CN112832869A - 一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，属于粉尘监测领域。该系统包括：左、右截割电机、牵引电机、A/D转换器、传感器、温度传感器、声光报警装置、LCD、I/O扩展接口、控制接口、喷雾开关、继电器组、SJA1000控制器、82C250收发器、监控主机、CAN总线、处理器AT89S52和本安电源。本发明解决了单点粉尘浓度监测不正确、不能有效表征工作面复杂多相流场下的粉尘分布问题，并且利用截割机工作强度的改变和现场环境的变化信息对煤尘浓度进行预测，避免了采煤机喷雾控制策略的改变滞后于环境粉尘浓度变化的情况出现，同时对喷射角度和水量的精确控制，以最少的水量消耗而达到更好的抑尘的效果。

Description

一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统

技术领域

本发明属于粉尘监测领域，涉及一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统。

背景技术

煤矿采煤工作面是煤炭开采过程中产尘量最大的作业地点。采煤机正常割煤过程中，司机处总粉尘浓度平均为数千mg/m³，工作面劳动卫生条件十分恶劣。采煤工作面的高浓度粉尘不但严重危害职工的身体健康，而且作业环境的高污染状况也不利于提高生产效率。

目前，国内外在采煤机防尘措施有：采煤机内外喷雾、高压外喷雾(二次负压降尘、负压引射降尘)、改进采煤机结构以降低截割产尘及煤层注水预湿煤体降尘等多项措施。存在的问题是：煤层注水虽然是减少采煤机产尘量最根本的措施，但煤层注水工艺技术复杂且有一定的适用条件，国内实际采用注水措施的矿井很少，且一般来说，根据实验室煤样产尘特性试验结果，采煤工作面注水的降尘效率在40％左右。采煤机内喷雾由于受冷却水压力限制喷雾压力低，容易堵塞，降尘效率低；采煤机高压外喷雾降尘技术(如二次负压降尘及其它高压喷雾等)，是目前采煤机最有效的防尘手段，从平面上对滚筒形成了一个水雾包围圈，但由于受强大风流的影响，滚筒产生的粉尘势必相当部分逃逸，进入风流中造成污染，试验结果表明，高压外喷雾降尘技术的降尘效果最多也只能达到80％左右，在风速4m/s左右的高瓦斯、大风量工作面，降尘效率仅50％左右，不能完全解决采煤机割煤过程中产生的粉尘问题。对采煤机下风流目前还没有相应的降尘技术及装备。

中国发明专利公开号ZL200920127751.4(矿用采煤机尘源智能跟踪喷雾降尘系统)除在采煤机上布置合理的高压外喷雾，从平面上对滚筒形成了一个水雾包围圈，在此基础上若能通过布置在支架上的喷雾水幕由上而下地再次对滚筒实施强力喷雾，形成更加厚实的水幕包围圈，使采煤机滚筒上处于三维“立体”喷雾包围中，可使煤尘更加湿润，产尘量显著减小。但如何可靠的实现随着采煤机的运行，安装在支架上的喷雾始终可以包络采煤机前、后滚筒，且喷雾水量最小，降尘效果最好，是颇具挑战的工作。

现有采煤工作面粉尘监测控制系统在采煤机位置检测技术、喷雾自动控制方式、使用维护、故障检测等方面尚有局限，通信网络复杂，很难安装和维护，循环检测周期也会变得很长，还不能高效可靠实现对采煤机尘源的自动跟踪。而井下煤尘最主要的来源就是截割机在割煤时产生的，因此本设计借助对截割机参数的变化，对煤尘进行快速有效的抑制，具有一定的技术优势。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统。本发明设计将采煤机远程监控通过CAN总线通讯，PCA82C250接收从CAN控制器传输来的数据，经过处理之后又发送给监控主机，电路中6N137有CAN总线间电气隔离的功能，减少电路之间的干扰，在电路中通过加入了高速光电耦合器，有电压等补偿的功能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，该系统包括：左截割电机、右截割电机、牵引电机、A/D转换器、传感器、温度传感器、声光报警装置、LCD、I/O扩展接口、控制接口、喷雾开关、继电器组、SJA1000控制器、82C250收发器、监控主机、CAN总线、处理器AT89S52、开关模块、采煤机喷雾系统、开关量输入电路和本安电源；

