智能井下系统

智能井下系统（精选八篇）

智能井下系统 篇1

煤矿井下大部分的机车调度指挥以巷道固定电话通信为主, 机车行车时无法通信, 难以满足行车安全、运营管理的要求。部分煤矿仍在使用无转辙机的道岔, 机车通过道岔时, 如果道岔方向不正确, 司机需停车并下车手动扳动道岔, 然后继续行驶。该方式容易造成事故:如果顺向道岔上的司机不扳道岔, 可能造成压坏道岔或车辆脱轨事故;如果分支线路的车辆进入主运输轨道没有提前与调度联系, 或者交叉道口信号发生故障或司机观察不仔细, 容易发生撞车事故。另外, 随着矿井煤炭产量的增加, 井下巷道逐渐延伸, 机车运输范围随之扩大, 运输环节增加, 如果机车调度不合理, 可能造成撞车、追尾等事故, 影响运输效率和安全。

本文介绍一种煤矿井下运输智能调度指挥系统。该系统基于计算机信息、自动控制、现代化通信等先进技术设计, 具有机车位置监测、行驶方向识别、道岔控制、信号指引、语音通话、安全预警、移动视频监控、运营调度管理等功能, 保障了井下机车运输系统的高效安全运行。

1 系统组成

煤矿井下运输智能调度指挥系统主要由地面主控系统、井下信号集中闭塞 (以下简称信集闭) 系统[1]、井下无线通信及精确定位系统、视频系统等组成, 其结构如图1所示。

地面主控系统包括监控服务器、网络交换机、不间断电源、调度台、打印机等。井下信集闭系统包括隔爆计算机、数据光端机、调度控制分站、车载测控装置、红外位置标志器、电动道岔、矿用本质安全型信号灯、总线通用输入输出端口、矿用隔爆兼本质安全型多路电源、隔爆兼本质安全型不间断电源等。井下无线通信及精确定位系统主要包括井下指挥机、无线基站、无线基站天线、精确定位器、隔爆兼本质安全型不间断电源、车载台、车载电源、矿用本质安全型通信接口、弯道报警器、矿用手机等。视频系统主要包括矿用本质安全型网络摄像仪、矿用浇封电源、嵌入式视频解码器、网络控制键盘、媒体服务器、磁盘阵列柜等。

2 系统工作原理

为了实现井下巷道、车场WiFi信号全覆盖网络, 在机车巷道沿线设置无线基站, 车载台借助无线通信网络实现机车移动语音调度通信, 井下工作人员携带矿用手机实现随时随地语音通话。无线基站可集成精确定位功能[2,3], 能计算车载台和无线基站之间信号飞行时间, 从而获取机车的精确位置信息。地面主控系统根据该位置信息实现安全行车和预警功能。

系统通过行车信号指挥机车行驶。机车行驶过程中由地面主控系统根据机车运输任务和位置信息扳动道岔、闭锁信号, 保证运输安全。自动道岔可采用气动转辙机或电动转辙机控制, 并由总线通用输入输出端口监测和控制, 闭锁信号机和总线通用输入输出端口均由调度控制分站巡检和控制。

系统通过基于信标的精准位置识别技术实现机车进路沿线关键区域的机车位置识别, 也可通过无线基站集成的精确定位功能实现车辆位置判断。用作信标的红外位置标志器安装在转辙机、信号机的前后方等关键位置, 判断机车接近、进入或离开标志区域, 同时获取机车运载信息和状态信息。

机车的运载信息包括机车前进路线、运载车辆数量、负载情况, 由司机通过车载测控装置编录。机车的状态信息包含行驶速度、沿途瓦斯体积分数等, 由车载测控装置自动检测。司机可通过车载测控装置自行编录前进路线, 使系统能够脱离调度员自主运行。

调度控制分站通过RS485总线巡检总线通用输入输出端口、闭锁信号机和位置标志器, 通过CAN总线上传机车信息、接收控制指令;CAN总线信号经数据光端机转换为网络信号, 与无线基站、网络摄像仪一同接入矿井高速以太环网[4]。网络摄像仪装配在换装站、井底车场位置, 实时监视机车在该区域的位置信息。

系统监控服务器通过系统网络获取机车运载信息和状态信息, 实施远程调度控制, 并通过大屏幕显示机车状态、设备状态、轨道状态。地面调度员和相关负责人可通过服务器或客户端查看系统运行情况, 特殊情况下手动干预系统运行。

3 系统功能

(1) 机车精准定位功能。通过采用信标的位置标定技术实现机车关键位置的精准定位;利用先进的TDOA (Time Difference of Arrival, 到达时间差) 定位技术实现机车全程连续精确定位, 定位精度为4 m;通过有源RFID (Radio Frequency Identification, 射频识别) 技术实现区域定位, 确定机车的位置和速度, 为实现机车车号、位置显示和机车运行状态的动态监测提供了保障。另外, 系统还具有闯灯报警、进站语音报警、超速报警、弯道减速预警、丢车报警、追尾报警等功能。

(2) 语音通话调度指挥功能。系统实现了车载台之间的扩音通话, 以及手机与手机、手机与调度台之间的通话功能;具有单键直呼用户、强接、强插、强拆、监听、拨号、转接、会议、夜服等调度功能;可按照调度员指定的运行计划自动指挥机车安全运行, 也可由机车调度人员按照机车运行情况随时分区段和进路调度车辆。

(3) 机车运行状态监测功能。在机车运行状态发生改变时, 可能会出现意想不到的情况, 如道岔自动转换过程中出现挤岔、夹矸状况, 机车运行中出现闯红灯报警等。如果不及时处理, 可能导致机车走错方向、掉道甚至撞车等重大事故。在机车上安装车载测控装置以及配套的传感元件, 实现了车轮转速、电动机转速、瓦斯体积分数等机车运行状态信息的监测功能, 并可通过无线网络发送监测信息, 便于工作人员对异常情况进行快速有效的处理。

(4) 机车运载信息监测、物料跟踪及矿车管理功能。车载测控装置可录入当前运输任务的运载内容, 如机车类型、机车数量、负载情况等, 并可通过无线网络发送相关信息;也可通过手持PDA (Personal Digital Assistant, 个人数字助理) 对矿车配装的电子标签进行读写, 录入或输出当前运输的物料信息、物料承运部门, 实现物料运输过程的有效跟踪。系统具备远程控制功能, 可远程配置无线基站、调度控制分站、信号灯、转辙机等设备逻辑关系, 编订进路联锁表, 编录机车车头、矿车信息。

(5) 系统软件具有数据存储、查询和历史重演功能。系统软件监听并存储总线数据, 存储软件操作记录;可查询并打印历史数据和操作记录, 生成机车运行图, 重演指定时间内指定设备的运行情况。

4 结语

煤矿井下运输智能调度指挥系统投入使用后, 显著减少了机车的启停次数, 延长了机车使用寿命, 有利于及时发现和有效预防追尾、撞车事故, 保证运输安全。由于司机可在车上控制道岔转换, 不需停车和人工扳道岔, 大大减轻了工人的劳动强度, 提高了运输效率。

摘要：介绍了一种煤矿井下运输智能调度指挥系统的组成及工作原理。该系统实现了机车位置监测、行驶方向识别、道岔控制、信号指引、语音通话、安全预警、移动视频监控、运营调度管理等功能, 其应用有效预防了煤矿井下运输事故的发生, 提高了井下轨道运输管理水平, 并减轻了工人的劳动强度。

关键词：矿井机车,轨道运输,机车调度,调度指挥,精确定位,道岔控制

参考文献

[1]商永泰.矿井信集闭[M].北京:煤炭工业出版社, 1993.

