煤矿井下移动设备“黑匣子”系统的设计

摘 要：针对煤矿井下移动设备在工作时存在视觉盲区、危险驾驶等安全隐患，开发了井下移动设备状态监测、记录系统——“黑匣子”系统。该系统可实时监控移动设备运行状态及其周边工况，辅助司机安全驾驶的同时记录视频和数据信息，为还原事故发生前的设备运行状况提供依据。另外，该系统还可以通过4G传输装置将黑匣子中的数据传送到地面监控计算机进行处理。

关键词：黑匣子；状态监测；4G传输

引言

近十年来，随着一大批超大型矿井的建设以及煤矿采掘机械化程度的不断提升，大型采掘运输设备的使用越来越广泛，各种采掘设备和车辆在采掘现场运行和往来穿梭。由于大型采掘、运输设备本身的遮挡，加上煤矿井下黑暗环境的影响，造成司机在驾驶时存在很大的视觉盲区，经常会发生设备与煤壁碰撞、挤压现场作业人员、设备之间相互碰撞等事故，存在很大的安全隐患。另外，事故发生后，由于采掘、运输设备司机的操作动作、设备运行状态、设备工作环境等没有历史数据及影音记录，仅从事故发生后的现场条件以及事故人员描述来认定事故原因及主体责任非常困难，这就会导致类似事故无法从根本上杜绝。

“黑匣子”是地面交通广泛运用的一种数据记录装置，其功能主要是用来实时连续地记录设备运行状态数据。在设备发生故障或事故时可以从黑匣子里读出事发时的关键信息及发生前一段时间内的连续变化信息，从而有助于设备故障或事故的分析和处理。

本系统将“黑匣子”的理念应用到井下设备中，针对井下某大型移动运输设备来设计开发移动设备状态监测、记录系统——“黑匣子”系统。该系统能够采集并存储设备本身运行参数、设备周围视频及音频，旨在辅助司机安全驾驶并为还原设备故障及事故发生原因提供真实的原始依据。另外，该系统还可以通过4G传输装置将数据传输到地面监控计算机进行后处理，可实现实时视频、音频监控以及设备运行参数后处理与直观显示。

1 “黑匣子”系统方案设计

根据某大型移动运输设备运行工况及现场工艺要求，从安全操作的角度出发，明确“黑匣子”系统的主要功能为：辅助安全驾驶、状态监测/显示、数据存储。以此为基础来对系统进行软硬件设计，设计的主要原则是：在不影响原设备系统运行可靠性的前提下，确保“黑匣子”系统运行可靠、功能完善。系统原理框图如图1所示：

“黑匣子”系统主要由电源模块、数据采集模块、主控制器、黑匣子、传感器、显示装置、无线传输装置等组成。各部分硬件及软件功能将在下面进行详细介绍。

2 系统硬件功能介绍

系统硬件按功能可划分为：电源、数据采集、控制、黑匣子、显示、传输等模块。

2.1 电源模块

电源模块给整个系统供电，该模块从设备原有变压器取交流电，通过转换后，给“黑匣子”系统提供不同电压等级的直流电源。关乎整个“黑匣子”系统以及原设备电源系统的稳定，因此必须选用保护完善、工作可靠的高品质电源。

2.2 数据采集模块

在本系统中，要利用数据采集器模块采集设备电控箱中以及外部的各种参数，包括模拟量与数字量。主要用来采集系统电压、设备电机工作电流、设备行走速度、液压系统压力、设备周边瓦斯浓度、设备行走方向、按钮状态等数据，采集后的数据要传输到远程“黑匣子”控制箱中的主控制器中进行处理。

2.3 黑匣子模块

黑匣子模块负责整个系统的数据存储，是“黑匣子”理念的具体载体。主要用于存储由摄像头、拾音器采集到的视频、音频信息及由主控制器提供的设备运行参数。同时，地面监控计算机可以通过4G网络方便的读取黑匣子内存储的历史数据以及实时数据。另外，为保证黑匣子的核心作用，黑匣子内部配置大容量存储设备，能存储长达一个多月的视频、音频及设备运行数据文件。

2.4 主控制器

主控制器是整个系统的大脑。一方面，将数据采集器采集来的传感器数据进行处理，然后传送给黑匣子进行存储，并通过本地显示器进行实时显示；另一方面可通过数据采集器输入的按钮控制信号，输出控制信号切换黑匣子的视频通道，实现四路摄像头的画面切换，以辅助司机观察视觉盲区情况，提高安全性。

