煤矿井下盲巷智能监控系统设计

王若楠,郭 刚,李 奕,谢晓东,杨鹏里

(山西大同大学 a.煤炭工程学院,b.教学实验与实训中心,山西 大同 037003)

随着煤矿井下开采的发展,井下巷道众多,由于矿井停电检修、临时停掘或其他原因造成盲巷[1]。盲巷是矿井中只有一个通道且未通风的巷道,对于井下产生的盲巷管理应立即切断盲巷内的电源,设置栅栏、揭示标语、禁止人员进入。在盲巷内部存在大量瓦斯和有毒有害气体,如果缺乏对盲巷的管理,极容易导致人员窒息、人员中毒和瓦斯爆炸等事故发生[2-3]。若盲巷内CH4或者CO2体积分数达到3%,或者其他有毒有害气体含量超标不能立即处理的,需要在24 h内封闭。在盲巷中,为了避免发生安全事故,未密闭的盲巷需要有专门的瓦斯检查员每天进行巡检栅栏质量,以及巷道内的瓦斯、CO2含量等环境参数并记录入册。密闭的盲巷需要一周至少一次巡检[4],极大的浪费了人力资源。

数字和高清设备的普及,促进了视频监控领域的发展。近年来,由于监管不及时、矿工安全意识不强、矿工操作不规范等导致的煤矿安全事故时有发生。为了及时发现危险情况并进行预警,煤矿的远程视频监控系统显得尤为重要[5-6]。在煤矿安全生产和管理中,已经开始积极运用视频监控系统。如,井下变电所、运煤皮带和巷道处,周边电缆交错、环境昏暗、安全事故时有发生。但现有的井下监控系统大多针对井下生产环节、重要设备处、重要工作区域,针对盲巷这种非工作区域监控较少,甚至没有。

针对以上不足之处,系统设计时,要考虑到盲巷内的环境参数监控以及井下人员的违规入侵。建立煤矿井下盲巷智能监控系统,针对盲巷监控的不便利、不实时,研究预防对策,可为煤矿井下盲巷监控升级改造提供参考。

1 煤矿井下盲巷智能监控系统设计

通过使用SIMATIC S7-1200主要控制器,以及其编程软件、力控组态软件,设计开发一个集井下盲巷内环境参数监测,盲巷内人员流动监控,以及系统运行参数监视和故障预警的智能监控系统,使其达到远程监控、无人巡检的功能。智能监控系统能够直观地显示盲巷内环境参数超标预警的动画画面,将井下盲巷内的环境参数采集,形成数据报表、实时曲线图和历史曲线图[7-8],提供系统运行分析参考。同时系统还设计了环境参数超标报警和井下人员入侵警戒区域报警功能,系统声光报警信号同时报警,提示监控室的管理人员。

2 井下盲巷智能监控系统硬件设计

2.1 网络监控系统

如图1所示,井下盲巷网络监控系统由监控层、传输层、控制设备层构成。监控层由上位机监控电脑、大屏幕显示器、打印机构成,可以实现管理人员对系统的监控;上位机安装力控组态软件,实现监控层的动画运行、监视功能和远程控制功能。传输层主要由系统传输网络设备、协议转换设备、传输线缆等组成,实现设备层采集数据的实时传输和对控制设备操作指令下发等[9]。控制设备层由SIMATIC S7-1200及模拟量输入扩展模块SM1231、数字量输出信号模块SM1222、总开关、温度传感器、CH4传感器、CO传感器、CO2传感器、烟雾传感器、O2传感器、防爆摄像仪等组成,主要实现采集现场的实时数据并且完成操作指令,同时安装摄像机,实现视频监控功能。上位机通过交换机与环境监测PLC通过TCP/IP网线连接,并使用MODBUS通讯协议进行数据传递,PLC使用模拟量和开关量实现与现场终端的数据传输。

图1 网络监控系统示意图Fig.1 Network monitoring system

2.2 环境参数监测系统

环境参数监测电气系统由AC220V电源、AC220V空气开关、DC24V开关电源、SIMATIC S7-1200、模拟量扩展模块、数字量扩展模块、温度传感器、CH4传感器、CO传感器、烟雾传感器、O2传感器、总开关、环境参数报警指示灯等组成,如图1所示。PLC有一个开关量输入点,接总开关;有6个模拟量输入接点,分别接氧气传感器、温度传感器、烟雾传感器、CH4传感器、CO传感器、CO2传感器;有7个输出接点,分别接烟雾报警指示灯、温度报警指示灯、CO报警指示灯、CO2报警指示灯、CH4报警指示灯、O2报警指示灯、区域入侵报警指示灯。