[2]孙海淇.基于精确定位的井下运输信集闭系统分站的研究[D].阜新:辽宁工程技术大学, 2012.

[3]王云鹏, 付衍斌.基于精确定位的井下运输信集闭系统的研究[J].电子技术, 2013 (2) :14-16.

煤矿井下供电电网监控系统 篇2

【关键词】电网；监控系统；通信；分站；采集器

0.前言

对煤矿来说，任何时刻地突然停电都会危及安全、生产和煤矿的经济效益，科学供电，合理用电就意味着降低生产成本，提高经济效益。特别是井下供电比较复杂，为保证安全供电，各种高压开关装置都装有漏电和短路保护，而一旦出现线路故障，首先引起高压开关掉电，影响生产，况且由于保护设备质量的不完善性，还易发生误掉电。无论如何，掉电后必须由人工送电。由于井下变电所的特殊性，很少有人值守，加之距离较远，当值班人员发现掉电到去送上电，往往需要很长时间。另一方面，为便于供电管理人员的科学管理，实时了解某路负载的电流、电压、功率等参数也是非常重要的。而本文介绍的井下變电所高压供电监控系统就能在实时监测显示各路负载用电参数的同时，实现地面计算机遥控井下变电所高压真空开关分、合闸，即实现地面计算机遥控断、送电，基本上可以解决上述问题，并通过兖矿集团公司科技处的验收。

1.系统结构及工作原理

本系统的监控对象就是变电所里的高压真空开关，是相对集中的地方，但变电所之间距离往往相距甚远，所以系统具有集散型的特点，在设计系统时就采用集散型计算机监控系统。系统中心计算机放在地面值班室。井下变电所设一台分站，分站再与被监控高压开关装置内的智能采集器连接，采集器完成对电流、电压、功率等传感器信号的采集和输出控制信号。

系统工作原理：

在系统第一次运行时，系统计算机需根据系统所接分站和每台分站所接各智能采集器进行“系统定义”，即定义计算机共接了几台分站，每台分站的地址号是什么？每台分站连接了多少个智能采集器？且智能采集器的地址编号是什么？计算机的定义必须与实际相连接的设备相符，否则，计算机测不到数据。

定义完了分站和智能采集器以后，再执行“初始化”，在执行初始化成功后，即可进入“实时监控”，计算机运行后台实时通信程序，依次将各分站及各分站所接智能采集器采集到配电开关装置内的电流、电压、功率、开合状态等采集回来显示在系统主画面上，并随时根据需要，对某一配电开关进行人工分、合闸操作。

2.硬件设计

2.1通信接口设计

系统选用了当前技术比较先进，性能比较好，适于工业现场使用的现场总线CAN BUS。CAN现场总线技术是德国BOSCH公司于80年代初为解决现代工业中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发，目前已逐步应用到其它领域的一种符合国际标准的串行数据通信协议。CAN的主要技术特点有：对等网络结构，采用非破坏性总线仲裁技术，每一帧信息都有CRC校验及其它检错措施，通信误码率低，通信距离达10千米（5KB/S），通信速率最高可达1MB/S，节点数目实际可达110个，通信介质采用双绞线，也可用光纤。

2.2分站的设计

分站的作用是提高系统采集数据的速度和缩短系统巡测周期，从而提高系统的整体性能，在整个系统结构中起着承上启下的作用。它还能脱离主机独立工作。

本分站采用双单片机(1)。单片机Ⅰ专用来控制智能采集器（设计容量为16，可以扩展）。单片机Ⅱ专用于同地面计算机通信。两单片机独立工作，双方通过一只双口RAM数据存储器进行数据传递和交换。双口RAM的作用是能允许两只单片机同时对其读写操作，但不允许两单片机同时对同一存储单元进行写操作，这可通过两只单片机连接两根握手线来控制。

单片机Ⅰ与智能采集器的通信方式为485，单片机Ⅱ与地面计算机（经过RS232通信接口）的通信方式为CAN总线。

掉电不丢失EEPROM是用来保存地面计算机对分站的初始化常数，主要是分站所接各智能采集器的个数和地址。

分站工作原理：

单片机Ⅱ上电后先从EEPROM中读取已定义的常数，然后写到双口RAM的特定地方，写完后就等待地面计算机发来的控制指令，按照不同的控制指令对双口RAM进行读写操作。如果单片机读到的常数，经判断后不是计算机定义的一组有规律的数（如分站为第一次上电或更换新的EEPROM），则单片机进入等待状态，等计算机进行初始化操作。当单片机收到计算机定义的常数时，先将其保存到EEPROM中，等待以后上电或复位后使用，然后再写到双口RAM的特定地方。

2.3智能采集器的设计

智能采集器的作用是在高压配电开关内部采集系统需要的电流、电压、有功功率、真空开关的开合状态等电参数。同时执行地面计算机发来的“复位”，“合闸”，“分闸”控制等操作。

电流、电压、有功功率传感器均选用了0~5V的模拟输出方式，电流传感器的输入范围交流0~5A，电压传感器的输入范围交流0~100V ，有功功率传感器选用了三相三线制输入方式，即A、C相电流和A、B、C相电压。A/D转换器我们选用新型具有11路0~5V输入，串行数据输出，分辨率为12位的模数转换器TLC2543。该芯片具有精度高，转换快，操作简单等特点。RS485通信电路是采集器单片机与分站通信接口部分(2)，单片机和采集器是相对独立工作的，无论通信电路通不通，或是能否受分站单片机的控制，它都循环不断地采集传感器的输入信号和读真空开关的开、合状态，并放在内部的数据缓冲区，也可由专用显示器显示。

3.系统关键技术

3.1通信

通信是计算机间的相互交换数据。没有数据通信，就构不成计算机应用系统，所以通信在计算机应用系统中是非常重要的部分，尤其在远距离通信系统中，是首先要考虑的部分。通常为了系统工作可靠，往往投入巨资敷设光缆。

3.2智能采集器的设计

设计的智能采集器除了满足系统监测监控的需要外，还必须具有体积小，耗电少，功能强，工作可靠等特点。不仅实现在线监测，还能在线控制，具有远方遥控的功能。它的连线也很关键，必须保证与原有高压真空开关内的综保电路和控制执行机构保持各自独立工作，这是系统设计时的重点考虑内容。控制输入输出接口也都采用了无源接点，在电气上实现了隔离。

3.3系统的分、合闸功能

为实现系统的远距离分、合闸，从计算机操作、通信到采集器执行控制动作进行了综合考虑和设计，采取了密码操作、专线传输、实时监测、定时中断、安全退出等技术措施。

3.4分站的双向通信

分站的主要功能是实现双向通信。目前市场上出现的绝大部分单片机只具有一个串行口，如采用一个串行口实现双向通信，无法满足系统实时监控的需要，如果扩展串行口，会分散或占用单片机过多的工作时间，影响分站或单片机的工作性能，为彻底解决分站双向通信的问题，设计了双单片机结构，并选用一片双口RAM（随机存储器）进行数据暂存和缓冲，两只单片机各自独立工作，互不影响。同时分站将以最快的通信速度把变电所内所有采集器的数据同时传给地面计算机，从实际使用效果来看是非常理想的。

