介紹了一種基于LED技術的煤礦照明與安全監(jiān)控系統(tǒng),在提供煤礦生產照明環(huán)境的同時,充分利用其低壓供電特性,搭建了一套集路標指示、報警檢測、人員身份識別、事故疏散以及礦井地理信息、管理調度等為一體的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。
1 LED技術及在礦井應用中的優(yōu)勢
LED (Light Emitting Diode)是一種將電能轉化為可見光的半導體元件,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,采用電場發(fā)光,是一種冷光源,無頻閃且色溫接近日光,能有效保護井下作業(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、經濟,其功耗僅為傳統(tǒng)白熾燈的30% ,能有效地節(jié)約能源。此外,還具有響應時間快、穩(wěn)定性好,工作壽命長( > 10萬h) 、免維護的特點。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用于標志間隔距離、監(jiān)測點、岔道、安全撤離路線、預警、報警等信息;可以在坑道內間隔適當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,這也為實現(xiàn)礦井安全監(jiān)測設備(模塊級)供電及數(shù)據(jù)通信提供了一個安全、穩(wěn)定的供電環(huán)境。完全可以建立一個基于單片機模塊的小型通信網絡,對煤礦安全生產環(huán)節(jié)中的瓦斯、一氧化碳、風量、溫度以及視頻信息等監(jiān)測模塊提供可靠的信息采集、傳輸通道;還可采用LED技術中的紅外編碼身份識別技術,將紅外采集探頭以適當間隔距離安裝在LED照明燈帶中,對礦井內的人員進行身份信息的采集與傳輸,及時將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給礦井地面上的上位機,并通過通信網絡匯總到生產調度、安全監(jiān)控服務器,與管理信息數(shù)據(jù)庫、礦井坑道地圖等構成一個立體的、實時的人員分布地理信息系統(tǒng),對生產調度、安全監(jiān)控和救援、疏散等都能提供可靠的保障。
2 系統(tǒng)設計
圖1是采用LED技術實現(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。
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(1) LED照明燈帶及后備供電。圖1中,連接所有節(jié)點和設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,可以解決整個坑道的照明問題。LED取代白熾燈具有功耗小,使用壽命長等明顯優(yōu)勢。它是一個點光源,比較容易對光的輻射方向和發(fā)光面積進行精確的控制,特別是在一些照明面積要求不大的應用領域(礦井)優(yōu)勢更為明顯。采用傳統(tǒng)光源照明,往往因為照明面積超出了實際的需求而形成一種能源的浪費,而LED光源,既能滿足照明要求,又不至于形成能源浪費。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,既能實現(xiàn)停電或故障時的應急照明,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。
(2) 路標、疏散路線指示。白光LED照明條件下,運用彩色的LED點光源可以間隔分布于燈帶中,用于指示間距、安全通道、岔道、撤離路線等路標標識。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;用組合的符號表示方向、岔道等交通標識等;利用點陣型LED模塊還可以進一步提供更為詳細的方位等信息。
(3) 身份識別與安全監(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,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,實現(xiàn)井下人員的身份識別、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模塊、火警探測、排風監(jiān)測、攝像監(jiān)測等,這些模塊都采用最新32位嵌入式微控制器設計,集成RS232和標準CAN接口,借助于工業(yè)CAN總線網絡,實現(xiàn)現(xiàn)場信息的實時采集并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,購建一套在線監(jiān)測管理信息系統(tǒng)。
(4) 通信網絡。在LED燈帶布線系統(tǒng)中可以并行排列抗干擾能力強的工業(yè)總線通信網絡———CANbus系統(tǒng), CAN是一種多主方式的串行通信總線,基本設計規(guī)范要求有高的位速率,高抗電磁干擾性,而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10 km時, CAN 仍可提供高達50 Kbit/ s的數(shù)據(jù)傳輸速率。使用這種工業(yè)級的通信方式,可以保證通信數(shù)據(jù)的可靠性、實時性,又能結合LED供電線路的特點。CAN總線容錯性能好,可以大大降低后期的維護、維修和擴充成本,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絡傳輸,可借助于ADSL或者光纖等方式實現(xiàn)。