该系统通过CAN总线与采煤机电连接；

传感器分别与左截割电机、右截割电机和牵引电机电连接，还与A/D转换器电连接；

温度传感器与处理器AT89S52电连接；

A/D转换器分别与处理器AT89S52和本安电源电连接；

声光报警装置与处理器AT89S52电连接；

LCD与处理器AT89S52电连接；

I/O扩展接口与处理器AT89S52电连接，还通过控制接口与喷雾开关和继电器组电连接；

处理器AT89S52与本安电源电连接，还与SJA1000控制器电连接；

SJA1000控制器与82C250收发器电连接；

82C250收发器通过CAN总线与监控主机电连接；

本安电源通过开关量输入信号与I/O扩展接口电连接，还与A/D转换器电连接；

LCD显示左截割电机的电流、右截割电机的电流、牵引电机电流、瓦斯浓度、风速风向和工作环境温湿参数信息；

声光报警器用于当参数超过设置的限值时报警并作出对应处理；

开关模块与开关量输入电路电连接；

利用CAN总线通过收发器多节点接收相应传感器采集到的信号发送给监控主机。

可选地，左截割电机的电流、右截割电机的电流、牵引电机电流、瓦斯浓度、风速风向和工作环境温湿参数信息用于对采煤机喷雾系统控制策略做出判断，且该采煤机喷雾系统包括喷雾开关、喷头和继电器组。

可选地，SJA1000控制器接收各传感器的信号并发送给82C250收发器；

82C250收发器将接收到的信号经过信号放大、光耦隔离处理后输送给监控主机；

监控主机用于检测数据，当监测到的数据出现问题时，监控主机根据设定的参数自动下发控制命令并通过控制接口和CAN总线变频器通信接口控制采煤机；

LCD用于实时监测采煤机运行情况和周围环境的变化，循环显示各个通道的模拟量和开关量数据、通讯及设备运转状态，在出现问题时通过声光报警器报警。

可选地，CAN总线的通信协议支持基于报文的工作方式。

可选地，A/D转换器通过将传感器采集到的信号转换成数字信号并输出发送到CAN总线上，并且当传感器监测到的信号超限时自动报警。

可选地，监控主机设置的限值参数用于在发生故障时控制采煤机。

本发明的有益效果在于：本发明通过采集左右截割电机的电流、牵引电机电流、瓦斯浓度、风速风向、工作环境温湿度等信息，实现对尘源的跟踪，对采煤机喷雾系统地控制策略做出判断，以便更能够在井下煤尘浓度发生变化时，随着割煤位置地变化、于截割机电流、牵引电机电流和现场风向风速的变化，适时、合理的控制喷雾开关打开的数量、喷射角度和水量，以达到最大程度的抑制煤粉扩散。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统流程图；

图2为AT89S52内部结构图；

图3为时钟电路；

图4为复位电路；

图5为SJA1000内部结构图；

图6为SJA1000电路图；

图7为CAN总线接口电路；

图8为液晶显示电路；

图9为声光报警电路；

图10为3.3V和5V电源电路；

图11为电压测量电路；

图12为温度监测电路；

图13为催化型瓦斯电路；

图14为A/D电路设计；

图15为I/O口扩展电路；

图16为开关量接收电路；

图17为控制接口电路；

图18为温度测量电路图；

图19为采煤机尘源跟踪喷雾降尘示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图19，为一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统。

参考图1，是本发明一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统流程图；采煤机监测的核心在于监控设备的上位机，通过CAN总线多点收集采煤机运行情况的数据，可以任何时刻控制设备，在发生问题时进行报警。确保采煤机能使用更长时间，还能减少维修费用，节约成本。当采煤机在矿井下使用时要时刻监控瓦斯浓度，避免发生爆炸等问题。采煤机在采煤容易自燃及自燃的煤层应该进行温度监控，应该设定30度为采煤机停止的值域。贮存的温度环境为-10到40度，采煤机工作环境湿度范围一般为82％到92％。当在容易爆炸的煤矿中，含有CH4和煤尘，环境的相对湿度要小于95％，当采煤机工作时，附近瓦斯浓度达到1.5％非常有可能发生爆炸必须停止工作。