【参考文献】

［１］李华．MCS-51 系列单片机实用接口技术，北京，航空航天大学出版社，1993，8．

［２］王树勋等．MCS-51单片微型计算机原理与开发，北京，机械工业出版社，1990，9．

井下智能阀门控制系统的设计 篇3

本文设计的井下智能阀门控制系统, 采用由单片机组成的计时与控制单元, 配合多级封隔器, 实现一次作业下井, 配合地下计量和化验, 按设定时间 (也可根据需要使某些设定时间失效) 进行分层和轮番采油。系统采用双CPU控制, 主机能在现场完成数据录入、处理和显示。从机选用PIC单片机和硅振荡器, 使系统可在125℃高温环境中长期工作。井下控制系统的平均工作电流小于0.2mA, 使用10盎司的电池供电, 可连续工作1万小时。

系统工作原理

系统的基本工作原理是根据用户对油井测层的需要, 在地面对准备下入井下不同深度目的层的各智能阀门进行多个开关时间设定, 然后连同封隔器及防砂管一齐下入井中。各智能阀根据所设定的时间打开或关闭相应的控制阀, (也可根据外界条件, 使某次所设定的关阀失效) , 自动切换目的层, 再配合地面测试仪器, 定量读取有关数据。

系统主要有两部分组成:阀门动作时间设定器 (下称主机) 和井下阀门控制器 (下称从机) , 系统原理框图如图1所示。主机设计为带有液晶显示的手持设备, 可在地面对各从机进行多个时间设定, 对设定的时间数据进行处理和显示, 并能对设定时间的正确与否做出判定。从机下到井下后, 可根据所设定的时间, 并与有关流量仪器配合动作, 驱动电机拖动相应的阀门打开或关闭。

主机部分的硬件电路设计

主机主要包括人机界面和通讯模块, 采用AT89C52单片机作为控制核心, 其电路如图2所示。系统共设计了5个按键:“加”键、“减”键、“右移”键、“确定”键和“取消”键。操作人员可通过该组按键, 依据日历的方式完成多组时间的设定和确认。显示的时间数据包括“年、月、日、时、分”, 数据量较大。因此选用192×64个显示单元的LCD显示器。单片机能够直接访问LCD显示器, 省去了单片机于LCD之间的液晶显示控制器, 降低了系统成本。主机与丛机之间采用RS-232串口通讯, 完成数据和控制指令的传输。

从机部分的硬件电路设计

从机由电池供电, 需要长时间独立工作于井下125℃以下的高温环境中。因而耐高温、低功耗、高可靠性是从机设计中首要考虑的问题。本系统采用PIC16F876A单片机为核心, 实现油井阀门控制器, 其硬件结构如图3所示。从机主要包括:时钟控制信号、工作电流控制器、阀门电机驱动器、流量信号采集器。PIC16F876A是美国Microchip公司生产的一种28脚8位单片机, 采用哈佛总线结构, 在3V工作电压、32KHZ时钟频率时, 典型工作电流小于20uA, 工作温度范围为-40℃～+125℃, 自带异步串行口, 符合系统低功耗和高工作温度的要求。

时钟控制信号由M A X I M公司生产的Max7378CMOJ硅振荡器提供。该芯片能够为3V工作电源的微控器提供32.768KHZ的主时钟脉冲, 其典型的工作电流为11 uA。工作温度为-40℃～+125℃, 具有抗振动和EMI抑制等特性, 使其对污浊和潮温的工作环境不敏感, 能工作于井下恶劣环境中, 满足所设定时间的时钟要求。

工作电源控制器由BG1和BG2等组成, 其主要作用是降低系统功耗。在从机工作的绝大部分时间内, 仅需时钟工作即可。此时单片机 (2) 脚输出低电平, 工作电源控制器输出电压Vc为0V。这样, 从机中除时钟外其它电路均不供电。只有当所设定的各个时间到时, 单片机的 (2) 脚才输出10分钟的高电平, 此时, Vc电压上升到10V左右, 使各部分功能电路上电10分钟, 10分钟内足以完成开阀和关阀工作。此种设计方案可使从机在可靠工作条件下功耗有效减小。

阀门电机驱动器由BG4、BG5、J1、J2和IC2C等组成。为所设定的某个开阀时间到时, 单片机 (4) 脚或 (5) 脚输出高电平驱动驱动电压正转 (或反转) , 完成开阀 (或关阀) 功能。当电机正常拖动阀门行进时, 电机电流小于其额定值, IC2C输出低电平, 不影响驱动工作。当电机拖动阀门到位后, 驱动电机堵转, 此时电机电流大于其额定值, IC2C输出高电平, 单片机检测到此高电平后, 延时7秒钟后停止驱动器工作, 从而完成一次关阀 (或开阀工作) 。

流量信号采集器由霍尔传感器IC3、IC2A、IC2B及安装在阀门控制器附近油管中的可旋转叶片 (叶片上装有磁铁) 等组成。其作用是结合井上的抽油作业。可使某次设定的关阀时间失效, 即可根据需要改变预先设定的关阀时间。当某次设定的关阀时间到时, 井上的抽油正在工作, 井下的油管中有液体流动。当有磁铁的旋转叶片转动, 霍尔传感器检测到此信号后, 使IC2B输出高电平, 单片机检测到此高电平后, 使关阀控制正常进行。如果根据井上的情况, 不想让某次设定的关阀时间工作, 则井上作业在该设定时间到之前暂时停止抽油系统工作, 这样井下油管中无液体流动。叶片停止转动, 经霍尔检测, 使IC2C输出低电平。单片机检测到此低电平时, 停止此次关阀控制, 使系统仍处于开阀状态。

系统软件设计

本系统采用模块化思想, 应用C语言完成主机A T 8 9 C 5 2与从机PIC16F876A的软件设计。

主机程序实现键盘扫描、LCD显示、时间数据处理和串口通信等功能, 系统程序流程图如图4所示。时间数据处理子程序能够设定“当前时间”和七个设定时间, 并当设定的时间数据不符合设计要求火通信失败时, 用户能够根据系统错误类型的提示, 自行检测并排除故障。

从机程序实现中断计时功能, 每秒钟产生一次定时中断, 采用查询方式检测是否有堵转或流量信号, 若设定时间到, 驱动智能阀门打开或关闭, 系统程序流程图如图5所示。

智能井下系统 篇4

随着国家对煤矿安全生产的日益重视,部分国有大型煤矿采用了以有线工业以太网为核心骨干网的煤矿综合自动化系统,使煤矿灾害在一定程度上得到了控制,但仍然存在很多问题。为了更好地进行煤矿开采,尽量预防和减少煤矿灾害的发生,最大限度地保护矿工的生命安全,需要一套完善的煤矿生产监测系统。智能终端作为煤矿生产监测系统中最关键的一环,起着举足轻重的作用。然而,现有的终端功能比较单一,不能同时兼具环境信息采集、人员定位和信息交互等功能,大多采用RS485等总线与监控中心服务器通信,不能随身携带,灵活性比较差[1,2]。为此,笔者设计了一种基于WiFi(Wireless Fedility)的煤矿井下智能终端,充分利用煤矿井下现有的工业以太网和无线WiFi技术的无缝结合,不但避免了井下复杂环境中现场总线布线难的问题,还可以实现煤矿井下网络无缝全覆盖,兼具环境信息采集、人员定位、信息交互等功能,具有功耗低、安全性高、实时性好、灵活性强等优点。

