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煤矿监控系统井上下信号零误差传送处理新技术
发布时间:2016-8-25 15:50:58 / 访问量:

作者:刘贺

    监控系统信号井上下数值不一致是个老问题了,从诞生的那天起就困扰着制造者和使用者,把时间回溯到30年前,AYJ型瓦斯遥测仪问世就确立了这个难题,当年的的催化检测桥没有显示,要保障仪器正确监测,只能依靠调试电话来矫正探头、主机、接收机三点的零点与精度值,统调和跟踪就成了古老的话题,并被写入了安保仪器管理使用的条例之中。监控产品虽经几次技术换代,它固有的问题始终依附于新产品之上,迫使人们相信这个缺陷是无法克服的难题。系统在信息传输和处理方面又有新的突破,实现了传感器、分站、计算机三点零误差,常规系统引入误差的因素主要表现在三个方面:

    1)量化误差,模拟量采集的首先是传感器的A/D变换(将模拟量转换为数字量),接下来又要进行V/F变换远传(电压频率转换),由于采取单字节传输处理,2的8次方等于256,它能表征的分辨率是1/256,注定要降低原始数据的精度,信息到达地面要经过分站D/A变换或F/V转换,还要再一次引入量化误差才能到达地面计算机,计算机还要还原出十进制数据才可以显示,这个数据几经折腾,变得非常粗糙,它是引入误差的道门槛。

    2)变换误差,传感器的信号大都是模拟量信息,进入计算机前进行模数转换,即 A/D变换与V/F变换,传统的方法是使用专业器件独立完成的,各行其道必然会造成本地显示与远传信号不相一致,使用人员定期进行统调同步与跟踪(零点频率和满度频率的准确性),使用人员调试传感器的桥路时,仅仅能改变传感器的本地显示,对远传的频率信号或者模拟电流信号无法感知,必然造成很大的离散性,即便抛开线性失真的因素,矫正显示零点、矫正显示满度值、频率零点、频率满度值也是十困难的事情,正是这四个参数的不一致才出现了统调跟踪的技术要求。

    3)标定误差,传感器出厂时它的零点是用200-1000频率,或者4-20mA电流来表征的,它是一种“模拟量”, 使用器件的离散性和人为标定的不确定性必然会引入误差,譬如200赫兹代表零点,它的准确性就会使信息基准偏离,1000赫兹代表满度,它的准确度会直接影响信息的准确度。

 系统从传感器到地面的采集处理不同于传统模数采集方式,传感器信号全部由单片机统一处理,它的井上下数据传递采用了高精度数据包,即所谓的“全息传送技术”保证了信息处理过程一致,不会引入任何偏差,也就不存在同步跟踪的问题,只要传感器标校可靠,使用者不必担心井上下数值不一致问题, 此项技术将在2011年用在F2分站上。

2、数字编码群控断电技术
   数字编码控制技术打破了行业中传统的线控模式,分站群控输出简化成了二根线,其中包含了电源驱动和控制信息传递,不需要外接电源供给断电器,所有的断电器并联在一对总线上,使现场接线大为简化,一台分站多可以连接8台以上断电器,可以满足大型矿井多设备同时断电的需求。
数字编码控制的另一个特点是控制逻辑简单,控制总线上输出的不是传统的断电命令,而是分站监控的“全息状态”,每一个独立的断电器可以自行选择受控“来源”,譬如一台分站连接八只模拟量传感器,断电器上的8位拨码开关对位选择,就可以方便的将自身的控制权设定,无需分站跳线设置,也无需软件参与,控制逻辑简单明了,可以轻易实现复杂的控制逻辑。
编码控制仅是断电控制功能,利用编码信息还能驱动声光报警箱、语音声光箱,使用时全部连接在编码控制总线上,使井下现场接线进一步简化。

3、煤矿安保监控系统快速通播断电技术
  系统快速的通播断电功能具有难以置信的快速反应能力,它的真正意义是快速、全矿井、遥控自动/手动断电控制,可以在1秒钟内启动全系统的所有分站实施遥控断电,这个功能虽然少有机会使用,但对于高突瓦斯矿井,它能够提供一种防止次生灾害的有效手段,假如河南大平煤矿当时具有此项功能,那场瓦斯突出后引起的爆炸有希望避免。

此项功能没有先例,也没有合适的名称,“通播断电”是用户的俗称,来源于呼应通信模式,原本的分站通信是主机逐个分站寻呼,分站依次回答,“异地断电”就是按这样的模式执行的,它长的执行速度是巡检周期的2倍。通播断电则是一条命令全体行动的意思,所以它的执行速度快,从主机命令发出,到全矿井的所有被控设备停电完成,典型的执行时间0.4秒,比分站本地断电速度还要快。

系统的快速通播断电功能得益于它的特别的同步通信方式,SDLC通信芯片本身就带有通播命令传送和接收的功能,只要通晓它的底层技术协议,硬件与系统软件充分结合,才会使产品的性能发挥到很大,与常规的异步通信相比,它有很大的优势。
通播断电功能对于监控系统检测到瓦斯突出后实施紧急控制具有不可替代的意义,特别是带有架线电机车的矿井,一旦突出冲击波损坏风门造成风流逆转,瓦斯逆向涌到进风大巷,通播断电则能及时规避次生爆炸发生,使用反风流传感器与该功能关联,能为煤矿多提供一套安保防护手段。