系统原理：在采煤机运行时，各传感器将接收到的信号传输给SJA1000的CAN控制器，82C250收发器接收信号后经过处理在输送给监控主机，各位模块通过CAN总线独立传输数据，互不干扰；作为监控主机，当监测到的数据出现问题时，监控主机根据设定的参数自动下发控制命令通过控制接口和CAN总线变频器通信接口控制采煤机。本设计利用LCD实时监测采煤机运行情况和周围环境的变化，在出现问题时通过声光报警器报警。

进一步地，硬件设计的处理器选择AT89S52，AT89S52广泛应用，价格便宜，在使用使容易操作，功耗较低，在运行时功能可靠性强，容易进行Proteus仿真验证。单片机芯片带有片内ROM和RAM，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。图2是AT89S52内部结构图。AT89S52的标准功能有，8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，EA为访问外部程序存储器控制信号，当执行内部程序指令时，EA接VCC，对P2和P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，在这个时候是能作为输入口进行使用，AT89S52的P1和P3口都有第二功能，

进一步地，由于有些内容在单片机里不能集成，需要连接对应的外围电路。一些MCU有多种起振方式。本设计采用外部石英晶振(externaloscillator)方式，设计的旁路电容在时钟电路中使用20pF的电容。时钟电路如图3所示。

进一步地，使外部RST引脚变为高电平从而使电路复位，恢复到起始状态。当按下开关AT89S51引脚RST为高电平，MCU强制发生复位。在图4的电路中，使AT89S51为正常状态时C和R的充放电来产生一个在时间内的连续低电压，并输入到AT89S52的RST脚。

进一步地，图5、图6分别是SJA1000内部结构图和SJA1000电路图，其在工业中也很常用。

进一步地，本设计里采煤机远程监控通过CAN总线通讯，PCA82C250接收从CAN控制器传输来的数据，经过处理之后又发送给监控主机，硬件设计电路如图7所示，电路中6N137有CAN总线间电气隔离的功能，减少电路之间的干扰，在电路中通过加入了高速光电耦合器，有电压等补偿的功能。

进一步地，用LCD实时显示电路监控的截割电机电流，牵引变压器温度，瓦斯浓度，环境温度和掘进机设备开停显示，液晶电路设计选择1602A显示屏，液晶显示电路如图8所示。

进一步地，通过传感器采集到的数据，当监测数值超过设定值时声光报警会报警提醒。设计的电路如图9所示。连接AT89S52引脚P1.0的是光报警电路，之间串联一个100Ω的电阻。连接AT89S52引脚P1.1的是使用蜂鸣器报警电路，是通过NPN来驱动的，当监测数据超出设定值时，P1.1为高电平时，三极管NPN饱和，电路发出声音；此时P1.0与P1.1脚电平一样，D1亮。

进一步地，选择矿用本安电源，它的输电压为AC127V，本安输出是，电流是。在硬件电路设计中需要12V、5V、3.3V的电压。所以需要设计降压电路和升压电路。电源设计电路如图10所示，DC12V低压交流电源经过D100全桥式整流电路供电3V给三端低压失电压调整器(AMS1117-3.3)U17，经过稳压器U17转换为稳定的+3.3V直流电压，从2脚输出；从线性稳压集成电路LM2940的1脚输入3V，经过稳压器U18的3脚转换为稳定的+5V直流电压。电路中的电容是电源滤波电容。

进一步地，监控和测量采煤机左右截割电机。在硬件设计中使用电流互感器，可以使电流按比例减小，从而达到监控采煤机截割电机的大电流的目的，它的原理为电磁感应，在经过变送器按比例输出电压。电压测量电流如图11所示。