1 WiFi简介

WiFi技术又称无线宽带技术[3],符合IEEE802.11b标准,数据传输速率可达到11 Mbit/s,具有传输速率高、带宽宽和成本低的优点,可组成有基础设施的无线网络,利用基站BS(Base Station)或者接入点AP(Access Point)节点和无线网卡进行组网。WiFi技术在短距离通信中应用比较成熟,其覆盖范围广,传输距离可达几百米,性能明显优于蓝牙、ZigBee等技术;WiFi技术工作于2.4 GHz和5GHz,本设计选取公用频段2.4GHz作为无线信道,参考文献[4]等在理论上证明了煤矿井下2.4GHz频段在煤矿井下的可用性。同时WiFi协议限制网络功率,发射功率不能超过100mW,符合煤矿井下设备本质安全性的要求。

2 智能终端监测系统总体设计

基于WiFi的煤矿井下智能终端监测系统主要由以下4个部分组成:地面监控中心、井下以太骨干网、本安AP接入点和WiFi智能终端。整个系统结构如图1所示。地面监控中心通过以太骨干网和相关的无线网络实现对智能终端的管理、监测。井下以太骨干网采用1 000 Mbit/s光纤网络,是连接地面监控中心和AP的有效媒介,通过AP构成无线Mesh网络,实现井下网络的无线覆盖以及终端信息、网络语音、视频信息的传输。智能终端由井下作业人员随身携带,除完成基本照明功能外,还可用于对井下环境数据和人员信息的实时感知。终端通过采集井下环境温度、瓦斯体积分数等数据判断矿工所在位置环境的安全性,定时反馈给井上监控中心,实现对井下环境的实时监测,做到提前预防监测;如相关传感器数据超过本质安全标准,终端将进行本地报警,通知井下作业人员,同时发送报警信号给井上监控中心。终端也可通过发送其获得AP的RSSI信号,采用相应的定位算法进行井下人员定位。当人员发现井下有异常情况时,可通过人机界面向地面监控中心发送报警消息,服务器收到报警消息后,给予相应的回复以及援助支持。

3 智能终端硬件设计

智能终端结构如图2所示,主要由微处理器模块、传感器模块、人机交互模块、电源模块组成。

3.1 微处理器模块

微处理器模块采用GS1011。GS1011作为无线片上系统(SoC),硬件资源丰富,内含双ARM7内核,丰富的I/O外设接口,整合了媒体控制器(MAC)、基带处理器和802.11无线射频(RF)前端[5]。

802.11无线射频前端支持内部和外部2种不同工作方式,考虑到设计复杂度、能耗和设计成本等因素,本设计采用GS1011内部功率放大器来驱动射频信号的收发,大大简化了智能终端设计的复杂度和设计成本。

3.2 传感器模块

传感器模块主要包括温度传感器、甲烷传感器,实现对终端周围的环境进行实时感知。温度传感器采用DS18B20,DS18B20作为单总线数字式温度传感器,其测量温度范围为-55~+125℃,测温分辨率可达0.062 5℃。DS18B20不需要AD转换电路,可直接将温度值转换为温度数字量,大大简化外围电路和设计成本。甲烷传感器选用催化器敏传感器MCJ4/2.8J,元件具有工作稳定、可靠,响应速度快等优点,可以用于工业现场的天然气、烷类等可燃性气体及苯、酮等有机溶剂蒸气体积分数监测,并且适用于井下复杂的作业环境;其中采集的甲烷体积分数模拟信号需采用运放ADC620组成信号调理电路,放大至GS1011处理器模块ADC1管脚进行处理,如图3所示。该电路具有低噪音、低漂移、低失调电压等性能特点。

3.3 人机交互模块

人机交互模块可方便井下作业人员对智能终端的操作,主要包括3个按键以及1个LED。3个按键主要用于液晶数据显示,报警以及短消息的接收等操作,最大程度简化了矿灯的操作复杂度,保证井下作业人员能够随时在LED获得周围的环境数据和报警数据。LED显示采用低功耗、小体积的84×48的点阵式LCD NOKIA 5110,将所有必须的显示功能集成在一块芯片上,包括LCD电压及偏置电压发生器和LCD驱动器/驱动器。采用串行接口与GS1011通信,接口信号线数量大幅度减少,包括电源和地在内的信号线仅有9条,接线简单,所需外部器件少。NOKIA 5110硬件连接如图4所示。

3.4 电源模块

本设计采用3.3 V铁锂电池为终端供电。GS1011微处理器模块和人机交互模块需要3.3V电压供电,ADC620和甲烷传感器需要2.8V电压供电。为了满足2.8V电源稳压和波纹小等特点,采用小封装的TPS794xx系列电源管理芯片,芯片输出电压为2.8V,可满足终端2.8V电压的要求。

4 智能终端软件设计

智能终端软件采用基于μ-velosity的实时操作系统(RTOS),具有实时性强、源码开源、向上兼容性强等优点,完成的主要功能包括传感器的数据采集、报警、数据封包以及人员交互、网络管理、能耗管理等。

4.1 GS1011软件结构

GS1011软件结构[6]主要由WiFi硬件、I/O驱动,RTOS、802.11i加密、IP网络协议栈、WLAN系统和I/O服务、API接口和用户应用程序组成,如图5所示。在底层编写压力传感器的设备驱动,为操作系统提供硬件的直接访问接口;然后调用SoC中嵌入的IP协议栈和系统I/O,利用GS1011提供的API接口将底层硬件与上层开发隔离开,简化开发流程,降低开发难度,缩短开发周期;用户应用软件为开发者提供良好的开发环境,开发者根据实际需求,利用API接口可编写相关的应用开发程序。

4.2 智能终端状态流程

(1)智能终端在第一次上电时,执行冷启动(Cold Boot)。冷启动后,系统初始化,加载Flash中的程序,然后智能终端应用网络协议栈进行WLAN网络连接。

(2)智能终端成功联网后,应用程序连接配置服务器,在配置服务器上注册本节点的信息,同时允许此服务器向智能终端发送配置信息或进行节点在线软件的升级(Warm Boot)。

(3)智能终端参数配置完毕后,执行用户应用程序。为了节省能量,节点无需一直处于活跃状态,用户应用程序根据不同的需求设置不同的定时器,然后设定节点进入待机状态。当定时器定时时间到或者外部有Alarm触发信号时,唤醒节点,联网,进行相关应用程序的操作。

4.3 智能终端应用程序开发

智能终端应用程序主要用于实现传感器数据的采集、处理、超限报警、数据封装发送以及人机交互等功能。智能终端首先初始化应用程序的运行环境并启动实时操作系统RTOS,完成μ-velosity内核、中断控制模块的初始化,在RTOS启动后完成其他部分数据的初始化,包括Flash驱动、NVDS、定时器等模块的初始化,然后应用程序启动内核,开始进行传感器数据的循环测量,具体执行流程如图6(a)所示。GS1011利用APP CPU对DS18B20的温度数据和MCJ4/2.8J的甲烷体积分数数据进行分析、处理,如果节点采集的温度数据或者甲烷体积分数数据超过设定门限值,利用声光报警电路及时进行超限报警,并且更新存储便于本地液晶显示。然后将传感器数据和RSSI数据封装打包,利用GS1011的Mailbox通信机制将该数据交付给WLAN CPU,利用GS1011自带的无线WiFi模块将数据封装为UDP包,发送给附近的AP接入点,通过井下骨干以太网发送给地面监控中心。

GS1011采用μ-velosity的实时操作系统,协议栈可以实现周围无线AP的信号强度采集,实现基于WiFi智能终端定位。

GS1011节点的Alarm管脚与BUTTON按键相连。BUTTON铵键被按下后,节点的Alarm管脚下降沿触发,节点被唤醒,将相关传感器数据在LCD上显示10s后进入待机状态。具体程序流程如图6(b)所示。

5 结语

基于WiFi的煤矿井下智能终端集环境信息采集、人员定位和信息交互为一体,可实现对井下环境信息和人员信息的实时感知。该智能终端充分利用煤矿井下工业以太网与无线WiFi技术的无缝结合,不但避免了井下复杂环境中现场总线布线难的问题,同时具有功耗低、安全性高、实时性高、灵活性强等优点;用于矿难救援时,可以最大限度提高救援效率,减少人员伤亡,有良好的应用前景。

参考文献

[1]蔡俊,姚萌.基于Z8F6423的煤矿安全系统井下智能终端设计[J].微计算机信息,2006,22(7-2):94-96.

