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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:

技术问题往往是不随人们的意志而转移的,经过一场大规模改造后的监控系假数干扰问题依然存在,尽管有些矿井使用了光纤传输,还是没有解决冒大数的顽疾。人人们忽视了一个关键性的技术问题,干扰信号并不是从通信干线窜入的,以太环网对增强系统的可靠性没有丝毫作用。传感器信号向分站传输大都采用200-1000Hz频率制式,分站采用脉冲计数方式工作,容易在此环节上引入干扰,现场的干扰源大体上有以下3个来源:

  (1)煤矿井下特别狭小的现场环境,传感器连线与动力电缆很难分开铺设,有些地方干脆就是挂在同一个电缆挂钩上,大型电器设备启动和停止时会释放出其强烈的电磁脉冲辐射,强干扰脉冲能在瞬间淹没传感器信号,结果就造成了“冒大数”现象。
  (2)遇有线路接触不良,譬如接线盒压线螺栓松动,传感器接插件氧化、连接电缆接头氧化等等,就会造连接虚抖,致使规整的矩形脉冲被“切割”成许多杂散尖脉冲信号,结果造成大数假象。
  (3)井下变频设备工作时会释放强烈的电磁干扰,严重污染电源环境,干扰信号通过电源线路窜入分站,轻则造成假数干扰,严重会阻塞分站通信,甚至造成分站CPU频繁死机。

井下分站和地面计算机无法识别这些比常规信号还强烈的干扰,分站将这些干扰信号作为数据处理,就造成了难以克服的“大数干扰”,干扰问题普遍存在于目前使用的各种系统中,尤其是贯标后的分站,用户普遍反映新分站抗干扰的能力还比不上贯标前的产品,究其根源是新标准强制要求断电控制延迟小于2秒,为了满足快速断电的要求,传感器的采集周期 就压缩,结果大大恶化了分站的抗干扰性能。 

    新分站投放市场后,为了克服脉冲干扰,许多系统不得不采用软件干扰滤除方法,即把传感器多次采集结果进行比较,经过多个采集周期后才能确认超限信息的“有效性”,为了加强滤除干扰能力,需要反复进行多次过滤,结果带来的是系统反应迟钝,断电闭锁动作缓慢,使真实超限的数据迟迟不能正确反映上来。可靠性和快速断电是相互制约的二个参数,无法找到折中点,博弈结果使问题又重新回到了原点,也使轰轰烈烈的贯标行动大打了折扣。
 
系统在贯标过程中表现相当出色,通过了严酷的电磁兼容测试,众所周知,众厂家使用广泛的485通信模式的软肋是它的共模抑制能力,485芯片的接收端是运放的二个差动输入端,在较小的共模干扰下能获得满意的抑制能力,但信号强度超过正14V或者负7V时,运放就会发生饱和而崩溃。KJ101系统使用的通信模式是自己开发的“全隔离双向不归零码,差动电压高达正负30V,将所有的干扰压制在通信门槛以下,又由于采用全光电隔离技术,能够抵御强共模干扰。

系统在常州做通信线路瞬变脉冲群测试时,令在场的操作工程师们感到很惊讶,一度怀疑脉冲干扰信号发生器是不是发生了故障?习惯性地停机检查接线是否有问题,因为按着以往的经验,只要接通威力强大的脉冲群信号,分站到主机的通信注定会被被阻塞掉,而此时KJ101系统的通信却没有丝毫反应,这样的结果确实能让人们产生一种错觉。

测试继中严酷等级由一级500V逐级增加,1000V,2000V,当信号严酷等级上升为4级时,瞬变脉冲电压已经达到了顶点4000V,在这样严酷的干扰环境下,几乎所有的设备都将遭到毁灭性压制,此时测试仪器用的计算机液晶显示器发生了黑屏(被干扰的),那台显示器距离干扰源6米开外,且没有直接的线路相连,可见干扰信号有多么强悍,而KJ101的通信依旧顺畅无阻,传感器、分站、计算机监测数据丝毫不差。

该系统之所以能够拥有优越的抗干扰能力,不单单是应用一个总线的成果,它是诸多项智慧聚合的结晶,譬如:智能锁相技术、SDLC同步通信技术、耐冲击高速安保栅、抗干扰布线工艺、瞬态共模抑制技术等等,每一项技术成果都浸满了中煤人辛勤的汗水和智慧。

KJ101系统优异的抗干扰性能终结了监控系统不能通过电磁兼容测试的结论,同时连根拔起了监控系统冒大数、误报警、误断电的顽疾,此项技术已经在2007年成功用在了F2型分站上。
镇江中煤电子人运用现代高新技术打造出了全新一代高可靠监控系统,同时也向世人展示了镇江中煤电子有限公司的技术实力。

7、分站电源地面遥控开机/关机新技术
    从地面发命令开关井下分站电源的功能是难以置信的事情,其技术难度内行的人们不难想象的,如果控制对象不是自己那是件很容易的事情,就像断电控制一样简单,如果是开/关分站自己的电源情况就复杂了,关闭交流电源的同时还要关断后备电源电池,做到这些也不算太难,要是关闭后还能遥控开机就没有那么简单了,要实现这样功能拥有一套独立于分站系统以外的低功耗智能设备,且分站电源须必具备适合遥控的硬件相配套,普通的机械隔爆开关是无法遥控操作的,更重要的是这套装置能够将所有的控制命令融入到监控信息流之中,且不能将设备变得庞大和复杂。

