基于LED技術(shù)的煤礦照明與安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

近年來，煤礦生產(chǎn)安全事故頻繁發(fā)生，造成“大事故常犯，小事故不斷”的嚴(yán)重現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重威脅礦工的生命安全，也嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。煤礦井下作業(yè)因?yàn)檫h(yuǎn)離地面，地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，導(dǎo)致事故頻發(fā)。同時(shí)，國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的管理力度在不斷加強(qiáng)，各單位都在進(jìn)行數(shù)字化礦井的建設(shè)和改造，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。近年來，包括遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程礦井信息采集以及基于RF ID技術(shù)的身份識(shí)別等新技術(shù)正被迅速地應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域，對(duì)改善煤礦安全環(huán)境和建立實(shí)時(shí)監(jiān)督管理有著重要的作用。為了從根本上解決煤礦安全問題，需要依靠科技手段提高煤礦整體安全技術(shù)裝備與管理水平，建立一整套安全、實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)、可靠、完善的安全監(jiān)控平臺(tái)和安全管理體系是防止煤礦安全事故，保障長(zhǎng)治久安的有效措施。

　　1　LED技術(shù)及在礦井應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

　　LED （Light Emitting Diode）是一種將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體元件，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色發(fā)光的原理，采用電場(chǎng)發(fā)光，是一種冷光源，無頻閃且色溫接近日光，能有效保護(hù)井下作業(yè)人員的視力;可以完全避免因普通照明燈引發(fā)的瓦斯爆炸事故。LED采用低壓直流電源供電，工作電壓在6～24 V之間，比使用高壓電源更為安全、經(jīng)濟(jì)，其功耗僅為傳統(tǒng)白熾燈的30% ，能有效地節(jié)約能源。此外，還具有響應(yīng)時(shí)間快、穩(wěn)定性好，工作壽命長(zhǎng)（ > 10萬h） 、免維護(hù)的特點(diǎn)。在礦井中，可以安裝超高亮白光LED燈帶提供坑道照明;還可以間插安裝紅、綠、黃、橙色LED用于標(biāo)志間隔距離、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、岔道、安全撤離路線、預(yù)警、報(bào)警等信息;可以在坑道內(nèi)間隔適當(dāng)距離配置蓄電池后備電源，即便出現(xiàn)塌方事故軋斷照明通信線路，也可以確保局部照明與LED指示信息，幫助井下人員逃生。

　　LED供電能夠采用24 V的低壓線路，這也為實(shí)現(xiàn)礦井安全監(jiān)測(cè)設(shè)備（模塊級(jí)）供電及數(shù)據(jù)通信提供了一個(gè)安全、穩(wěn)定的供電環(huán)境。完全可以建立一個(gè)基于單片機(jī)模塊的小型通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的瓦斯、一氧化碳、風(fēng)量、溫度以及視頻信息等監(jiān)測(cè)模塊提供可靠的信息采集、傳輸通道;還可采用LED技術(shù)中的紅外編碼身份識(shí)別技術(shù)，將紅外采集探頭以適當(dāng)間隔距離安裝在LED照明燈帶中，對(duì)礦井內(nèi)的人員進(jìn)行身份信息的采集與傳輸，及時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給礦井地面上的上位機(jī)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)匯總到生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)控服務(wù)器，與管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、礦井坑道地圖等構(gòu)成一個(gè)立體的、實(shí)時(shí)的人員分布地理信息系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)控和救援、疏散等都能提供可靠的保障。

　　2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖1是采用LED技術(shù)實(shí)現(xiàn)的坑道照明與安全監(jiān)控系統(tǒng)在井下坑道中的分布示意圖。

　?。?） LED照明燈帶及后備供電。圖1中，連接所有節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的帶狀線纜采用市面上廣泛銷售的“可塑霓虹燈”的封裝形式，將白光LED串聯(lián)、并聯(lián)等距排列安裝，可以解決整個(gè)坑道的照明問題。LED取代白熾燈具有功耗小，使用壽命長(zhǎng)等明顯優(yōu)勢(shì)。它是一個(gè)點(diǎn)光源，比較容易對(duì)光的輻射方向和發(fā)光面積進(jìn)行精確的控制，特別是在一些照明面積要求不大的應(yīng)用領(lǐng)域（礦井）優(yōu)勢(shì)更為明顯。采用傳統(tǒng)光源照明，往往因?yàn)檎彰髅娣e超出了實(shí)際的需求而形成一種能源的浪費(fèi)，而LED光源，既能滿足照明要求，又不至于形成能源浪費(fèi)。由于采用低壓直流供電方案，每隔50 m左右便可配置一套后備蓄電池，既能實(shí)現(xiàn)停電或故障時(shí)的應(yīng)急照明，還能在塌方等事故發(fā)生造成斷電的情況下，提供疏散指示與局部照明。

　?。?） 路標(biāo)、疏散路線指示。白光LED照明條件下，運(yùn)用彩色的LED點(diǎn)光源可以間隔分布于燈帶中，用于指示間距、安全通道、岔道、撤離路線等路標(biāo)標(biāo)識(shí)。比如用紅色表示緊急撤離路線，用黃色表示注意路段，用綠色表示20 m、50 m、100 m的間距信息;用組合的符號(hào)表示方向、岔道等交通標(biāo)識(shí)等;利用點(diǎn)陣型LED模塊還可以進(jìn)一步提供更為詳細(xì)的方位等信息。