[2]解玉鉴.煤矿瓦斯远程监测系统中的智能终端设计[J].煤矿安全,2009,40(10):71-74.

[3]丁恩杰,刘学瑞,黄艳秋,等.基于WiFi的巷道离层和变形监测节点的设计[J].煤炭科学技术,2011,39(1):75-79.

[4]DING Enjie,WANG Manyi,WEN Jinchao.Performance evaluation of 2.4 GHz wireless sensornodes transmission in coal mine[C]//WRI WorldCongress on Computer Science and InformationEngineering,Los Angeles,CA,2009.

[5]Gain Span Corporation.Gain Span datasheet[EB/OL].[2012-09-12].http://www.spancorp.com.

煤矿井下带式输送机的智能控制 篇5

近年来, 随着科学技术的进步及中国煤炭事业的发展, 煤矿井下带式输送机运行系统逐渐朝着智能化方向发展。智能控制下的煤矿井下带式输送机将极大程度地为煤矿井下安全生产提供便利, 且对于高效生产也发挥着积极的促进作用。

1 煤矿带式输送机

带式输送机是以输送带作为牵引和承载构件, 通过承载物料输送带的运动进行物料输送的连续输送设备, 被广泛应用在煤炭、冶金、电力、港口等各个领域, 在国民经济中发挥着十分重要的作用。煤矿井下的带式输送机线路较长, 运送量较大, 通常均是由工作机组中的双滚筒多电动机驱动的方式完成牵引过程, 但由于复杂的地下环境使得设备在实际应用中往往会出现诸多问题, 所以在实际运行时要综合考虑复杂地下环境对设备顺利运行所带来的影响。输送机检测的速度信号主要是输出峰值在1 V以上的正弦波频率信号, 以继电器板对放大、滤波及倍频处理后输出到频入口的信号加以检测。由于输送机是整个矿机控制系统的主要部分, 因而输送带运输系统的研究对整个矿机系统有着不容忽视的意义。

2 传统带式输送机运输系统概况及问题

2.1 传统带式输送机运输系统概况

带式输送机是煤矿系统不可或缺的组成部分, 同时也是安全生产及技术革新中的关键性工作。传统煤矿带式输送机主要是以手动急停拉线开关实现整个系统的运作, 然而此类传统人工操作的方法难以满足煤矿企业现代化生产需求。传统信号灯打点方式控制系统很难切实满足长距离运输需求, 甚至会造成设备及电力资源严重浪费, 给煤矿企业造成诸多经济损失。

2.2 煤矿系统中出现的问题

现阶段的带式输送机系统, 能实现单机输送, 也可通过多机组合来实现输送目的。带式输送机机架轻巧, 拆装较方便, 从传统小规模的方式逐渐向大型化方向发展。目前使用的带式输送机多为固定结构, 但由于胶带强度和驱动装置尺寸间的摩擦, 使得带式输送机经济性降低。而由于输送机的启车方式是根据运输系统中胶带机运动状态来判断运行时长的, 所以在具体运行过程中难免会出现一定的误差。

由于复杂的地下环境, 若缺乏相应安全运行检测信息和智能判断信息系统, 则很容易出现一些不必要的问题, 会影响到煤炭生产工作, 而且降低了机组使用寿命。所以, 研究智能控制下的煤矿井下带式输送机显得尤为必要。

3 带式输送机智能控制系统的组成及主要参数

3.1 带式输送机智能控制系统的组成

带式输送机的智能控制系统主要由主控设备带式输送机智能控制主机、输送带物料称重检测系统、PLC (可编程逻辑控制器) 变频调速、输送带速度检测系统、电机拖动及二级分站总共6个部分共同组成。其中, RS485总线连接了二级分站和带式输送机智能控制主机, 通过两者之间的连接则可将带式输送机的运行情况传送到地面主控室。要根据具体的电机来购买相应PLC变频调速。带式输送机智能控制系统的组成情况如图1所示。

3.2 带式输送机智能控制系统的主要参数

其工作方式是连续工作, 自身功耗≤15 W, 保护回路通断能力为AC 250 V/7 A, 称重传感器检测范围是0 kg~400 kg, 传感器灵敏度是2 m V/V, 开路电压乃是12.0 V, 短路电流是750 m A, 环境温度大概是0℃~40 ℃, 环境湿度≤98%, 压力在86 k Pa~106 k Pa之间[1]。

4 煤矿井下带式输送机智能控制技术的应用价值

为适应当代煤炭产业现代化的技术要求, 应对传统煤矿井下带式输送机系统予以革新, 继而将智能控制系统应用到煤矿井下带式输送机系统的应用中。而输送机的控制系统也将会从手动开关向万能转换开关来完成对电机有计划性的控制[2]。

4.1 带式输送机智能控制下的运输作业

人工智能技术的进步促进了智能控制技术的进步, 在智能控制理论基础上的人工智能和计算机相结合的智能控制系统将会应用到各个行业和各个领域。煤矿井下作业仍然是现代社会开发新能源的主要手段之一, 然而由于地下环境复杂, 煤矿领域内的安全事故频发, 威胁到煤矿工人的生命安全。所以, 如果利用智能技术对煤矿井下输送机实施防护工作, 对井下设备进行全方位监控, 以此形成一定的信息和控制系统, 对于了解井下运输状况及井下安全状况有着重要意义。

煤矿井下带式输送机应用智能控制技术, 可为井下煤矿营造一种安全运行环境, 可对井下情况进行实时控制, 实现煤矿井下作业体系逐渐系统化的目标。运用智能控制系统除了能保证系统运行的可靠性, 还能有效排查故障, 从而提高煤炭运输效率, 提高相关煤炭运营企业经济效益。此外, 智能控制系统中地面监控和网上浏览功能可使操作人员熟悉操作现场情况, 能准确判断设备运行状况, 为煤炭顺利运行提供依据, 更有助于系统化实施监控。

4.2 带式输送机分布式智能控制系统

总线网络控制系统的应用, 有效解决了传统输送机中无煤空运转的问题, 实现了煤炭作业领域内网络分布到地面监控及井下作业和传输系统的一体化。智能控制下的带式输送机还能以外围单片机设计, 从而完成智能数据的传输工作。控制算法和驱动控制器能有效促进控制任务的完成。在现场控制的过程中, 带式输送机各个装置的顺序启停主要是由智能系统中的连锁关系实现的[3]。

4.3 带式输送机智能火灾报警系统的应用

智能控制系统可对井下不安全因素进行系统化分析, 以此避免或减少事故发生。智能型火灾报警系统的设计理念则是根据其传统的基础升华而来的。可利用计算机的远程控制系统, 实现单片机对延误传感器、温度传感器等的自动警报功能, 依靠鼠标和键盘便可以实现警报功能。

智能型系统可对高、低压的闸门实施控制信号, 还可对故障状态等加以实时监控, 可对电动机的的工作电流、故障状态、制动闸等实施动态监视, 甚至可对于由摩擦打滑及可能引发的瓦斯爆炸等都能起到很好的警报与预防作用。

5 结语

煤矿井下带式输送机智能控制系统, 可智能调控输送带运行速率, 实现煤炭企业高效率生产目标, 同时又可以减少设备磨损, 提高输送机使用寿命, 且运用智能控制系统还可充分保障安全生产, 对可能发生的问题予以实施监控, 因而应在矿业领域内加以应用及推广。

摘要：带式输送机作为煤矿井下一种重要设备, 在运输方面起到了重要作用。针对传统煤矿井下输送机的弊端, 提出了现代智能控制技术, 旨在实现设备的便捷性、集约型等价值, 为企业创造可观的经济效益。

关键词：矿井,带式输送机,智能控制

参考文献

[1]张存柱.浅谈煤矿带式输送机智能控制保护系统[J].内蒙古煤炭经济, 2013, 9 (8) :89-90.

