礦井通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

霍晉保

（大同煤礦集團(tuán)有限公司忻州窯礦，山西 大同037001）

引言

我國(guó)是煤炭能源生產(chǎn)大國(guó)，煤炭在我國(guó)能源消耗形式榜單中占據(jù)前茅。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，需要加快對(duì)煤炭的開采力度，提高生產(chǎn)效率，才能滿足國(guó)民社會(huì)的需要[1]。因此，目前煤礦企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代化、智能化設(shè)備與礦井工作面提高開采的自動(dòng)化程度，減少人工參與，減小了作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。盡管如此，煤炭生產(chǎn)過程中還是會(huì)時(shí)常發(fā)生安全生產(chǎn)事故，其中最為常見的安全事故是由礦井內(nèi)瓦斯爆炸所造成的。礦井通風(fēng)機(jī)作為關(guān)鍵的安全設(shè)備，是驅(qū)散瓦斯氣體的專屬設(shè)備，是防范礦井重特大事故發(fā)生的關(guān)鍵設(shè)備[2]。因此需要對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)工作過程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，對(duì)通風(fēng)機(jī)每一個(gè)工況參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，確保能夠及時(shí)解決通風(fēng)機(jī)所存在的工作故障，使礦井內(nèi)瓦斯氣體處于安全界限范圍以內(nèi)[3]。為了保證通風(fēng)技術(shù)傳回的安全數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，目前安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳回?cái)?shù)據(jù)的方式主要分為無線和有線傳輸。但是由于礦井工作面復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和惡劣條件對(duì)于有線傳輸造成了極大的困難，通常以無線傳輸作為數(shù)據(jù)傳輸方式。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力以及無損程度，通過查閱相關(guān)資料，得出采用無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸能有效提升數(shù)據(jù)應(yīng)用的可靠程度，對(duì)于提高礦井通風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行具有重要的意義[4]。研究成果為無線擴(kuò)頻傳輸技術(shù)應(yīng)用于礦井其他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸提供了思路。

1 通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擴(kuò)頻方案

1.1 安全監(jiān)測(cè)原理

目前煤礦企業(yè)大多采用的是軸流式通風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，以軸流式通風(fēng)機(jī)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出該類型安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擴(kuò)頻方案，首先分析其安全監(jiān)測(cè)原理。

軸流式通風(fēng)機(jī)的測(cè)風(fēng)測(cè)壓截面是測(cè)試環(huán)節(jié)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，每一個(gè)測(cè)試卷都要設(shè)置在層流處，因?yàn)樵撎幍娘L(fēng)速分布比較均勻，確保了通風(fēng)機(jī)測(cè)試的精確性。在通風(fēng)機(jī)每一個(gè)測(cè)試截面的兩端，即上下游位置都要設(shè)置有直線段，并且不小于風(fēng)硐直徑的3倍[5]。

通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在執(zhí)行工作時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)得的電流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。在進(jìn)行無線方式傳輸?shù)臅r(shí)候，應(yīng)通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚成曲線進(jìn)行儲(chǔ)存，方便后期查閱。通過對(duì)上述安全監(jiān)測(cè)原理的分析，得出礦井通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)的總體框架設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)總體框架示意圖

1.2 安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸要求

由于通風(fēng)機(jī)在礦井工作面需注意環(huán)境的特殊性，結(jié)合實(shí)際工況條件，對(duì)其安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸有以下幾點(diǎn)基本要求[6]：

1）由于通風(fēng)機(jī)在礦井內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的單位時(shí)間成本有著較高的要求，尤其采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式時(shí)，是對(duì)通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)傳輸成本應(yīng)較低原則的響應(yīng)，通過不鋪設(shè)電纜等基礎(chǔ)設(shè)施達(dá)到了降低成本的目的；

2）由于通風(fēng)機(jī)作業(yè)環(huán)境惡劣，需對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸過程中抗干擾能力有較高的要求，目前無線安全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在抗干擾能力較弱的短板，而有線傳輸方式雖然抗干擾能力較強(qiáng)，但不適宜礦井下的工程環(huán)境。

3）目前無線安全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸方式的傳輸速率普遍在5～30 kbps范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸速率要求，應(yīng)提高傳輸速率高；

4）由于煤礦分布地點(diǎn)距離企業(yè)中心控制室較遠(yuǎn)，對(duì)無線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效傳輸距離有了性能要求，應(yīng)滿足實(shí)際工況條件下作業(yè)的傳輸距離要求，應(yīng)盡量使傳輸距離更遠(yuǎn)。

