统判断监测风量是否与需风量基本一致，如果是则跳转到步骤(5)；否则，判断风门开启程度是否已达到最大状态或风门是否完全关闭，如果是则显示信息“在本分支调节失效”，并跳转到步骤(4)，如果不是则继续循环调节风门。应合理选择ΔT：如果ΔT小于风门的响应时间，则风门一直保持原来的状态，造成调节失效；如果ΔT过大，有可能造成调节过量，产生风量富余或不足的问题。系统根据风门从完全关闭到完全开启所需平均调节时间(5 s)，将ΔT默认值设置为1 s，用户在调节过程中，根据实际出现的问题，可适当增大或减小该值。
(4) 调节其他关联分支的风门开启程度。
(5) 自动调节结束。
矿井通风安全智能监测监控系统实现了对实验装置中主要用风地点的通风安全参数——风速、瓦斯浓度、温度、风压和风量的连续监测和实时显示，为灾害预警及控制提供了依据；当用风地点的风量不足或富余时，该系统通过自动控制风门开闭状态和开启程度，将风量自动调节到与需风量基本一致，以满足用风地点的供风需求和救灾需要。目前该系统只是在实验装置上进行了测试，后期将对其进一步完善并应用在实际矿井中。
参考文献(References)：
[1] 刘源骏,袁梅,马科伟.煤矿安全监测监控系统探讨[J].矿业工程,2010,8(2):19-23.
LIU Yuanjun,YUAN Mei,MA Kewei.Discussion of monitoring and measuring system for safety of coal mine[J].Mining Engineering,2010,8(2):19-23.
[2] 李天俊,王勇.KJ95N型煤矿安全监控系统在红会一矿的应用[J].工矿自动化,2012,38(10):100-102.
LI Tianjun,WANG Yong.Application of model KJ95N safety monitoring and control system in No.1 mine of Honghui coal mine[J].Industry and Mine Automation,2012,38(10):100-102.
[3] 孙继平.煤矿信息化自动化新技术与发展[J].煤炭科学技术,2016,44(1):19-23.
SUN Jiping.New technology and development of mine informatization and automation[J].Coal Science and Technology,2016,44(1):19-23.
[4] 张忠文,朱臣武,周海坤,等.煤矿安全监控联网大数据存储技术[J].煤矿安全,2016,47(7):95-98.
ZHANG Zhongwen,ZHU Chenwu,ZHOU Haikun,et al.Big data storage technology for coal mine safety monitoring networking[J].Safety in Coal Mines,2016,47(7):95-98.
[5] 刘卫东,张薇,孟晓静.基于物联网的煤矿检测监控系统研究[J].电子器件,2015,38(3):718-723.
LIU Weidong,ZHANG Wei,MENG Xiaojing.Coal mine monitor system based on Internet of things[J].Chinese Journal of Electron Devices,2015,38(3):718-723.
[6] 汪玉凤,尹靖康,刘翘楚,等.新型煤矿安全监控系统的设计[J].计算机测量与控制,2013,21(4):939-941.
WANG Yufeng,YIN Jingkang,LIU Qiaochu,et al.Design of a new coal mine safety monitoring system[J].Computer Measurement & Control,2013,21(4):939-941.
[7] 潘志刚,卢建军,王晓路.基于智能手机的煤矿GIS 监测系统设计[J].煤炭科学技术,2010,38(10):79-81.
PAN Zhigang,LU Jianjun,WANG Xiaolu.Design on mine GIS monitoring and measuring system based on intelligent mobile phone[J].Coal Science and Technology,2010,38(10):79-81.
[8] 孙继平.煤矿安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报,2010,35(11):1925-1929.
SUN Jiping.Technologies of monitoring and communication in the coal mine[J].Journal of China Coal Society,2010,35(11):1925-1929.
[9] 秦维阳.矿井安全监测监控系统论述[J].煤炭科技,2017(2):187-189.
QIN Weiyang.Discussion on mine safety monitoring and control system[J].Coal Science & Technology Magazine,2017(2):187-189.
[10] 胡继红.煤矿安全监控系统存在的问题与发展方向[J].中国煤炭,2010,36(12):61-63.
HU Jihong.Coal mine safety monitoring system in China:existing problems and future development [J].China Coal,2010,36(12):61-63.
[11] 樊小利,李林章,魏建平.新型多功能矿井通风安全实验装置的研制[J].实验技术与管理,2001,18(2):127-130.
FAN Xiaoli,LI Linzhang,WEI Jianping.Development of a new multifunctional test device for mine ventilation and safety[J].Experimental Technology and Management,2001,18(2):127-130.
[12] 桑海泉.煤矿安全监控系统研究[J].中国安全生产科学技术,2009,5(6):184-188.
SANG Haiquan.Research on coal mine safety monitoring system[J].Journal of Safety Science and Technology,2009,5(6):184-188.
[13] 戴立辉,但扬清.煤矿综合安全监控系统的研究[J].煤矿安全,2013,44(7):100-102.
DAI Lihui,DAN Yangqing.The research of coal mine comprehensive monitoring system[J].Safety in Coal Mines,2013,44(7):100-102.
[14] HORTON I.Visual C++ 2013入门经典[M].李周芳,江凌,译.7版.北京:清华大学出版社,2015.
[15] 朱文伟.Visual C++ 2013从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2017.
Development of intelligent monitoring and control system for mine ventilation safety
YANG Zhanqi1, HAO Tianxuan2,3
(1.Department of Information Engineering, Henan College of Industry and Information Technology, Jiaozuo 454000, China; 2.School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 3.Henan Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production, Jiaozuo 454000, China)
Abstract:In order to realize automatic adjustment and control of air volume during mine normal production or disaster relief, an intelligent monitoring and control system for mine ventilation safety was developed. Structure, hardware configuration and software development of the system were introduced. The system can real-timely monitor and display ventilation safety parameters, such as wind speed, gas concentration, temperature, air pressure and air volume, which can provide basis for disaster pre-warning and control. The system can also automatically adjust opening and closing state and opening degree of air door when air volume is insufficient or rich, which can meet need of air supply for ventilation location and disaster relief.
Key words:mine ventilation safety; monitoring and control; automatic adjustment of air volume; automatic control of air door
收稿日期：2017-05-01；
修回日期：2017-08-10；责任编辑：盛男。
基金项目：河南省科技攻关项目(172102310474)。
作者简介：杨战旗(1975-)，男，河南焦作人，讲师，硕士，主要研究方向为计算机软件技术，E-mail:652886257@qq.com。
引用格式：杨战旗，郝天轩.矿井通风安全智能监测监控系统研制[J].工矿自动化，2017,43(9)：110-114. YANG Zhanqi,HAO Tianxuan.Development of intelligent monitoring and control system for mine ventilation safety[J].Industry and Mine Automation，2017,43(9)：110-114.
文章编号：1671-251X(2017)09-0110-05
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.09.020
中图分类号：TD724
文献标志码：A 网络出版时间：2017-08-28 11:58
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170828.1158.020.html