[2]郑阳平.带式输送机智能控制系统的研究与实现[J].煤矿机械, 2014, 11 (3) :78-79.

智能井下系统 篇6

智能电控存储式油井分层测压仪通过预设智能控制指令,控制电机实现油井单层坐封解封,记录油井单层静压和油管流压,达到预定采集时间后,打捞该测压仪,地面回放记录数据,分析该油井各层压力情况[2,3]。智能电控存储式井下测压仪在前期的实验与测试过程中,能维持260h左右的测压时间。电能的供给采用性能较好的以色列航空电池组,虽然能满足单井单层测压要求,但不能实现长期连续的井下压力测试,难以形成有效的压力数据反馈链。电池电量耗尽后必须将测压仪打捞出以更换新的电池组。反复更新电池组,对人力和物力都是极大的浪费,更不能实现今后多井多层测压的要求。因此有必要对油田井下测压仪进行模块化的改进,把控制模块中的每一部分都加以优化控制,来协调整个测压系统,以实现整体系统节能降耗的目的,并提高企业的生产效率。

1 油田井下测压系统的组成及现有功耗方面的不足

1.1 油田井下测压系统的组成概述

油田单层测压仪大致由3部分组成:上部分由地面控制主机、丢手部分组成;中间部分由压力测试模块、控制模块组成;下部分由井下自动坐封、解封控制、驱动模块及地面控制软件等部分构成。

单层井下层压系统中电机丢手部分是通过电机的行星减速器和滚珠丝杠的减速驱动,放大旋转扭矩,再通过平面轴承承压(轴向力)来驱动拨叉装置,转动梯形丝杠来达到直线运动的目的。丢手部分由地面控制丢手电机使传动轴转动,定位支臂张开,下放测压仪器,仪器定位支臂支承在配产器定位机构上,地面发出控制命令,继续转动,连接套与定位支臂座分开,丢手过程结束,使整个测压部分留在井下。图1所示为丢手部分结构,图2为丢手部分内部结构。

测压系统中丢手驱动技术有以下特点:

a.丢手由整个电机带动滚珠丝杠驱动,是一个能承受40MPa和150℃高温的动密封机械装置,其受力主要来自于油井内部的高压和高温,其动密封轴还承受外部的轴向压力,由于动密封轴直径很小,它承受的外部轴向压力就会很大,在结构上需要化解这部分轴向压力,采用平面轴承来化解轴向受力的状况,通过平面轴承里的多个滚珠很小的接触点来分解其压力,使丝杠和减速器的轴向压力全部分解到由平面轴承来承受。

b.丢手驱动机构需要限位开关来控制它的行程,否则就会造成电机堵转。可在丝杠螺母上加环氧压板,随时调整其行程距离,既方便又可靠。

c.在压力密封方面,特别是动密封,采用径向双道密封,大大增加了其可靠性。密封圈全部采用氟橡胶材料,有效地保护了其控制线路及高温电机等元器件。

测压部分是经过一定时间后,井下测压仪控制模块输出信号,控制留在井下的测压电机,电机输出动力,传动轴转动,带动推拉杆轴向运动,推拉杆带动滑动外套运动压缩皮碗,实现测压仪坐封,压力计开始测地层压力并记录,测压结束后,控制模块再次发出信号,电机反向转动解封测压仪,下入打捞器捞出测压仪,取出压力计,读取压力数据,实现回放。图3所示为井下压力采集部分实物图。

单层油井测压仪主要由供电模块、限流模块、电量监测模块、定时模块、温度监测模块、通信模块、调试模块及电动机等构成。

1.2 现有功耗方面存在的不足

井下测压设备是由许多单元设备共同组成的。现有节能系统多以工艺的改造来解决设备的功耗过高问题,其中包括对内部主要耗电电机更换和采用性能更好的供电方式。然而井下测压设备仅靠改换和机械设备的改造并不能实现整个系统的高效稳定节能。目前井下测压设备采用以色列的航空级电池供电,其具有耐高温高压、输出电压平稳、输出电流大的特点。它用来给单层测压仪供电,包括给单片机供电和测压电机供电。单片机要求5V供电,电机要求12V供电[4]。电机采用外径22mm的12V直流微特电机,额定扭矩6N·m,额定电流480mA,输出最大扭矩10N·m,最大电流750mA,其作用是通过刚体控制皮碗的胀开和收缩。电池组只在测压仪坐封、解封时进行供电,且其供电时间短,电量消耗不大。通过大庆油田采油七厂葡80-63井PI1-5层段进行的分层压力测试和模拟井下环境温度进行实验室恒温箱测试,电池组对单片机部分的供电只能维持一周左右测压时间。作为测压系统中主要耗电单元的控制模块,其中测压设备下井后MCU一直处在工作状态,耗电量大。因此有必要对控制模块进行合理的节能优化,使整个系统达到有效节能降耗的目的。

2 测压系统低功耗改进研究与设计

2.1 控制模块中器件改换

测压仪井下自动坐封、解封控制及驱动模块主要由供电模块、电量监控模块、温度通信模块、调试模块及电动机等构成,都由其控制模块实现其功能。在控制模块改进方面,为了达到降低功耗的要求,首先从耗电器件的低功耗方面进行改进。电气元件是井下测压仪耗电过高的主要因素之一,因此选取采用耗电量低,工作效率高的电气元件代替原有器件。在井下测压过程中,各个模块的功能实现都要由MCU的工作实现复杂的控制。实现的功能越多其运算量就越大,耗电量也就随之越大。因此控制电路中核心芯片MCU为主要耗电芯片,所以对控制电路中的核心芯片MCU、继电器、电阻及晶振等器件进行重新选取,并在其基础上对原有软件程序进行相应的优化设计。

2.2 控制电路改造

更换了功耗较低的MCU,虽然使整体功耗有所下降,但在测压过程中控制电路中的MCU即使没有控制电机实现坐封、解封,也一直处在工作状态。虽然耗电量与控制电机坐封、解封时相比较低,可以满足短期的测压要求,但是井下测压时间周期较长,在长时间的工作中静态功耗势必增大,耗电量增加,使得电池的续航能力大大降低。通过对控制电路改进的同时增加对MCU的时钟控制电路,达到只有当测压仪进行坐封、解封测压动作时通过时钟触发电路输出的电压信号实现对MCU的供电要求,使MCU工作实现控制电机转动,其余时间处于休眠状态,这样会大大降低控制电路静态时电能的消耗,同样既节省了电能又确保了测压过程中的正常运转。