2.3 视频监控系统

视频监控系统由摄像机、交换机、网线、监控终端(上位机)、录像机等组成。像机使用本安型摄像机,型号为KBA12S进行视频监控。此型号摄像机将镜头、固体CCD器件和无线发射器集成在一起,使得摄像传输一体化;其结构紧凑体积小、重量轻、防爆、抗震、防潮,适合井下恶劣环境;成像清晰,能够在昏暗的环境中提供清晰的监控画面;同时完全兼容海康、华为等通用的视频品台,具有人员识别、电子围栏等多个场景智能识别功能,有485、TCP/IP联动报警输出能力,为后续的井下员入侵行为分析提供了技术支持。视频监控器将拍摄到的视频信息通过网络传输给交换机,通过网线送至上位机,在上位机的监控画面中显示视频画面。同时还可以将需要用到的视频信号传输至录像机进行保存。监控系统的屏幕,以盲巷中的人流为重点,通过录像中人员与禁入区域之间的空间联系来判定入侵条件,从而达到了入侵者的报警要求[10]。视频监控系统可以与对应的视频信号相连接,在管理人员进行设备操作或者报警时,该系统可以按照设备所在位置,自动调出预先设定的现场视频信号,便于管理人员对设备的现场状况进行观测。与传统监控系统相比较,此系统的优势在于可以实现联网功能,通过上位机可以实现共享实时监控画面;同时基于TCP/IP网络协议,拓展了监控的范围;视频信号传输方式采用无线传输方式,比传统点对点模式增加了视频信号的传输范围和传输稳定性。

3 系统软件设计

控制系统软件主要使用力控组态软件ForceControl 7.1和西门子S7-1200PLC编程软件TIA Portal V15.1进行项目组态和编程[11]。

3.1 力控组态软件设计

1)应用力控组态软件,创建井下盲巷智能监控监测系统,绘制出盲巷智能监控监测系统控制动画图,如图2所示。

图2 井下盲巷监控系统监控主画面Fig.2 Main screen of monitoring system of underground blind lanes

2)定义外部设备及数据连接。井下盲巷环境参数监控PLC设置如图3所示。在工程项目中选择I/O设备组态,添加I/O设备,选择PLC-SIEMENS S7-1200(TCP),在弹出画面中,设备名称设置为HJJKPLC(环境监控PLC),更新周期设置为1 000 ms,超时时间设置为8 s,通讯方式选择TCP/IP网络,其余保持默认;下一页中,设备的IP地址设置为192.168.01.02,端口设置为102。

3)端口通信参数设置。PLC与上位机通过网线连接后,打开TIA Portal V15.1编程软件,找到PLC后,设置其IP地址与力控组态的IP地址保持一致。

图3 外部设备及数据连接Fig.3 External equipment and data connection

4)定义数据库点及数据连接。根据项目创建系统实时数据库,将系统中的开关、环境参数传感器、环境参数报警器等设备连锁控制点加到数据库中。在此基础上,结合实际工程的控制情况,建立数据库,数据库点设置如图4、图5所示。将已经创建的点数进行保存,然后和力控组态中的控件进行连接,确保一一对应,完成数据传输。

3.2 PLC程序设计

3.2.1井下盲巷监控系统监控流程

本设计依据井下盲巷监控系统要求,设计如图6所示的监控系统流程图,并依据流程编写PLC控制程序。

图4 井下盲巷环境参数模拟量输入输出Fig.4 Analog input and output of environmental parameters of underground blind lanes

图5 井下盲巷环境参数数字量输入输出Fig.5 Digital input and output of environmental parameters of underground blind lanes

