無線傳感器下煤礦安全監(jiān)控系統應用

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摘要:針對當前礦井安全監(jiān)控系統的現狀及存在問題，提出了安全監(jiān)控系統升級改進的總體方案，通過對該方案中的關鍵分系統的設計及實際應用，驗證得出:此監(jiān)控系統監(jiān)控功能設計全面，運行穩(wěn)定可靠，信號傳輸距離最長達到了2km的傳輸距離，且能發(fā)生相關的聲光報警提示，安全性有顯著提高，具有重要的市場推廣價值，對保障礦井的生產安全性具有重要意義。

關鍵詞:煤礦;礦井;安全監(jiān)控系統;設計

0引言

由于煤礦基本存儲在地下，礦井工作面在開采過程中會聚集大量的瓦斯氣體，若礦井的通風性能不好，使礦井中的溫度增加，礦井的瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、溫度及通風性能等均將對整個煤礦的安全生產構成嚴重威脅［1］。據統計，僅2013年，全國發(fā)生了將近600起煤礦事故，造成了將近1000人死亡，主要原因則是井下的瓦斯?jié)舛容^高所導致，嚴重影響井下的煤礦開采量，給企業(yè)及家庭造成了重大損失。采用當前更加成熟先進的自動化遠程監(jiān)控技術，對礦井中的瓦斯?jié)舛冗M行實時遠程監(jiān)控，成為當前實現礦井智能化升級改造、降低礦井瓦斯事故發(fā)生概率的重要途徑［2］。為此，從總體方案及關鍵分系統等方面設計了一套礦井安全監(jiān)控系統，并將系統進行了現場應用，驗證了該系統的可靠性及安全性。對有效監(jiān)控井下瓦斯?jié)舛?、提高礦井安全生產提高了重要保障作用。

1煤礦安全監(jiān)控系統現狀及問題分析

隨著技術發(fā)展，當前國內各個領域的智能化安全監(jiān)控技術已較為成熟，達到了國際先進水平，在礦井中設計安裝了安全監(jiān)控系統，但整個系統在實際運行過程中仍存在較多問題，主要體現在以下方面。(1)礦井安全監(jiān)控系統對數據的處理能力較弱。當前礦井安全監(jiān)控系統僅能對較少數據進行采集、分析及處理，隨著礦井智能化的不斷升級，系統需對越來越多的數據信息進行分析處理，導致當前的安全監(jiān)控系統整體的信號處理能力無法滿足需求現狀［3］。(2)部分安全監(jiān)控系統所采用的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、溫度傳感器、氧氣傳感器等質量較差，耐潮及防護等級等方面相對較差，在儀器使用一段時間后，則會出現檢測精度不夠、數據傳輸不及時等問題，整體使用壽命及可靠性有待提高。(3)井下各類傳感器的分布數量及位置不夠，無法實現對礦井中較大區(qū)域的全覆蓋監(jiān)控。(4)當前監(jiān)控系統所采用的通訊方式仍以傳統的鋪設電纜方式進行通訊連接，在實際使用中極容易造成電纜的破壞、信號中斷等問題，同時電纜的電磁屏蔽效果較差，所傳輸的數據存在信號質量較差、不穩(wěn)定等問題，極容易造成系統的判斷不準或誤判斷等問題［4］。為此，將先進的自動化遠程監(jiān)控技術應用到礦井的安全監(jiān)控中，實現對礦井生產過程的更加安全監(jiān)控，是解決目前問題的關鍵有效措施。

2監(jiān)控系統總體方案設計

基于礦井安全監(jiān)控系統的原基礎，對監(jiān)控系統進行升級設計。所設計的安全監(jiān)控系統包括了終端傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、數據處理中心、網絡協調節(jié)點及上機位等部分，如圖1所示。其中，系統的網絡則利用ZigBee網絡進行各數據之間的通訊，通訊接口則采用了RS485［5］。終端傳感器節(jié)點處則配備了瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、溫度傳感器、氧氣傳感器、濕度傳感器，并將其更加密集的分布在礦井中的相關區(qū)域，采用的傳感器具有一定的抗爆等級、防護等級達到了IP56，所采集的相關數據經過A/D數據轉換后，利用ZigBee網絡傳輸至CC2530主控芯片中進行分析、邏輯判斷及處理。之后將分析數據經過網絡協調器節(jié)點的接收匯總后，傳輸至遠端的上機位安全監(jiān)控中心，人員可通過系統的顯示界面對礦井中的各類狀態(tài)進行實時監(jiān)控，當檢測到井下的各項參數超過相關安全值時，顯示界面則會發(fā)出相應的聲光報警提示，并對具體的超標參數值及異常區(qū)域位置進行實時顯示，人員則可及時向礦井中發(fā)生預警提示。另外，該系統中的上機位配備了較大容量的存儲模塊，能對數據進行計算存儲。整體系統有效解決了因現場布線所帶來的布線復雜、監(jiān)控范圍窄等問題，實現了對礦井中瓦斯?jié)舛取囟?、氧氣等參數的遠程化無線監(jiān)控，提高了整個礦井的智能化程度及生產安全性。圖1安全監(jiān)控系統總體框架圖