3 解决方案

3.1 硬件控制模块改进

对控制电路中的核心芯片MCU、继电器、电阻及晶振等进行重新选取,单片机等器件要求工作环境温度在125℃以上,其他器件要求工作环境温度为85℃,所有器件耐压性要大于15MPa,并且具有良好的抗震性。在控制电路中主要耗电的器件为控制芯片MCU,所以在实现原有功能的情况下将原先采用额定电压为5V的STC12C5412AD型航空用MCU改换为额定电压为3.3V的STC12LE5412AD型单片机,其与STC12C5412AD具有同样耐高温耐高压的性能,并且特有低功耗的性能。为满足MCU的工作要求,供电等级由5.0V降至3.3V。MCU输出信号对继电器进行控制开断,来实现电机的转动。原有额定电压为5V的DS2Y-S-DC5V型继电器已不能满足改换后MCU电压等级的要求,所以改换为额定电压为3V的日本进口NEC-UD-3NU型继电器。其性能稳定、额定电流大,经过测试当施加电压降至0.87V时仍能继续正常工作。晶振由原来的4MHz改换为1MHz并对原有程序进行修改。对控制模块器件改换前后进行恒温箱实验测试,恒温箱环境温度控制在近似于井下温度的55～70℃之间。改换前后加载在MCU上的电压随时间变化如图4所示。

在采用电量相同电池组的情况下,图4a所示改进前额定电压为5V的MCU当电压低于4.7V后无法正常工作,可持续工作时间为16d,能满足现有单层油井短期150h的测压时间要求。图4b所示为改换后额定电压3.3V的MCU在工作前60d时间内供电电压基本维持在3.584V左右。当供电电压低于2.1V后MCU停止工作。MCU可持续工作天数由原先的16d增至约90d。控制电路静态功耗时的电流从改进前的48mA降至2mA,实现控制模块的功耗降低,大大提高了电池组的使用时间。

3.2增加时钟控制电路

由于油田井下环境对设备尺寸的约束,将改进后的器件由直插式改换为贴片式,并在此基础上增加时钟电路来实现对MCU休眠和唤醒的控制作用,时钟控制电路的核心控制芯片是CD4060,其工作原理是输出高低电平信号来控制对MCU的供电与断电,当MCU上电时工作,断电时进入休眠状态,从而实现对MCU休眠和唤醒的作用[5]。

因为井下测压仪要求在2～3h左右坐封,在150h后解封,所以选取满足时间要求的R2、C1组成时钟振荡器。图5所示为芯片CD4060工作原理。

系统上电后,CD4060开始对由R1和C1组成的振荡器进行计数。根据坐封、解封时电机所需转动时间,选取合适的R1、C1值组成振荡器进行高低电平触发。当接近坐封时间时,Q13脚输出高电平,此时Q1三极管导通,单片机首先判断其外接EEPROM地址0x00的内容是否为0,如果地址为0,单片机系统得到3.3V的供电,单片机可以工作,控制电机正转实现测压仪的坐封。当达到坐封要求后,CD4060的Q6脚输出高电平,此时通过D1～D3逻辑,RESET为高电平,将CD4060复位,Q13脚输出低电平,停止对单片机系统供电,使其进入休眠状态,坐封完毕。经过一段时间后,CD4060的Q13脚再次输出高电平,此时Q1导通,再次给单片机供电,单片机还是首先判断其外接EEPROM地址0x00的内容是否为0,如果不为0,则将其内容加1。并判断加1后改存储器的内容是否为设定好的地址参数,如果达到了设定好的地址参数,则表示在电极正转之后,到了反转的时间,此时单片机可以控制电机反转,同样可以采用单片机内部的定时器来实现,解封完毕。

恒温箱测试实验表明:当MCU处于休眠状态时其控制电路的电流为39～49μA,远远低于2mA。使控制电路功耗实现大幅降低,明显提高了电池的使用时间。通过电路改造优化方案从理论上可实现测压仪在井下长达一年左右时间不间断的工作。

4 软件

编程软件选择Keil Software公司出品的Keil uVision3单片机C语言,该软件有丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,生成的目标代码效率非常之高并且结构很紧凑,容易理解[6]。井下现场条件复杂恶劣,干扰源比较多,这些干扰严重影响了系统的可靠性和稳定性。现场很多原因均会造成干扰,对干扰的抑制措施也会涉及到复杂的理论技术,应用性比较强。由于硬件干扰不可能完全消除,当干扰进入CPU本身时,CPU将不能正常执行程序,从而引起混乱,因此设计软件以抗干扰。软件抗干扰技术是对硬件抗干扰的一个辅助,当系统受到干扰后,通过软件抗干扰技术能够使系统恢复到正常状态[7]。

通过将原有不必要的过程进行优化,减少单片机的运算量。控制电机保护电流在750mA左右。通过指令判断CD4060高低电平触发状况,并对单片机内部EEPROM存储器地址进行改写。在单片机内部判断是否进行坐封、坐封动作。程序编写完成后,通过通信数据线将程序上传到MCU中,运行程序,以实现对测压仪坐封和解封的控制。工作流程如图6所示。

5 实验成果

改进的油井测压设备在实验室达到预定指标后,在大庆油田采油七场葡80-63井PI1-2层段进行300小时分层压力测试。测压仪达到井下预定位置后通过地面控制,定位支臂顺利打开,下放仪器坐入可调配产器内进行分层测试,测试结束后测压仪起出过程电缆上提负荷正常,测压仪起出地面后皮碗回收正常。分层压力测试曲线如图7所示,测试合格,能够满足现阶段单层井下长期测压要求。

6 结束语

通过对智能电控存储油井分层测压仪的控制电路改进,在满足井下测压数据采集等要求的条件下,实现了控制电路降低功耗的要求。将原有控制电路待机电流由起初的45mA降至2mA,并在井下测试中成功实现了其功能。使在同样状态下的电池续航能力从2周调高到理论的3个月。通过在控制电路增加时钟控制芯片实现了对MCU的休眠和触发,同时把相应的软件优化与之结合整理,并运用到测压系统中,最终将控制电路在休眠状态下静态电流进一步降至35μA左右,并在实验室恒温箱中测试和现场实验,能够顺利完成测压仪坐封和解封的控制功能。改进后的智能电控存储油井分层测压仪为实现下一步对长期油田多层井下测压提供了有利的技术支持,并为油田“精细化开采、高产、稳产”提供了重要、先进实用的测压工艺技术。

摘要：基于现有大庆油田井下智能电控存储式油井分层测压仪的电路控制部分进行降低功耗的改进研究。在满足智能电控存储式油井分层测压仪其测压过程中自动坐封及解封控制等功能不变的情况下,对目前单层井下测压仪电控部分进行软硬件改进设计。通过改进后的电控部分,降低了控制电路的功耗,同时为实现长期多层井下测压提供技术支持。

关键词：测压仪,油井分层测压,时钟电路,低功耗

参考文献

[1]《油气开发测井技术与应用》编写组.油气开发技术与应用[M].北京:石油工业出版社,1995.

[2]刘君.大庆油田分层配产技术综述[J].油田地面工程,2008,27(10):70.

[3]郭旭光,潘彦珍,郭小群,等.分层测压技术在油田开发中的应用[J].石油地质与工程,2009,23(1): 85-87.

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[5]李广第.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[6]徐爱均,彭秀华.单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.

