王 政

(包头职业技术学院 电气工程系，内蒙古 包头 014030)

目前，发达国家的煤矿企业主要以自动化技术和计算机网络技术相结合，实现了煤炭生产过程自动化和集约化生产，开发了矿井综合自动化监控系统，以文本、图像、视频于一体，兼容监测、控制和通信技术的专用安检系统。可以实现矿井下通风、运输、排水、供电和瓦斯浓度监测等功能。坦白讲，系统综合性已经非常完善。但是，无论是国内，还是国外安检系统都是属于以监测、报警为主的一体化的设计，属于“被动式”监测系统。

井下监控一直存在较为困难和复杂的问题，一般来讲，监控系统是基于计算机控制技术、网络技术等在煤矿安监中应用也是比较广泛，但在主动监测、防御方面还是达不到预想的要求，本文采用无线网络在极少的布线情况下，以“分布式监控+集群智能控制”将监控获取的信息传送到系统服务器中，系统服务器根据信号点，实时发送控制信号给集群智能控制系统中，根据“就近原则”，由“被动”预防式的监测系统变为“主动”将矿井下危险或安全隐患进行自动清除，以保证矿井生命财产的安全。

本文设计主要涉及两个方面，分别是监测气体主动防御控制和矿下塌方安全防御控制。

2.1 监测气体主动防御控制

通常情况下，井下时不时会出现有害气体，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮、氨气、氢气、氡气、氮气等十种气体。因此，气体监测系统对于矿下安全防护是极其重要的安全保障。本课题采用基于工业以太网和总线网络环境，依托工业控制器集成一套主动防御系统，气体监测防御管理系统总体架构及工作原理如图1所示。

图1 气体监测防御管理系统总体架构及工作原理图

在系统中会在矿下分段布局检测气体的传感器探头(采用PRODUCTS的气体检测传感器)，当检测到气体密度达到警报值时，会将数据通过数据总线传输到工业控制器1(采用西门子S7-1200PLC)，工业控制器得到数据后，将数据通过布设的工业以太网传输到上位机系统中(上位机包含服务端电脑、手机、平板电脑等)，系统得到报警后，会提醒安全管理人员，同时启动系统自动防御控制执行机构，即：将控制信号发送给工业控制器2(采用西门子S7-1200PLC)，工业控制器2得到指示命令后，启动对应区域的防御控制执行机构，有效保证矿下安全区域。

2.2 矿下塌方安全防御控制

当矿下出现塌方等安全事故时，为了保证人员的安全，课题设计了一套机电一体的支撑支架，由于塌方区域的不确定性，因此系统采用了无线网络通讯模式，移动式控制支撑支架的防御，具体设计如图2所示。

图2 移动式控制支撑支架设计图

支架驱动采用直流伺服电机，根据设计情况，将该支架支撑到需要防备塌方的区域，支架由直流伺服电机进行升降位置调节，保证了支架的柔性使用。由于塌方区域的不确定性，因此防御系统采用无线网络通信模式，在支架上安装有压力传感器，当出现塌方时，压力传感器接收到信号，通过无线通信发送到服务器中，服务器根据信号，驱动支架进行防御。

3.1 硬件设计

本文采用了西门子博图V15软件系统(英文简称：TIA V15)进行控制部分的硬件及软件平台的构架，客户端采用HMI可视化监控和基于Web Service服务的APP设计。力求达到国家较为先进的安全监测系统平台。图3为基于西门子博图V15软件平台下安全监控平台的硬件组态设计。

图3 博图V15软件平台下安全监控平台的硬件组态设计

3.2 软件设计

本文软件平台分两个方面，一个方面是采用ASP.NET+SQL SERVER2008系统，基于B/S架构，易于网络化、远程访问以及异构性良好的特点。根据前端传感器的监测和数据采集，通过Internet网络发送到基于B/S架构的数据服务器平台中，为数据的获取、保存、统计、分析提供良好的帮助，为未来的识别数据信息系统提供有益的前瞻性研究。

TIA采用此新型、统一的软件框架，可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时的共享任务，可大大降低连接和组态成本。针对井下气体监测做了仿真测试，如图4所示是某矿井下监测组态监控界面。

图4 井下某区域检测控制画面

系统根据区域进行划分，根据不同区域构架不同的组态界面，分布层级，做相关隔离区域，各个区域都有相关检测传感器，根据不同区域，分布不同类型的检测传感器，并且系统采用组网式连接，当系统出现临界值时，系统会多区域及时提示报警，大大提升了系统的有效性和实时性。另外，系统采用了友好的上位机系统和手机APP(安卓系统)两种模式，为使用人员提供友好、方便的操作界面。网络通信采用无线WIFI或4G网络，保障系统多种复杂环境下的稳定运行。系统支持远程协助服务，使系统扩展性更优良。

图5是矿下机架的驱动轴程序模块，本模块是通过PLC程序驱动一个伺服电机，当发生安全事故时，根据感知传感器的反馈信号，PLC执行该程序，启动机架运行，保证事故发生区域不会出现大的事故。

图5 机架的驱动轴程序

煤矿安监系统的研究方向很多。近几年，大数据、人工智能技术的发展，越来越多的技术人员开始尝试大数据下，利用感知技术来检测安全隐患，以可视化技术将煤矿安全隐患信息映射成可交互图表的形式展现出来。

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