　　（3） 身份識(shí)別與安全監(jiān)控模塊。LED燈帶的低壓供電與通信線路為監(jiān)控系統(tǒng)提供了便利的條件。

　　選用紅外光編碼/解碼技術(shù)，利用安裝于礦工LED燈具上的紅外編碼模塊和等間隔LED光帶上的光解碼接收探頭，實(shí)現(xiàn)井下人員的身份識(shí)別、考勤、跟蹤、分布位置等管理功能。線路中還可以任意掛接瓦斯檢測(cè)模塊、火警探測(cè)、排風(fēng)監(jiān)測(cè)、攝像監(jiān)測(cè)等，這些模塊都采用最新32位嵌入式微控制器設(shè)計(jì)，集成RS232和標(biāo)準(zhǔn)CAN接口，借助于工業(yè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，購(gòu)建一套在線監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)。

　?。?） 通信網(wǎng)絡(luò)。在LED燈帶布線系統(tǒng)中可以并行排列抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)總線通信網(wǎng)絡(luò)———CANbus系統(tǒng)， CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10 km時(shí)， CAN 仍可提供高達(dá)50 Kbit/ s的數(shù)據(jù)傳輸速率。使用這種工業(yè)級(jí)的通信方式，可以保證通信數(shù)據(jù)的可靠性、實(shí)時(shí)性，又能結(jié)合LED供電線路的特點(diǎn)。CAN總線容錯(cuò)性能好，可以大大降低后期的維護(hù)、維修和擴(kuò)充成本，它是坑道通信的最佳形式。CAN總線回到地面則與地面終端連接，而各地面終端與管理中心的網(wǎng)絡(luò)傳輸，可借助于ADSL或者光纖等方式實(shí)現(xiàn)。

　　3　安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成與在線管理信息系統(tǒng)

　　圖2是安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。沿著LED燈帶掛接在CAN總線上的各種傳感器、監(jiān)視、監(jiān)測(cè)模塊在坑道口通過通信集中器連接到地面上的上位機(jī)終端，再通過ADSL、DDN專線或者光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)連接到監(jiān)控中心，基于地理位置分布等方面的因素可以采用Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息傳輸。

　　系統(tǒng)中，以圖形方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單個(gè)煤礦的全部傳感器的工作情況以及井下設(shè)備的工作狀態(tài)，在圖2上能夠看到每個(gè)傳感器顯示的如瓦斯?jié)舛却笮『驮O(shè)備的開停狀態(tài)，通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)向、變化趨勢(shì)等信息。瓦斯?jié)舛戎苯由婕吧a(chǎn)的安全性，可通過軟件設(shè)計(jì)提供實(shí)時(shí)的瓦斯?jié)舛?、變化趨?shì)等相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和分析功能。系統(tǒng)可據(jù)所采集數(shù)據(jù)自動(dòng)生成相應(yīng)專題圖并做出超限警報(bào)提示。此外，礦井信息與空間位置信息有著密切的關(guān)系，因此可以引入能夠把空間位置信息與屬性數(shù)據(jù)信息結(jié)合在一起的軟件平臺(tái)。采用Map Info等，利用其完善的地圖操作功能，定位、地圖導(dǎo)航及各種統(tǒng)計(jì)分析功能實(shí)現(xiàn)了可視化的生產(chǎn)調(diào)度、安全調(diào)度及安全監(jiān)控等功能。同時(shí)能夠?qū)υ綄釉浇玳_采、貫通采空區(qū)、貫通含水層這些可能發(fā)生重大事故及日常巷道掘進(jìn)貫通中容易出現(xiàn)的安全隱患都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。配合人員身份識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)井下人員考勤、定位等信息顯示。

　　利用先進(jìn)的軟件研發(fā)手段，系統(tǒng)具有煤礦工作站采掘工程圖動(dòng)態(tài)編輯、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信、安全分析預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督、整改方案制作、網(wǎng)絡(luò)督辦等系列功能，能夠任意選擇顯示目標(biāo)煤礦和相應(yīng)煤礦的采掘工程圖，能夠隨意查詢游覽采掘工程圖和其他生產(chǎn)關(guān)系圖透明疊加進(jìn)行空間分析;能夠直接在圖2上測(cè)量距離，能夠直接在數(shù)字采掘工程圖越界位置處編制警告督辦令，并通過網(wǎng)絡(luò)及時(shí)下發(fā)。安全監(jiān)控功能包括在線檢測(cè)、瓦斯超限、曲線分析和全局監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線分析和郵件處理等功能。

　　4　結(jié)束語

　　基于LED技術(shù)的煤礦照明與安全監(jiān)控系統(tǒng)是運(yùn)用新型綠色節(jié)能的LED產(chǎn)品，構(gòu)建安全、可靠的煤礦生產(chǎn)照明環(huán)境，并充分利用其配電特性搭建的一套集路標(biāo)指示、報(bào)警檢測(cè)、人員身份識(shí)別、人員事故疏散以及礦井地理信息、管理調(diào)度等為一體的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。它摒棄傳統(tǒng)白熾燈照明技術(shù)，在使用安全低壓的條件下，具有節(jié)能、安全、防爆能力強(qiáng)的顯著優(yōu)勢(shì)。結(jié)合最新嵌入式微控制系統(tǒng)以及抗干擾能力極強(qiáng)的CAN總線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，通過Internet或者光纖與監(jiān)控中心服務(wù)器相連，可充分發(fā)揮出功耗低、處理能力強(qiáng)、兼容性好、集成度高、模塊化、體積小、可靠安全的性能;既是一個(gè)井下照明、指示與安全監(jiān)控系統(tǒng)，又是一個(gè)安全作業(yè)在線管理信息系統(tǒng)，完全能夠?yàn)槊旱V安全生產(chǎn)提供高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)保障。