智能井下系统 篇7

1 馈电开关模块化设计方案

在矿用隔爆型真空馈电开关中的所有电器元件,主要由以下的装置构成,即综合保护装置、真空断路器、以及零序电流互感器与三相电流互感器等,根据快速检修这一基本要求,本研究将开关之中的全部元件进行6个模块的划分。其中,真空断路器模块包括真空断路器,电源模块主要包括控制变压器、熔断器和转换端子调整板等元件,三相电抗器模块主要包括变压器、三相电抗器和总分开关等元件,继电器模块主要包括时间继电器、中间继电器和整流桥等元件,综合保护模块主要包括整定按钮排、综合保护装置和合分闸按钮等元件,插件板模块主要包括多种不同类型的AZ型航空插座等。

因为前4种模块更易于出现故障。所以应把前4种模块都调整到开关主腔的外侧。而且,由于真空断路器模块和别的模块不能相连,故要用绝缘隔板来分隔开[2]。插件板模块中,可安置数个类型均不同的航空插座。所以,不包括插件板模块在内的其余5个模块,可各自引出所需的插头直接插在与该模块相对应的指定插座中。这样,就可完成馈电开关之中不同电器模块在电路上的连接。

为了能让航空插座和模块的插头之间插拔更加方便,可在开关主腔的最下面安放插件板模块。综合保护模块属于一种人机交互型的模块,它含有两大组件,一个是操作按钮板,另一个是综合保护装置,这两大组件之间的连接通常通过插接式的接线端子来实现,都是在主腔前门盖的内侧部位安放,所以故障发生率较高[3]。此时,可在主腔后面的位置加放1个后腔,用这一位置来安放不易于出现故障的阻容吸收装置、以及零序电流互感器与三相电流互感器等组件。

2 馈电开关各模块快速插拔机构设计

在新型馈电开关之中的所有模块都是选择可插拔的方式。首先,在考虑每一模块在开关所处的空间位置后,于开关外壳的内壁部位设计和它尺寸相符合的滑道,以利于不同模块能够通过模块板顺着彼此所处的滑道拉出或者推进主腔的腔体;其次,应改变以往固定每个模块方式,摈弃以往所用的组合螺栓,将各个模块(不包括真空断路器模块)都选择GYT-13005这一型号的快速夹具来做固定,这样,无论开关里面的哪一个电器元件出现问题,只要把快速夹具马上放开,同时,顺着滑道把出现问题的元件所属的模块迅速拉出,再以一个新的模块备件将它替换,就能够让开关迅速重新正常工作。此外,由于真空断路器所选择的结构为通常为三相插接式,所以要把断路器的进线和出线接线板的结构调整为插板式。

3 馈电开关各模块故障诊断技术实现方法

3.1 真空断路器模块的诊断原理

这一模块主要是由真空管、辅助接点与吸合线圈控制线所构成,通过阻容减压电路,来对真空管两个端部位置的电压情况进行采集,以判断出真空管是处于接通状态还是未连通,针对吸合线圈进行供电的交流电压是127V,吸合线圈两个端部位置的交流电在对光耦供电之前,要先进行整流滤波[6],这样,参照采集到真空断路器现在的通断状态,并将其与真空管与吸合线圈现在的通断状态进行对比,就能准确地判断出这一模块是否发生故障现象。

3.2 继电器模块的诊断原理

给继电器吸合线圈进行供电的交流电压是36V,把吸合线圈两个位置的交流电经过整流滤波以后对光耦供电,能够采集到继电器现在的吸合状态;继电器的输出节点采用故障诊断处理电路来采集其是否通断的状态,同时对比节点与吸合线圈现在的通断状态,从而准确地判断出这一模块是否有故障发生。

3.3 三相电抗器模块诊断原理

三相电抗器里面的输出线圈属于低压性质,它的三相输出线均是为光耦进行供电,以指示出现在电压的状况[7],单片机经对获得所有信号进行分析,并根据断路器在出线侧的带电情况,可准确判断出电抗器的状态正常与否。

3.4 综合保护器模块诊断原理

在综合保护器上设有RS-485型号的通信接口,故障诊断电路借助该型号的接口和保护器之间实现通信。同时,监测开关的各项参数,以及将参数指令及时、准确的读取并传送至综保装置,如果综保电源现在是有电状态,但无法把电网所有参数都正常的返回,那么,就可判断出保护器是处于异常的工作状态。

3.5 控制电源模块诊断原理

这一模块中设置有2根高压进线,通过控制变压器、及保险丝与转换开关,可向综合保护器与继电器输出所需的低压,同时为故障诊断装置进行供电;对控制变压器中的2根高压进线实施阻容降压后,为故障指示灯进行供电。在这时,故障诊断部分控制继电器中的常闭节点引起指示灯信号消失,在变压器模块发生问题之后,故障诊断的所有装置停止运行,继电器由于失电闭合而引起故障指示灯发出信号,这样,就给出控制电源模块的故障信号。

4 结束语

通过上述设计,就会显现出很大的优点,当出现故障时,不是忙于“现场检修”,而是进行“模块替换”,从而使得开关检修所用的时间大幅缩短,能够在很大程度上减轻煤矿生产所受开关故障的不利影响[4]。此外,煤矿隔爆型真空馈电开关通过本技术升级以后,就无需再安排更多的故障检修人员在生产过程中进行随班检修,这样大大减少了人工费用。而在故障模块被升到井上之后,还可通过各种适合的检修工具进行专业化的修复,这样不但更有利于修复故障元件,大幅提升修复的成功率,还能使煤矿的生产开支更为降低,非常值得推广和应用。

参考文献

[1]王荣刚,袁启新,靳迎泽,等.对井下电气开关设计的新思路[J].煤矿现代化,2011(6):69-70.

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井下人员定位系统 篇8

Super RFID的卓越性能

1.远距离, 有效识别距离从2～80m可调。

2.极高的防冲突性, 采用多种防冲突方案, 可同时识别200个以上标识。

3.高速度, Super RFID的移动时速可达200km以上。

4.高度的识别可靠性, 误读率小于十万分之五。

5.安装方便, 一体化设计, 无需外接天线或地感。

6.智能化, RFID与收发器之间可实现双向高速数据交换, 使应用灵活, 数据安全得到保证。

7.可实现有方向性和无方向性的识别。

8.高可靠, 适应工矿工作环境 (-40℃～85℃) , 防水, 防冲击。

9.低成本, 全部采用0.18μm的芯片, 成本更低。

系统工作原理

首先在井下的各个坑道和所有人员可能经过的通道中安放若干个信号收发器 (图1) , 具体数量和位置根据现场实际工况和要实现的功能要求而定, 并且将它们通过网络布线和地面控制中心的计算机联网。同时在每个下井人员身上佩带一个信号感应器 (图2) 。

当下井人员通过或接近放置在坑道内的任何一个信号收发器, 信号收发器即会马上感应到信号, 同时立即上传到控制中心的计算机上, 计算机马上就可判断出具体信息 (如:是谁、在哪个位置、具体时间) , 同时把它显示在控制中心的大屏幕或电脑显示屏上, 并做好备份, 管理者也可以根据大屏幕上或电脑上的分布示意图点击井下某一位置, 计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。同时, 控制中心的计算机会根据一段时间的人员出入信息, 整理出这一时期的每个下井人员的各种出勤报表 (如:出勤率、总出勤时间、迟到/早退记录、未出勤时间等) 。另外, 一旦井下发生事故, 可根据电脑中的人员分布信息马上查出事故地点的人员情况, 然后可再用特殊的探测器在事故处进一步确定人员位置, 以便帮助营救人员以准确快速的方式营救出被困人员。矿车和其他设备的管理原理大致相同。