1.3 傳輸方案的確定

根據(jù)通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)無線傳輸方式的工作要求，需要對(duì)通風(fēng)機(jī)工作的環(huán)境壓強(qiáng)、通風(fēng)量大小、電流電壓等關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，對(duì)每一個(gè)采集到的信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻傳輸，具體傳輸方案設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擴(kuò)頻傳輸框架示意圖

2 無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)仿真分析

2.1 仿真模型建模

采用MATLAB軟件中的Simulink模塊建立起無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)的仿真模型，整體模型主要由信源接收器、偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器、調(diào)制模塊組成。對(duì)模型各類仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中傳碼率設(shè)置為90 kbps，確保數(shù)據(jù)傳輸速率；數(shù)據(jù)調(diào)制的方式采用BPSK進(jìn)行調(diào)解，每一段的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度為255，通過20 db擴(kuò)頻增益結(jié)合AWGN信道，對(duì)無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行完善，設(shè)計(jì)出仿真模型圖如圖3所示。

圖3 通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)模型示意圖

2.2 擴(kuò)頻信號(hào)效果對(duì)比分析

在分析無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)的抗干擾能力之前首先對(duì)擴(kuò)頻前后信號(hào)功率譜圖進(jìn)行對(duì)比分析，判斷在擴(kuò)頻后信號(hào)的頻譜是否相比于原始方案有了明顯提高。

由圖4分析可知，擴(kuò)頻前的信號(hào)的頻譜寬度為0.1 kHz（圖4-1中橫坐標(biāo)值），而在擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜寬度達(dá)到2 kHz（圖4-2中橫坐標(biāo)值），相比于原始方案的頻譜增大了20倍，說明擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)經(jīng)過PN碼調(diào)制后得到了更加高效的解析，頻譜圖能夠更便于技術(shù)人員讀取辨識(shí)，提高對(duì)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的決策判斷能力。

圖4 擴(kuò)頻前、后信號(hào)頻譜示意圖

3 無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)抗干擾能力測(cè)試

無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)在保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的前提下，最關(guān)鍵的性能是抗干擾能力。在面對(duì)礦區(qū)惡劣作業(yè)環(huán)境時(shí)能夠不受外界自然條件的干擾，能夠?qū)?shù)據(jù)無損地由初始端傳至末端。

3.1 抗單頻正弦干擾性能

如下頁圖5所示，仿真結(jié)果給出了由3個(gè)不同的正弦干擾振幅干擾下的誤碼率，由仿真結(jié)果可知，在無干擾（即A4=0曲線）的情況下信噪比為3 dB時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率小于10-3，在信噪比4 dB時(shí)誤碼率就可達(dá)到0；在有干擾（即：A1=3、A2=7和A3=12曲線）的情況下，當(dāng)信噪比達(dá)到一定值后，彎曲部分就比較彎，信噪比只要增加一點(diǎn)，誤碼率則呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)?？梢姛o線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)對(duì)單頻正弦干擾有較強(qiáng)的抑制作用。

3.2 抗其他擴(kuò)頻信號(hào)干擾能力

仿真結(jié)果曲線如下頁圖6所示，當(dāng)信噪比S/N大于等于8 dB時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率低于了10-3，可見其比其他擴(kuò)頻信號(hào)干擾要求的信噪比要大，系統(tǒng)的抗干擴(kuò)頻信號(hào)能力達(dá)到了要求；同時(shí)，曲線下降也呈彎曲變形趨勢(shì)，也說明了信噪比的一點(diǎn)增加即可使誤碼率出現(xiàn)較大的下降變化趨勢(shì)。當(dāng)信噪比在12 dB時(shí)，誤碼率接近為0。可見DS擴(kuò)頻系統(tǒng)同樣對(duì)其他擴(kuò)頻信號(hào)有一定的抑制作用。

圖5 正弦干擾下的誤碼率數(shù)據(jù)曲線示意圖

圖6 其他擴(kuò)頻信號(hào)干擾下的誤碼率數(shù)據(jù)曲線示意圖

4 結(jié)語

礦井通風(fēng)機(jī)作為煤礦的關(guān)鍵安全設(shè)備，其工作的可靠性關(guān)系到井內(nèi)作業(yè)人員的生命安全，是確保瓦斯氣體在安全濃度范圍內(nèi)的安全裝置。專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)地把控通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)各類傳回的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策判斷。以通風(fēng)機(jī)的工作原理以及安全監(jiān)測(cè)工作要求為依據(jù)，設(shè)計(jì)出了無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)，通過MATLAB數(shù)據(jù)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。測(cè)試結(jié)果顯示設(shè)計(jì)出的無線擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)抗干擾能力相比于原始方案更強(qiáng)，頻譜解析更加清晰，便于專業(yè)技術(shù)人員讀取判斷。研究成果提升了通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸效率及準(zhǔn)確性。