实现电源遥控开关机又是一个典型的软件与硬件高度结合的技术课题,KJ101系统做到了,尽管它的实际应用意义并没有红外遥控开关机那样重要,但是它的确能够像操控电灯一样方便地管理分散在井下各处的分站群,如果想要提前关闭某个分站,如同举手投足一样方便,对防止后备电池过度放电,和分站使用管理具有很大意义,此项技术将在2011年用在F2分站上。

8、矿用镍氢电池脉动活化充电管理新技术
    2010年国家新标准做出了明确规定,井下不再允许使用铅酸蓄电池,这条要求是与外国标准接轨,铅酸电池禁用指令很快就将下达,选择替代电池品种已迫在眉睫。高容量小体积的锂电池不可以在井下充电,一条就终结了锂电池在井下的应用前景。目前比较适宜的电池只有镍氢电池。

镍氢电池不同于铅酸电池那样好管理,它的致命的缺点是人们常说的记忆效应,如果每次放电不能放空转而继续充电,或者电池长期处于涓流浮充状态,板将会发生化效应,电池内阻上升,活性下降导致容量暂时性低落。镍氢电池又不可以恒压充电,用铅酸电池的充电模式给镍氢电池充电会发生严重过充,满充电后的电池电压会随着充电进程不是上升,反而呈下降变化,继续充电会损毁电池,甚至能引起剧烈爆炸。

如果应用镍氢电池标准的充电模式管理,停充后电池会产生自然放电,放电速度要远比锂电和铅酸免维护电池严重的多,每天大约会损失总容量0.4%能量,系统假如长时间交流电没有中断,电池将得不到能量补充,此时作为后备电源投入放电,将得不到标准容量的放电能量,严重时甚至达不到标称容量的1/2。镍氢电池理想的管理模式是定期全放电后再充电,这种操作在地面设备中尚能实施,在井下使用的电池则无法实现,因为没有可靠办法在电池放电终了后能立即启动交流电源,井下安保设备不可以随便停止工作。 

KJ101系统成功地驯服了镍氢电池工业应用的技术瓶颈,根据镍氢电池的特别性能特点,专门设计了一套脉动充电管理电路,使电池能始终能保持在饱满能量的活化状态,还能在地面遥控自动放电循环(详见下一节介绍),应用镍氢电池还能有效克服铅酸电池放电后板硫化损坏问题,从此告别后备电池使用过程中“不明原因失效”的历史。2011年下半年开始,我公司的井下产品将使用该项技术成果,全面更换镍氢电池组。

9、地面遥控后备电池自动放电充电新技术
    为了克服镍氢电池记忆效应,较为先进的商品充电器上都设有“放电按钮”,电池装在充电夹上后,按下放电按钮,电池就会进入自动放电状态,直到电池放电终了1.1V后自动转为充电状态,待电池充饱后方停止充电,久置不用的电池经过几次充放电循环就能恢复到原始活化程度。KJ101系统分站就是根据这样的原理设计出了可以地面遥控自动放电的分站来。

这个看似简单的功能,在煤矿安保仪器中应用却不是件轻易的事,首先监控分站具有可以遥控的硬件基础,放电时关断交流电,令其转入到后备放电状态,待电池放空停机后再启动交流电恢复充电,这些都需要人工手动操作,掌握不准什么时间放电终了,井下分分秒秒不能中断安保监控,就算有人现场值守,也无法做到不间断监控进行放电转换。

其次电池放电终如何启动交流电源进行充电转换,否则很容易走入电池放光后未能充电的死结,尽管电路中使用了嵌入式智能单片机控制,可是放电终了后电池会保护性关断,此时交流电还处于关闭状态,在没有能源支持状态下何如再一次启动交流电源?这是个颇具有挑战意义的技术课题。

    2011年投放市场的KJ101N-F2型分站电源实现了可靠的遥控自动充放电,可以在地面有选择性地遥控分站电源放电,放电终了自动恢复交流供电和电池充电,有了此项功能,可有计划地实施电池活化循环,还可以此准确测量每台分站电池的真实后备时间。古人常说:工欲善其事,必先利其器,有了KJ101系统的功能,定会使您的监控工作更加尽善尽美。

10、防水型矿用传感器新技术
    煤矿安保监控系统中,工作环境恶劣的设备莫过于采掘面上的传感器了,井下高潮湿、高气温、高粉尘、腐蚀性淋水,无所不尽其,回风流中是长蘑菇的地方,其恶劣程度可想而知,这样环境下的传感器易遭到侵蚀损坏。


本安型传感器防水是个大难题,模具冲压的传感器外壳很难密封,尤其是盖板与壳体结合处,接触面积小机械公差大,根本做不到真正的气密性能,此外气体传感器扩散孔,报警蜂鸣器孔,闪光报警灯罩,再加上本安连接插头,紧固件铆钉孔,这些地方都是透气的,要想制造真正的防水型传感器显然不是件易事,正是这些原因,监控系统诞生30年以来没有一台防水型传感器问世。

为了克服淋头水,煤矿用户想出了许许多多应对办法,用带孔钢板焊接防护“鸟笼”,用防水帆布缝制防水护套……这样的措施顶多可以预防上面的滴水,很难做到真正的防水性能,并且都会带来许多弊端,严重影响测值显示、声光报警、气体扩散速度等等。我公司2011年推出了全新结构的“防水型传感器”,它颠覆了传统的立式结构,采用一种全新的卧式防水结构,外壳防护坚固浑圆一体,传感器上的所有部件都是专业防水型设计,它甚至能将其侵入水中也不会受到损坏。

目前该系列防水传感器已经获得国家安标检验认证,以及部分型号监控系统联检,并将在一氧化碳、红外甲烷、催化甲烷、红外二氧化碳、硫化氢、氧气等气体传感器中逐步推广。

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