4、监控分站级联断电新功能
    监控分站容量的大小优势纷纷扰扰争吵了好多年,事实上各厂家的分站监控容量很少能做出32端口以上的,那是由于受分站电源容量、2秒断电时间、分站接线端口、控制逻辑跨线、后备电源体积等诸多因素制约的结果,目前做到8摸8开8控的水平已经很吃力了,尽管有些厂家宣传说它的分站可以扩展到16个模拟量,但现场至今没有发现有成功的应用实例。如果新GB3836强制推广,井下后备电源禁止使用铅酸电池,各厂家的分站电源容量还将进一步受到制约。

许多用户提出要求,希望有大容量的监控分站面世,有利于安保监控与生产监控合并为一个系统,也有些地区要求工作面、回风流设备全面监控,往往8个模拟量传感器不能满足装备要求,安装二台分站又解决不了跨越分站快速断电的要求。以往人们为了实现井下跨越分站断电控制,只能通过“异地断电”方式来完成,这种断电方式延迟时间长,且依赖于通信总线和地面主机来间接执行,其中任何一个环节出现问题,都会破坏控制执行,可靠性大打了折扣。

系统的级联断电方案则地解决了以上不足,二分站间只需跨接一根普通信号电缆,分站之间的断电控制模式将自动融为一体,相互协同工作,等效于一台大分站,单元监控量可以轻松地扩展到16摸;16开;24控。这是一种全新概念的监控模式,分站采用了多CPU并行处理技术,实现了分站间交叉控制,其吞吐信息量很大,控制反应速度敏捷,使用起来与一台分站没有区别,每个断电器上都能收到16个模拟量的断电指令。全负载下16模16开断电速度不大于1秒,级联单元在系统通信总线发生故障时也不会受到影响,此项技术将在2011年用于F2分站上。

5、井上、井下传感器参数免设置功能
    使用井下分站繁琐的事情莫过于对监控参数的设置,因监控传感器种类繁多,参数各异,信号到达分站的信号只是一个简单的频率或模拟量电流,地面主机和井下分站针对每一个测点进行正确定义,才能知道这个信号代表温度还是压力,量程是多少,否则系统是无法正确实现监控的。参数设置过程中易发生差错,传感器更换后参数跟随改变,无论是井下分站红外遥控设置,还是地面主机下发设置,都是非常繁琐且无法替代的工作,使之成为了监控系统挥之不去的烦恼。

系统新技术突破了传统使用模式,只要传感器与分站连接上,分站能够自动识别传感器的属性(如:瓦斯、一氧、氢气等)、显示量纲(如:ch4、ppm、kpa等)以及满度值、小数点位置等等,并将此参数自动上传地面,主机从此也无需针对每一个传感器再进行设置,即便是随意更换传感器,分站也能自动跟进修改参数,至此镇江中煤电子人再一次颠覆了传统观念,真正实现了傻瓜型操作的系统,此项技术将在2011年用在F2分站上。

    有人会问:这样看似简单的功能在传统的产品中为什么没有实现呢?这里关键的问题不在于分站,而是传感器智能化、分站采集数字化、以及现行标准的多方面制约,因为200-1000的频率信息只能代表一个模拟量字节,它无法传送更加复杂的参数信息,如果摒弃原有标准又要受到配套产品和现有用户市场的制约,就好比现在电视制式的选择一样,如果改变PAL制式到NTS制式,成千上万的老用户怎么办?假如仅仅为了这一项免设置功能,则推倒现在所有的分站、矿用传感器以及主机监控软件,放弃已有的技术成果,重新设计一套不同的产品,这样的代价恐怕谁家都难以承受,估计在五年之内不大可能有类似的产品出现,我说的五年是一套新产品的成熟期,没有捷径可走的,以我们F2型分站为例,它从设计到现在几乎达到尽善尽美的程度,整整用掉了8年的改进时间。

    简单回顾一下AQ6201的推广过程,那仅仅是局部性能的改进,只不过是传感器功耗改进,要求能做到2000米接线,断电速度加快到2秒,难的电磁兼容要求中途放弃了,并没有涉及到重大标准参数的修改,就这几项修改已经搞得众厂家人仰马翻,贯标到已经满五年了,各家在贯标中的伤痛恐怕至今还没有痊愈。

KJ101系统之所以能够突破传统模式,在于它的产品起始设计目光就锁定于技术强大,且兼容了已有的标准,能做到这一点需要的是企业综合实力以及对名优品牌产品锲而不舍的追求精神。

6、煤矿安保监控系统高抗干扰新技术
    煤矿安保监控系统的稳定性是目前装备为棘手的问题,集中表现在监测数据瞬间异常,即常所谓的“冒大数”现象,普遍认为是信息传递过程中遇强烈电磁脉冲干扰,使信号波形发生了畸变,从而破坏了数据的可靠性,导致误报警、误断电发生,这种干扰以随机方式出现,十分顽固,目前的技术装备很难连根拔起,严重影响了监控系统的可信度。

    为了解决抗干扰问题,国家曾下大力气进行了一场很大规模的技术整改,2006年6月颁布了新的煤矿安保监控系统技术保准AQ6201和AQ1029,其中核心目标就是提高监控产品的可靠性,封堵伪劣产品,至此国家煤矿安保监察局宣布:废止了所有监控厂家产品的安标,一律停产整顿,待达到新标准后发新证方可复产。
与此同时国内大专院校科研院所纷纷出台技术措施,光纤以太环网也是在这个时段被纳入了推广发展规划的,以光缆替代电缆下井,国家补贴大量资金,进行了一场更大规模的煤矿信息数字化改造。这场改造的宗旨也是以提高信息抗干扰能力为主而展开的,借助信息高速公路将井下的安保监控、移动通信、人员定位、视频监测等等纳入到一根光纤之中来。

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