基于LED技術的煤礦坑道照明與安全監控系統設計

近年來，煤礦生產安全事故頻繁發生，造成“大事故常犯，小事故不斷”的嚴重現象，不僅嚴重威脅礦工的生命安全，也嚴重制約著經濟的發展。煤礦井下作業因為遠離地面，地形復雜，環境惡劣，導致事故頻發。同時，國家對煤礦安全生產的管理力度在不斷加強，各單位都在進行數字化礦井的建設和改造，并取得了一定的經濟和社會效益。近年來，包括遠程視頻監控、遠程礦井信息采集以及基于RF ID技術的身份識別等新技術正被迅速地應用到煤礦安全生產領域，對改善煤礦安全環境和建立實時監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裝備與管理水平，建立一整套安全、實時、經濟、可靠、完善的安全監控平臺和安全管理體系是防止煤礦安全事故，保障長治久安的有效措施。

1　LED技術及在礦井應用中的優勢

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光與節能燈三基色發光的原理，采用電場發光，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人員的視力;可以完全避免因普通照明燈引發的瓦斯爆炸事故。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，其功耗僅為傳統白熾燈的30% ，能有效地節約能源。此外，還具有響應時間快、穩定性好，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，這也為實現礦井安全監測設備（模塊級）供電及數據通信提供了一個安全、穩定的供電環境。完全可以建立一個基于單片機模塊的小型通信網絡，對煤礦安全生產環節中的瓦斯、一氧化碳、風量、溫度以及視頻信息等監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，及時將相關數據發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、安全監控服務器，與管理信息數據庫、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，對生產調度、安全監控和救援、疏散等都能提供可靠的保障。

2　系統設計

圖1是采用LED技術實現的坑道照明與安全監控系統在井下坑道中的分布示意圖。

（1） LED照明燈帶及后備供電。圖1中，連接所有節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、并聯等距排列安裝，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勢。它是一個點光源，比較容易對光的輻射方向和發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）優勢更為明顯。采用傳統光源照明，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，既能實現停電或故障時的應急照明，還能在塌方等事故發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） 身份識別與安全監控模塊。LED燈帶的低壓供電與通信線路為監控系統提供了便利的條件。

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、排風監測、攝像監測等，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CAN總線網絡，實現現場信息的實時采集并傳輸到監控中心，購建一套在線監測管理信息系統。

（4） 通信網絡。在LED燈帶布線系統中可以并行排列抗干擾能力強的工業總線通信網絡———CANbus系統， CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設計規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的數據傳輸速率。使用這種工業級的通信方式，可以保證通信數據的可靠性、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。

3　安全監控系統的組成與在線管理信息系統

圖2是安全監控系統的組成結構。沿著LED燈帶掛接在CAN總線上的各種傳感器、監視、監測模塊在坑道口通過通信集中器連接到地面上的上位機終端，再通過ADSL、DDN專線或者光纖寬帶網絡連接到監控中心，基于地理位置分布等方面的因素可以采用Internet網絡實現數據和信息傳輸。

系統中，以圖形方式實時監測單個煤礦的全部傳感器的工作情況以及井下設備的工作狀態，在圖2上能夠看到每個傳感器顯示的如瓦斯濃度大小和設備的開停狀態，通風系統實時風速、風量、風向、變化趨勢等信息。瓦斯濃度直接涉及生產的安全性，可通過軟件設計提供實時的瓦斯濃度、變化趨勢等相關數據的處理和分析功能。系統可據所采集數據自動生成相應專題圖并做出超限警報提示。此外，礦井信息與空間位置信息有著密切的關系，因此可以引入能夠把空間位置信息與屬性數據信息結合在一起的軟件平臺。采用Map Info等，利用其完善的地圖操作功能，定位、地圖導航及各種統計分析功能實現了可視化的生產調度、安全調度及安全監控等功能。同時能夠對越層越界開采、貫通采空區、貫通含水層這些可能發生重大事故及日常巷道掘進貫通中容易出現的安全隱患都設計了相應的應急預案。配合人員身份識別，可實現井下人員考勤、定位等信息顯示。

利用先進的軟件研發手段，系統具有煤礦工作站采掘工程圖動態編輯、遠程數據通信、安全分析預警、網絡監督、整改方案制作、網絡督辦等系列功能，能夠任意選擇顯示目標煤礦和相應煤礦的采掘工程圖，能夠隨意查詢游覽采掘工程圖和其他生產關系圖透明疊加進行空間分析;能夠直接在圖2上測量距離，能夠直接在數字采掘工程圖越界位置處編制警告督辦令，并通過網絡及時下發。安全監控功能包括在線檢測、瓦斯超限、曲線分析和全局監測、數據查詢、歷史曲線分析和郵件處理等功能。

4　結束語

基于LED技術的煤礦照明與安全監控系統是運用新型綠色節能的LED產品，構建安全、可靠的煤礦生產照明環境，并充分利用其配電特性搭建的一套集路標指示、報警檢測、人員身份識別、人員事故疏散以及礦井地理信息、管理調度等為一體的數字化監控系統。它摒棄傳統白熾燈照明技術，在使用安全低壓的條件下，具有節能、安全、防爆能力強的顯著優勢。結合最新嵌入式微控制系統以及抗干擾能力極強的CAN總線數據通信平臺，通過Internet或者光纖與監控中心服務器相連，可充分發揮出功耗低、處理能力強、兼容性好、集成度高、模塊化、體積小、可靠安全的性能;既是一個井下照明、指示與安全監控系統，又是一個安全作業在線管理信息系統，完全能夠為煤礦安全生產提供高效、經濟的技術保障。
來源；電子工程網