郭莊煤礦甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李亞超

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治046100）

引言

煤炭是我國主要的一次性能源，在我國具有豐富的儲量及開采量，對于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了充足的動力。在煤礦的開采生產(chǎn)中，煤礦安全問題是長期以來一直存在的問題，特別是礦井中含有的甲烷氣體，容易造成煤礦的瓦斯爆炸，對煤礦的生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。在煤礦的安全監(jiān)測系統(tǒng)中，建立有效的甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)[1]，實(shí)時監(jiān)測井下系統(tǒng)的甲烷濃度，并進(jìn)行及時反饋，可以提高煤礦安全監(jiān)控水平，保證煤礦的安全生產(chǎn)，避免發(fā)生安全事故。

1 甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案

由于郭莊煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，采用布線的方式會造成監(jiān)測系統(tǒng)極大的工作量，并且維護(hù)的成本較高，不利于監(jiān)測系統(tǒng)的擴(kuò)展，同時有線設(shè)備的使用修復(fù)性較差，因此，郭莊煤礦的甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)采用無線傳輸?shù)募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要保證礦井的安全性，避免甲烷的中毒、爆炸等安全事故[2]。確定甲烷的濃度范圍，采用高靈敏度的傳感器，能夠及時有效地對礦井中甲烷含量的變化做出響應(yīng)。由于礦井的環(huán)境復(fù)雜，延伸范圍廣，對于傳感器的節(jié)點(diǎn)設(shè)置必須合理有效，對煤礦的井下環(huán)境進(jìn)行全面的監(jiān)測，并且能穩(wěn)定有效地實(shí)時反饋監(jiān)測的數(shù)據(jù)。隨著開采工作的進(jìn)行，監(jiān)測系統(tǒng)要具有良好的可擴(kuò)展性，能滿足生產(chǎn)向前推進(jìn)的需求。

設(shè)計(jì)采用基于ZigBee的無線傳輸甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)可以分為井上的監(jiān)控中心和井下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分[3]。井上監(jiān)控中心對礦井中布置的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以實(shí)時查看井下位置的甲烷濃度及變化情況，并針對不同的區(qū)域設(shè)定相應(yīng)的安全閾值，保證數(shù)據(jù)處理的有效性。井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過布置在井下的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過ZigBee無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸至路由器中。路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳給協(xié)調(diào)器，并且可以接收來自監(jiān)控中心的指令。協(xié)調(diào)器作為井下數(shù)據(jù)采集的中樞，將路由器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總向上傳輸，并接收監(jiān)控中心的指令傳輸給路由器[4]。

圖1 甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 甲烷檢測傳感器的選擇

對礦井內(nèi)的甲烷濃度進(jìn)行檢測常使用非光譜學(xué)的方法，采用紅外光譜吸收型的傳感器，其結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示，在充滿甲烷氣體的氣室中，當(dāng)含有甲烷氣體的特征光譜的紅外光通過時，甲烷氣體吸收相對應(yīng)的能量，使得紅外光的能量發(fā)生一定的衰減，從而計(jì)算得到甲烷氣體的濃度。采用這種類型的傳感器進(jìn)行甲烷氣體的檢測[5]，具有較快的響應(yīng)速度、較高的靈敏度、良好的穩(wěn)定性和防爆性，使用壽命超過5年以上。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)包括甲烷傳感器、控制模塊及電源模塊。如圖3所示：甲烷傳感器進(jìn)行井下甲烷濃度數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行信號的輸出；控制模塊采用CC2530作為核心芯片進(jìn)行傳感器信號的轉(zhuǎn)換，將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送；電源模塊為各個甲烷傳感器及控制模塊提供電能，為了減少系統(tǒng)的布線設(shè)置，對供電模塊采用電池供電的方式，保證終端節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

圖2 紅外光譜吸收型甲烷傳感器

圖3 終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及連接

2.3 路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，路由器節(jié)點(diǎn)作為中間的連接，對傳感器的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換打包上傳至協(xié)調(diào)器，并將協(xié)調(diào)器來自監(jiān)控中心的指令向終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，路由器同時保證ZigBee無線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定傳輸。路由器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及連接如圖4所示，從圖4中可以看出，路由器節(jié)點(diǎn)中同時設(shè)置了聲光報警器，當(dāng)檢測到的甲烷濃度超過設(shè)定值時，會產(chǎn)生相應(yīng)的警報，同時具有聲音及紅光閃爍，保證作業(yè)人員能及時有效接收到預(yù)警信息。

圖4 路由器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及連接

2.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及連接如圖5所示，協(xié)調(diào)器進(jìn)行ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的啟動及維護(hù)，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定傳輸，協(xié)調(diào)器即相當(dāng)于井上監(jiān)控中心及井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中間路由器，將所有路由器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總向上傳輸，并接收監(jiān)控中心的指令向路由器傳輸，由路由器進(jìn)行分配執(zhí)行。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及連接

3 結(jié)論

1）甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)分為井上的監(jiān)控中心，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)控及相關(guān)指令的下發(fā)，井下的數(shù)據(jù)采集中心，通過甲烷傳感器進(jìn)行井下甲烷濃度數(shù)據(jù)的采集，然后將數(shù)據(jù)傳輸至路由器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及打包發(fā)送，協(xié)調(diào)器將所有路由器的數(shù)據(jù)向監(jiān)控中心傳輸，并向路由器下發(fā)監(jiān)控中心的指令，由路由器進(jìn)行分配執(zhí)行。

2）系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸?shù)募夹g(shù)可以實(shí)時的掌握井下甲烷濃度情況，可靠性高，成本低，并且具有靈活的可拓展性，可以滿足煤礦擴(kuò)大生產(chǎn)的需求。