2.5 无线传输装置

目前在一些现代化矿井中，固定式设备可通过光缆或通信电缆方便地将自身运行数据上传至地面监控室。而对于移动设备，则尽可能地选择无线传输方式。考虑到黑匣子系统数据量大、带宽大等特点，结合现在煤矿井下通信网络的建设和未来发展，本系统预留了兼容4G和wifi通信的无线传输装置。以待在网络建设条件较好的矿井实现黑匣子数据上传的功能，届时将实时状态监测信息传送到地面监控计算机，实现地面存储、显示。

2.6 显示装置

显示装置可分为机载显示器与地面监控计算机显示两种。机载显示器除显示视频画面外，还可以显示设备运行参数，如有参数异常情况会实时报警，以提示司机进行检查；地面计算机安装有专用监控软件，可以查看视频、音频文件，可以将设备运行参数以表格、曲线等方式直观的显示出来。

3 系统软件功能介绍

“黑匣子”系统软件包括主控制器程序、本地显示器组态软件与地面监控计算机的数据分析软件。

3.1 主控制器程序

本系统采用PLC作为主控制器。控制原理如图2所示，控制器与主要部件之间采用CAN总线进行通讯。控制器程序实现的主要功能是：通过数据采集器采集传感器的模拟量信号、数字量信号，将模拟量、数字量信号进行处理并传输到本地显示器上进行实时显示，同时将数据保存到黑匣子中；采集控制按钮的开关信息，并输出四路控制信号，根据司机意图在四路视频画面之间进行切换。当司机需要观察特定方向时，切换到所需要的视频画面，帮助司机提高驾驶安全性。

3.2 机载显示器组态软件

由于PLC数据处理和管理能力较弱，不能提供良好的界面，因此要将设备的运行参数、状态及故障等信息发送到显示器进行显示。显示器界面采用随机配套的组态软件进行开发，其默认显示界面效果如图3所示。屏幕上侧“系统参数显示区”显示液压系统压力、系统电压、电机工作电流等参数；下侧默认分四格显示四路摄像头的画面，当司机有需要时，可随时通过按钮进行切换，达到全屏显示单路视频的目的。

3.3 地面监控计算机数据分析软件

设备系统参数以文件的方式存储在黑匣子中的SD上，用户可以通过SD卡将数据取出或者直接通过4G网络将数据从SD卡读取到地面监控计算机上。

通过基于Windows的专用数据分析处理软件，直接对存储的状态数据进行分析及处理。利用目前成熟的可视化技术及数据处理技术，将液压系统压力、系统电压、电机工作电流等系统运行参数信息以时间轴为横坐标进行图形化曲线显示。可以直观的反映出设备连续运行时的状态，为设备故障及事故原因提供足够有力的依据。另外，通过4G网络，数据分析软件可以实时读取黑匣子中的视频、音频文件，可对井下设备周围运行环境进行实时观察。

基于以上功能要求，利用工控软件“组态王”开发一套界面友好、易于操作、图形显示丰富、实时性好的数据分析软件。“组态王”是优秀国产组态软件的代表，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。组态软件为开发者提供了可视化监控画面，有利于实时现场监控。而且它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

本系统数据分析软件将按如下步骤进行设计：（1）图形界面的设计；（2）构造数据库；（3）建立动画连接；（4）运行和调试。主要实现：设备运行的历史参数连续动态显示，通过网络实时显示井下设备运行参数；友好、丰富的监控界面；参数异常报警、报表输出等功能。

4 CAN通讯网络的设计

主控制器与数据采集器、机载显示器、黑匣子之间要进行实时通讯，传输数据，本系统采用CAN总线来实现上述数据传输。而CAN网络具有：采用多主工作方式，节点不分主从，依据优先级进行总线访问；通讯灵活，可方便构成分布式监测、控制系统；采用非破坏性纵向裁决技术，按节点优先级来发送数据；通讯距离远，最远可达10km，干扰低，可靠性高，通讯介质多样、便宜等优点。选用CAN总线技术可用较低的成本及较小的工作量完成系统通讯要求，同时还能获得较高的可靠性。

5 结束语

“黑匣子”系统实现了井下大型移动设备辅助安全驾驶、状态监测/显示、数据存储等功能，为预防、减少煤矿生产中安全事故，最大限度的保证井下作业人员的安全以及生产设备的安全操作提供了有力支持。在实际应用中，可有效地推动了煤矿高效安全生产。未来，随着井下4G网络的建设与完善，“黑匣子”系统将可以扩展更加丰富的功能，如实时视频通话、远程操作设备、远程更新系统程序等，将起到更大的作用。

参考文献

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[5]吴海峰，邓世建，王致杰.信息融合技术在矿井黑匣子设计中的应用研究[J].工矿自动化，2007，12（6）：10-13.

作者简介：李明科（1984-），辽宁丹东人，2005年毕业于天津工程师范学院机电技术应用专业，助理工程师，现从事井下连采设备技术开发与引进工作。