3.2.2井下盲巷监控系统PLC程序解释

根据图6所示的盲巷井下智能监控系统流程图监控步骤,编写梯形图控制程序,实现对井下盲巷的远程监控。

将上位机监控画面中的总开关拨向开的位置,系统进入自动运行状态,实时监控盲巷内的环境参数,包括盲巷内的温度、CO含量、CO2含量、O2含量、CH4含量、烟雾含量等参数。PLC将各个传感器采集到的数据保存,并通过工业以太网经交换机上传到上位机的监控中心,上位机监控画面实时显示各参数。当温度超过30℃、O2体积分数低于20%、烟雾体积分数大于10%、CH4体积分数超过1.5%、CO体积分数超过0.0024%、CO2体积分数超过0.5%时,故障报警程序启动,发出报警信号,上位机报警指示灯闪烁报警。

图6 井下盲巷智能监控系统流程示意图Fig.6 Flow chart of intelligent monitoring system for underground blind lanes

井下盲巷环境参数监控,井下盲巷设置温度、CO含量、CO2含量、O2含量、CH4含量、烟雾含量等传感器,将环境监测数据传输给PLC保存并上传给监控室的上位机。通过组态画面显示各种数据的实时报表、实时曲线图。当实测值达到报警条件,报警启动,并通过声音和视觉的方式向监控层管理人员提出警告。在发出报警后,在警报提示视窗中,按下“确认”按钮,就可以将报警的声音和报警指示灯关掉。

视频监控系统,在海康工业视觉特征软件中选择设备管理,通讯协议选择S7-1200,通讯IP地址与PLC地址设置一致。首先配置移动侦测,其功能是判断某个区域内是否有移动的物体,当有移动的物体时,出发设备执行联动动作;然后绘制区域,在监控画面中的栅栏内1 m处至巷道口这一部分区域进行绘制。最后设置灵敏度:灵敏度设置越大,越容易出发报警;时间阈值表示目标进入警戒区域,设置在该区域停留的时间,超过该时间将产生报警,时间阈值设置越大,目标在侦测区域内持续运动的时间越长;检验目标用于指定检测目标,设备将对指定的目标进行检测。

该视频监控系统在盲巷栅栏周边设置一个矩形警示框检测区域来监视所拍摄的图像。由摄像机获得的图像信息,摄像机内部的微处理器根据移动对象识别的方法,对图像进行处理。在监测到有人员进入警戒区域且停留时间超过15 s,微处理器就会向PLC发送区域入侵事件警告信息,通过声光报警的方式,对入侵人员发出“您已进入警戒区域,请及时退出”的警告,并及时将现场监控画面发送到监控平台,用“声音开”提示管理人员,让他们对报警情况进行关注。如果盲巷内工作人员继续在警戒区域内停留,微处理器触发区域入侵事件并发送上位机组态监控画面,在组态监控画面上显示报警信息,同时声光报警,提醒管理人员盲巷禁入区域有人入侵。报警后在报警显示窗口,形成报警记录,点击确认,即可关闭报警声光信号。

4 系统运行数据分析

井下盲巷智能监控系统,在运行过程中采集到:温度26.9℃,烟雾体积分数0.27%,O2体积分数21.63%,CO体积分数0.009 6%,CO2体积分数0.2%,CH4体积分数0.39%。CO体积分数超标报警启动,智能监控系统功能均能实现。这些数据在组态软件中进行处理可以形成数据报表如图7所示,同时还可以累计数据形成历史报警报表如图8所示,需要时可以查询、打印和保存数据,提供系统数据分析处理。系统设置了环境参数超限报警和人员入侵报警,在环境参数超限报警后界面显示后有声光报警,并有报警记录生成。系统中记录的各项环境参数数据都可以提高对井下盲巷的管理,以及为系统的后期优化升级提供参考。

图8 历史报警信息Fig.8 Historical alarm information

5 结论

本设计基于PLC和力控组态软件,设计了井下盲巷环境参数监控系统和视频监控系统,对井下盲巷智能化监控监测具有现实意义。

1)提高数据处理分析水平。可以对环境参数实时监测,替代人工巡检,保证了巡检数据的准确性和实时性。当数据发生异常时,对故障精准定位,系统管理人员可以及时针对隐患进行处理。为无人巡检模式的升级改造提供参考。

2)安装井下盲巷监控系统后,能对井下工作人员不规范行为进行监控,确保工人的人身安全,具有一定的应用价值。

3)具有扩展性。本设计只对井下一条盲巷进行了监控,若应用多个盲巷,可扩展监测点,采用485总线,应用MODBUS通讯协议,实现多条盲巷的监控,提高矿山信息化管理水平和自动化水平。