基于嵌入式的矿区环境监测平台研究.docx

摘要国内先进的瓦斯安全监控系统普遍采用工业以太环网为通信主干网的通信方式，但瓦斯安全监控系统的核心设备井下监控分站却没有以太网接口，而仅提供了 RS485 接口或 CAN 总线接口，这两种接口仅能提供最高 5 000bps 的通信速率，与工业以太网的100Mbps 之间存在巨大差距。另外这些井下监控分站也普遍存在通信协议不规范、各厂家设备互不兼容、监控分站人机界面差、显示面板较小等问题。因此，研制基于 ARM9嵌入式 CPU、具有大屏幕真彩色 LCD 屏、具有工业以太网接口、具有工作面瓦斯浓度预测功能、兼容其它厂家产品的井下监控分站，并以此井下监控分站为核心，研制完全基于工业以太网的瓦斯监控与瓦斯预测系统就显得十分必要。1 绪论1.1 研究的目的和意义1.1.1 我国煤矿瓦斯事故现状我国是煤炭生产、消费大国，煤炭约占全部能源消耗的 70%。据第二次煤田预测资料，埋深在 1 000 米以浅的煤炭总资源量为 2.6 万亿吨，其中大别山——秦岭——昆仑山一线以北地区资源量约 2.45 万亿吨，占全国总资源量的 94%，以南的广大地区仅占6%左右。2010 年，我国煤炭产量完成 32.4 亿吨，增加了 3.3 亿吨，同比增长 11.4%，其中山西、内蒙古、陕西 3 个省区分列前三名，煤炭产量均超过 3.5 亿吨。瓦斯是煤矿事故的罪魁祸首，国内煤矿重特大事故灾害 70～80％都是由瓦斯爆炸引起的。瓦斯事故主要是煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯窒息伤人等。此类事故一旦发生常常影响巨大，不但给矿井局部带来毁灭性损失，影响煤炭生产的正常进行，更给企业员工、矿工及其家属带来难以估量的经济损失和心理伤害。据国家煤矿安全监察局统计，自 2000 年 7 月至 2010 年底，我国共发生瓦斯相关事故 2 865 起，死亡 13 074 人，其中死亡 10 人及以上的特大事故 223 起，死亡 5 322人，期间还发生百人以上死亡事故 5 起，造成重大损失。可见，我国煤矿瓦斯灾害形势非常严峻。近年来，国家大力推进瓦斯防治，建立了煤矿瓦斯防治工作体系，加大煤矿安全技改投入，组织了科技攻关和示范工程建设，出台了一系列文件和政策措施，在全国开展了瓦斯集中整治工作，取得了一定的成绩，但煤矿瓦斯事故依然对我国煤炭安全生产构成巨大威胁。瓦斯事故的原因很多，有管理方面的、设施方面的、人员素质及责任心等，但最本质的原因在于形成了瓦斯积聚，只有避免瓦斯积聚才能从根本上消除瓦斯事故。避免瓦斯积聚最重要的一步就是对瓦斯浓度的监控，这就必须要依靠各类矿井瓦斯监控系统。1.1.2 我国瓦斯监控系统应用现状煤矿瓦斯监控系统的应用对改善我国煤矿的安全状况、降低人员和财产损失、提高煤矿生产效率和现代化水平具有重要作用。同时，在“先抽后采、监测监控、以风定产”12 字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，2007 年 1 月，国家安全生产监督管理总局要求所有煤矿矿井（包括高瓦斯矿井和低瓦斯矿井）必须安装瓦斯监控系统。目前，我国煤矿瓦斯安全监控系统现状是：数量占国有煤矿总数三分之二的全国5200 多处高瓦斯煤矿、煤与瓦斯突出矿井已全部装备了瓦斯监控系统，但这些系统很多已经普遍老旧，带伤运行，维护不善；剩余的其他国有低瓦斯煤矿、集体和私人煤矿瓦斯监控系统安装率只有一半左右。除了近几年安装的较新的瓦斯监控系统，大量老旧和缺装瓦斯监控系统的矿井由于国家强制要求，目前已进入安装瓦斯监控系统的高潮期，我国煤矿瓦斯安全监控系统正迎来新一轮大规模的升级换代和安装热潮。目前我国煤矿使用的各类瓦斯监控系统多达十几种。综合评价我国现有煤矿瓦斯安全监控系统及其配套的各类传感器等设备的现场应用效果，煤炭科学研究总院重庆研究院的 KJ90NB 系统、镇江中煤电子有限公司的 KJ101N 系统、煤炭科学研究总院沈阳研究院的 KJ333 系统、天地科技股份公司常州自动化分公司的 KJ95N系统在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和生产规模等方面基本代表了我国煤矿瓦斯监控系统的技术水平。我国目前最先进的瓦斯安全监控系统已经普遍采用工业以太环网为通信主干网，并在井下引入了 CAN（Controller Area Network 控制器局域网络）总线，有效的提升了通信速率，同时系统中的监控分站、瓦斯传感器、断电仪等设备的可靠性、抗干扰能力大为提高。但是这些系统也普遍存在通信协议不规范，设备互不兼容，通信速率太慢，监控分站人机界面差，显示面板太小等问题。更主要的是，目前国内的瓦斯监控系统都将主要目标放在瓦斯监测方面，只是真实地记录数据，提供瓦斯浓度的超限报警，却没有提供瓦斯浓度提前预测功能，使得大量的瓦斯浓度历史数据得不到合理利用。一旦瓦斯浓度超限发生报警，马上就得关电停井，留出的处理时间很短。因此，研制基于 A