煤炭產量遠程監測裝置的設計與應用

摘要：針對目前煤礦安全事故頻發造成的人員傷亡和經濟損失，要求對礦井煤炭產量實現遠距離安全監測。基于調制解調器MCl45442和高精度A／D轉換CS5532設計了產量監測裝置，提出了將電氣設計和防爆技術結合起來的應用方案。設計了裝置的信號采集電路和遠程傳輸電路，將用于信號傳輸回路的隔離式安全柵電路、用于井下分站的本質安全型防爆型式及隔爆外殼的設計這3種防爆技術同時應用到裝置中。國家檢驗機構檢驗結果表明，該裝置性能穩定、抗干擾性能好，能夠有效實現防爆。
關鍵詞：產量監測；遠距離傳輸；防爆技術；本質安全電路；安全系數

煤炭生產作為我國能源生產的一個支柱產業，在國民經濟中占有重要地位。煤炭產量的監測更是關系到國家和企業的根本利益，但中國煤炭產業的安全生產形勢卻不容樂觀。煤礦安全事故頻發，造成了慘重的人員傷亡和巨大的經濟損失，因此對煤礦產量的安全監測刻不容緩。本文設計的煤礦產量遠程監測裝置就是針對以上情況研發設計的。

1 裝置總體設計
煤炭產量監測裝置通過稱重傳感器和速度傳感器分別采集礦井輸送皮帶上單位長度的物料重量和皮帶運轉速度，由MODEM調制后遠距離傳輸至井上接口。井上儀表對數據處理后顯示出相應產量，實現了對礦井煤炭產量的監測整體框圖如圖1所示。

隔爆兼本安型電源給分站和傳感器提供穩定的直流穩壓電源。本安型分站負責采集重量與速度信號并采用抗干擾性能好的MODEM方式遠傳至井上接口。井上接口中的MODEM通過將分站的載波信號解調為標準RS232信號，實現了與顯示儀表的通信。井上接口具有通信指示和故障檢測功能。
煤炭產量監測裝置使用了多種防爆措施。井下危險區域采用：隔爆兼本安型電源，本安型稱重傳感器，本安型速度傳感器，本安型分站。井上安全區域采用：礦用一般型的信息傳輸接口。

2 性能設計
2．1 電氣設計
煤炭產量監測裝置的控制芯片選用C8051F023型單片機，它含有豐富的外設資源，5個通用的16位定時器，2路UART，22個中斷源，滿足了分站／接口的2路獨立頻率量采集／還原，定時中斷采集，串口接收／發送等功能，節約了生產成本，提高了裝置的抗干擾性。
煤炭產量監測裝置采用了MODEM方式進行遠程傳輸，電氣原理如圖2所示。滿足了礦井遠距離傳輸與抗干擾的要求。設計使用了MODEM芯片MCl45442，其原理就是將“0”和“l”這2種數字信號分別調制成不同頻率的2個音頻信號，在發送和接收端其對應不同的頻率。該芯片支持300波特率的全雙工或半雙工通信；具有低功耗模式，電流消耗僅200μA，抗干擾性能較好，誤碼率小于10-6。