介绍了一种基于LED技术的煤矿照明与安全监控系统,在提供煤矿生产照明环境的同时,充分利用其低压供电特性,搭建了一套集路标指示、报警检测、人员身份识别、事故疏散以及矿井地理信息、管理调度等为一体的数字化监控系统。
1 LED技术及在矿井应用中的优势
LED (Light Emitting Diode)是一种将电能转化为可见光的半导体元件,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色发光的原理,采用电场发光,是一种冷光源,无频闪且色温接近日光,能有效保护井下作业人员的视力;可以完全避免因普通照明灯引发的瓦斯爆炸事故。LED采用低压直流电源供电,工作电压在6～24 V之间,比使用高压电源更为安全、经济,其功耗仅为传统白炽灯的30% ,能有效地节约能源。此外,还具有响应时间快、稳定性好,工作寿命长( > 10万h) 、免维护的特点。在矿井中,可以安装超高亮白光LED灯带提供坑道照明;还可以间插安装红、绿、黄、橙色LED用于标志间隔距离、监测点、岔道、安全撤离路线、预警、报警等信息;可以在坑道内间隔适当距离配置蓄电池后备电源,即便出现塌方事故轧断照明通信线路,也可以确保局部照明与LED指示信息,帮助井下人员逃生。
LED供电能够采用24 V的低压线路,这也为实现矿井安全监测设备(模块级)供电及数据通信提供了一个安全、稳定的供电环境。完全可以建立一个基于单片机模块的小型通信网络,对煤矿安全生产环节中的瓦斯、一氧化碳、风量、温度以及视频信息等监测模块提供可靠的信息采集、传输通道;还可采用LED技术中的红外编码身份识别技术,将红外采集探头以适当间隔距离安装在LED照明灯带中,对矿井内的人员进行身份信息的采集与传输,及时将相关数据发送给矿井地面上的上位机,并通过通信网络汇总到生产调度、安全监控服务器,与管理信息数据库、矿井坑道地图等构成一个立体的、实时的人员分布地理信息系统,对生产调度、安全监控和救援、疏散等都能提供可靠的保障。
2 系统设计
图1是采用LED技术实现的坑道照明与安全监控系统在井下坑道中的分布示意图。
(1) LED照明灯带及后备供电。图1中,连接所有节点和设备的带状线缆采用市面上广泛销售的“可塑霓虹灯”的封装形式,将白光LED串联、并联等距排列安装,可以解决整个坑道的照明问题。LED取代白炽灯具有功耗小,使用寿命长等明显优势。它是一个点光源,比较容易对光的辐射方向和发光面积进行精确的控制,特别是在一些照明面积要求不大的应用领域(矿井)优势更为明显。采用传统光源照明,往往因为照明面积超出了实际的需求而形成一种能源的浪费,而LED光源,既能满足照明要求,又不至于形成能源浪费。由于采用低压直流供电方案,每隔50 m左右便可配置一套后备蓄电池,既能实现停电或故障时的应急照明,还能在塌方等事故发生造成断电的情况下,提供疏散指示与局部照明。
(2) 路标、疏散路线指示。白光LED照明条件下,运用彩色的LED点光源可以间隔分布于灯带中,用于指示间距、安全通道、岔道、撤离路线等路标标识。比如用红色表示紧急撤离路线,用黄色表示注意路段,用绿色表示20 m、50 m、100 m的间距信息;用组合的符号表示方向、岔道等交通标识等;利用点阵型LED模块还可以进一步提供更为详细的方位等信息。
(3) 身份识别与安全监控模块。LED灯带的低压供电与通信线路为监控系统提供了便利的条件。
选用红外光编码/解码技术,利用安装于矿工LED灯具上的红外编码模块和等间隔LED光带上的光解码接收探头,实现井下人员的身份识别、考勤、跟踪、分布位置等管理功能。线路中还可以任意挂接瓦斯检测模块、火警探测、排风监测、摄像监测等,这些模块都采用最新32位嵌入式微控制器设计,集成RS232和标准CAN接口,借助于工业CAN总线网络,实现现场信息的实时采集并传输到监控中心,购建一套在线监测管理信息系统。
(4) 通信网络。在LED灯带布线系统中可以并行排列抗干扰能力强的工业总线通信网络———CANbus系统, CAN是一种多主方式的串行通信总线,基本设计规范要求有高的位速率,高抗电磁干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10 km时, CAN 仍可提供高达50 Kbit/ s的数据传输速率。使用这种工业级的通信方式,可以保证通信数据的可靠性、实时性,又能结合LED供电线路的特点。CAN总线容错性能好,可以大大降低后期的维护、维修和扩充成本,它是坑道通信的最佳形式。CAN总线回到地面则与地面终端连接,而各地面终端与管理中心的网络传输,可借助于ADSL或者光纤等方式实现。