电机测量电路输出电压为：V_O＝R₄₉K₁ U

额定电流比为：K₁＝I₁/I₂

电流互感器测得的电流为模拟信号，需要设置ADC转换电路，将变送器测得的模拟信号转换为数字信号，通过SJA1000的CAN控制器和82C2502接收器接收并传输数据。变送器输出的电压信号为0～10V。为了保护TLC2543模拟量输入接口AIN，所以采用电阻分压测量电压。电压测量电路图如下图3-11所示。在电路中R48，R50是分压电阻，R47是限流电阻，保护TLC2543的模拟量输入端口。R50＝3K，R48＝1K，R47＝10K。使用12位的ADC，分辨率高，采样速率为。

电路的理论精度是：

现实中由于电路的工作精度，由于周围环境改变，与理论精度不同，可能发生电磁干扰，在检验后设计的该电路测量精度达到了0.1％。

进一步地，温度监控设计原理图如图12所示，PT100的阻值随着温度的变化而改变，电路输出电压变化量随着PT100的阻值而发生改变。根据PT100的电阻和温度关系，计算出温度的值。测量范围大约为-200度到+850度。当采煤机运行时会发热引起牵引变压器温度升高，电桥失衡，而形成压差输出，再送入ADC，A/D只接受电压信号，之后还要将值转换为温度，可以使用公式法，C语言编程为fT＝(ADC_data*K)-B；//换算成温度值。

PT100的阻值与温度的关系：

-200℃＜t＜200℃：R_PT100＝[1+A t+A t²+C t³(t-100)]

0℃<t＜850℃：R_PT100＝(1+A t+B t²)

式中，A＝3.90802×10^-3；B＝-5.80×10^-7；C＝4.2735×10^-12。

进一步地，本设计采取催化型瓦斯传感器，其在矿井中广泛使用，是最可靠和便宜的检测方式。电路如图13所示，电路是非常简洁的，R₇₁、R₇₂为桥臂电阻，由于催化元件含有的催化剂的作用，检测元件r₆₉由于里面的加热丝加热为300℃及以上，CH₄在r₆₉周围燃烧转换为热量，并且热量与之成正比，使补偿元件r₆₉的阻值也随之升高，从而使电桥电路不平衡，产生一个与CH₄浓度成正比的电压，此时的电压在输送中会存在衰减的问题，所以经过ICL7621放大电压，在经过TLC2543转换为数字信号之后输送到CAN总线上。检测时输出电压为：

设R₇₁＝R₇₂＝R，则：

可以看出来，输出电压和r阻值成非线性关系，瓦斯的浓度与检测元件阻值也不是线性关系，瓦斯浓度与检测元件的阻值的关系通过热催化元件的静态热平衡方程表示，它们之间的方程式为：

进一步地，瓦斯、风速风向、位置、电流等监测的模拟量需要变为数字量方便计算机处理和保存，本设计使用串行ADC，采用的芯片为TLC2543，有11个模拟量输入口，为12位，ADC转换电路如图14所示。

进一步地，采煤机运行时出现问题需要处理，本文设置开关量接口模拟这些信号，由于AT89S52缺少接口，需要扩展，采用82C55芯片，电路如图15所示。

进一步地，设计的开关量输入检测电路如图16所示。采集到的信号传输到光电隔离后与I/O扩展接口相接，接口分别是部分PB和部分PC口。用矿用本安电源为电路供电。电路中的I1～I10处于低电平，光电耦合电路处于工作状态，经过74LS14的整形滤波作用后接入I/O扩展接收接口，电路中接发光二极管来表示输入了什么控制信号，电路中用开关来代替状态信号的输入。限流电阻通过计算取值得出：

光电耦合电路输出端需要接入限流电阻，阻值计算得出是：

所以，就可达到电路的要求。

进一步地，当采煤机发生故障时，发出报警信号之后，需要控制采煤机的状况，比如停止采煤机的运行，减少维修成本。设计通过控制采煤机的继电器，可决定给电或断电。控制接口电路设计如图17所示。ULN2003为驱动芯片，当输出为高电平时，继电器得电吸合。