3關鍵分系統設計

3．1CC2530主控芯片設計

控制芯片是整個安全監(jiān)控系統的核心部件，為實現系統中數據的無線傳輸及接收，選用了市場上較為成熟的CC2530主控芯片。該芯片是有TI公司研發(fā)的無線傳輸芯片，具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、抗干擾性能強、芯片體積小等特點，輸出功能為4．5dBm，發(fā)射模式電流損耗為29mA，I/O引腳則包括了P0～P7等，其中，P1和P2則主要負責20mA電流的輸出;芯片的電源引腳則包括了AVDD1～AVDD6及DDV1等，可向外輸出2～6V的電信號和模擬信號;RESET－N則是控制引腳［6］。整個芯片由于體積較小，整體性能較好，能較好的適用于井下的復雜地址條件，具有接收及發(fā)射功率高等特點。3．2瓦斯?jié)舛葯z測電路設計瓦斯?jié)舛葯z測電源是整個監(jiān)控系統中的關鍵電路。因此，選用了具有靈敏度高、抗干擾性強的MJC4/3．0L型瓦斯?jié)舛?a href="http://m.coffee125.com/lunwen/mkaqlw/181069.html" target="_blank">傳感器作為整個檢測電路的核心部件，其工作電流為110mA，濃度測量范圍為0～100%LEL，工作電壓為3V。在該傳感器中，D和C分表作為檢測及補償的元器件，并與3V的電壓平臺進行連接，當檢測到外部的瓦斯?jié)舛仍黾訒r，電橋則發(fā)生平衡失效輸出大于0的參數。同時，為更好的保證輸出信號能更好的被MJC4/3．0L型瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測到，在信號輸出端設計了一個電壓放大電路，再對其進行A/D數據轉換，輸出的電壓信號經過放大后與I/O接口進行連接，實現參數的無線傳輸。所改造后的瓦斯?jié)舛葯z測電路如圖2所示。

3．3天線連接電路設計

由于此監(jiān)控系統采用了無線遠程監(jiān)控方式進行數據傳輸，故需選匹配合適的外接天線。由于礦井中各區(qū)域的信號及檢測信號略有不同。故在環(huán)境空間充足、信號可靠性要求較高的區(qū)域，采用了SMA型的外接天線，該天線的增益達到了5dbi;針對環(huán)境空間緊促，無法使用足夠空間進行監(jiān)控區(qū)域，選用了9．5mm×2mm×1mm的陶瓷芯片天線，該天線的增益效果為4dbi，基本能滿足該區(qū)域空間的檢測要求。天線連接電路圖如圖3所示。

3．4軟件分系統設計

整個安全監(jiān)控系統的軟件部分包括了軟件操作系統和數據庫系統。其中，軟件系統則主要基于Windows系統進行設計，包括、組態(tài)工具模塊程序、數據庫管理主程序、通訊管理模塊程序、顯示模塊等部分，其控制流程為:打開操作界面后，系統進行自檢后完成系統的初始化設置，執(zhí)行讀取數據庫中的信息，并自動創(chuàng)建實時數據庫，之后將數據經過RS485接口和以太網傳輸至通訊模塊中，實現整個井下安全監(jiān)控數據在礦井中的實時傳輸通訊，該安全監(jiān)控系統的通訊管理模塊控制流程圖如圖4所示。

4監(jiān)控系統應用效果

為更好的驗證該礦井安全監(jiān)控系統的綜合性能，將其在礦井中進行了實地測試，分別對系統的瓦斯?jié)舛葯z測性能、障礙傳輸性能、通訊距離及綜合性能進行了測試。通過測試得出:整套系統運行正常，能準確的對井下的瓦斯?jié)舛?、溫度、氧氣濃度等指標進行準確檢測，并將監(jiān)測數據通顯示界面進行實時顯示;各檢測點的相關參數也能通過數據調取方式進行信息查看。同時，測試了系統的有無障礙物傳輸距離，在無障礙條件下可實現對2km距離的數據接收，在有障礙物條件下可實現對1．5km距離的數據接收，接收距離相對較長。當監(jiān)測數據出現超過相應的安值時，系統能發(fā)出相應的聲光報警提示，人員可根據報警提示及時采取安全處理措施，以保證礦井的作業(yè)安全性。整個系統的運行效果達到了預期效果。驗證了該系統的可靠性及可行性。

5結語

不斷對當前礦井安全監(jiān)控系統進行升級改進，將當前更加先進的PLC遠程控制技術應用到礦井的安全監(jiān)控中，實現礦井作業(yè)條件的安全全面監(jiān)控，已成為當前企業(yè)重點考慮方向。為此，在分析當前礦井監(jiān)控系統現狀基礎上，開展了監(jiān)控系統的總體及關鍵分系統的設計研究，并將系統進行了實際應用分析，得出該監(jiān)控系統運行良好，具有更好的監(jiān)控功能及穩(wěn)定性，能更好的礦井中瓦斯?jié)舛?、溫度等進行精準監(jiān)控，信號傳輸距離明顯增長，整個應用效果達到了預期效果。所設計的安全監(jiān)控系統具有重要的推廣價值及意義。

參考文獻:

［1］王龍．煤礦安全監(jiān)控系統升級改造及關鍵性技術［J］．礦業(yè)裝備，2021(2):234－235．

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［3］楊星輝．煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統應用探析［J］．機電工程技術，2021，50(2):237－238+244．

［4］張宇．煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統應用與實踐［J］．大眾標準化，2021(2):157－158．

［5］王明敏．煤礦安全生產中視頻監(jiān)控技術的應用［J］．能源與節(jié)能，2020(12):159－160+192．

［6］孟建．分布式全融合KJ335X煤礦安全監(jiān)控系統［J］．信息化研究，2020，46(4):67－72．

作者:韓葶 單位:山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司