进一步地，DHT11湿温度是被aosong公司设计出来复合传感器，可以直接与AT89S52的I/O接口连接，因为它里面设计了已经校准了的数字信号输出器，不用再设计A/D模数转换电路，可以自动数模转换，非常便利，可以使电路简洁，可靠性非常好又优秀的稳定性DHT11温湿度传感器测温能力好，反应快，可以在采煤机工作的采煤层面监测温度，避免采煤机受到损害，DHT1的通信方式为单总线，通过AT89S52的传输采集到的周围环境变化的数据，连接方便。可在Vcc和Dout之间接一只4.7K的上拉电阻，温度测量电路图如图18所示。

进一步地，一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，其通过采集左右截割电机的电流、牵引电机电流、瓦斯浓度、风速风向、工作环境温湿度等信息，并将其传输给AT89S52主芯片，分析截割探头的位置及其工作电流变化，实现对尘源的跟踪以及其浓度的变化趋势的判断，对采煤机喷雾系统地控制策略做出改变，以便随着割煤位置地、截割机电流、牵引电机电流和现场风向风速的变化，也能够在井下煤尘浓度发生变化时，控制接口能够适时、合理的控制喷雾开关打开的数量、喷射角度和水量，如图19所示，以达到最大程度抑制煤粉扩散的基础上，减少水量的消耗的目的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，其特征在于：所述系统包括：左截割电机、右截割电机、牵引电机、A/D转换器、传感器、温度传感器、声光报警装置、LCD、I/O扩展接口、控制接口、喷雾开关、继电器组、SJA1000控制器、82C250收发器、监控主机、CAN总线、处理器AT89S52、开关模块、采煤机喷雾系统、开关量输入电路和本安电源；

该系统通过CAN总线与采煤机电连接；

所述传感器分别与左截割电机、右截割电机和牵引电机电连接，还与A/D转换器电连接；

所述温度传感器与处理器AT89S52电连接；

所述A/D转换器分别与处理器AT89S52和本安电源电连接；

所述声光报警装置与处理器AT89S52电连接；

所述LCD与处理器AT89S52电连接；

所述I/O扩展接口与处理器AT89S52电连接，还通过控制接口与喷雾开关和继电器组电连接；

所述处理器AT89S52与本安电源电连接，还与SJA1000控制器电连接；

所述SJA1000控制器与82C250收发器电连接；

所述82C250收发器通过CAN总线与监控主机电连接；

所述本安电源通过开关量输入信号与I/O扩展接口电连接，还与A/D转换器电连接；

所述LCD显示左截割电机的电流、右截割电机的电流、牵引电机电流、瓦斯浓度、风速风向和工作环境温湿参数信息；

所述声光报警器用于当参数超过设置的限值时报警并作出对应处理；

所述开关模块与开关量输入电路电连接；

利用CAN总线通过收发器多节点接收相应传感器采集到的信号发送给监控主机。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，其特征在于：所述左截割电机的电流、右截割电机的电流、牵引电机电流、瓦斯浓度、风速风向和工作环境温湿参数信息用于对采煤机喷雾系统的控制策略做出判断，且该采煤机喷雾系统包括喷雾开关、喷头和继电器组。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，其特征在于：所述SJA1000控制器接收各传感器的信号并发送给82C250收发器；

所述82C250收发器将接收到的信号经过信号放大、光耦隔离处理后输送给监控主机；

所述监控主机用于检测数据，当监测到的数据出现问题时，监控主机根据设定的参数自动下发控制命令并通过控制接口和CAN总线变频器通信接口控制采煤机；

所述LCD用于实时监测采煤机运行情况和周围环境的变化，循环显示各个通道的模拟量和开关量数据、通讯及设备运转状态，在出现问题时通过声光报警器报警。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，其特征在于：所述CAN总线的通信协议支持基于报文的工作方式。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，其特征在于：所述A/D转换器通过将传感器采集到的信号转换成数字信号并输出发送到CAN总线上，并且当传感器监测到的信号超限时自动报警。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿采煤工作面粉尘自动监测、报警及控制系统，其特征在于：所述监控主机设置的限值参数用于在发生故障时控制采煤机。

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