工作面瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

梁 鵬

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

煤礦瓦斯?jié)舛冗^高是影響工作面安全生產(chǎn)的主要威脅源。目前，對工作面瓦斯?jié)舛鹊奶幚硪罁?jù)為對現(xiàn)場工作面瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測，控制通風系統(tǒng)的風量對工作面瓦斯進行稀釋處理，最終降低工作面瓦斯?jié)舛?。因此，要求精確獲得工作面的實時瓦斯情況，對工作面瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的性能提出了更高的要求[1-2]。

1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

西銘礦原使用的KJ90NB 瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)由中煤科工集團重慶煤科院生產(chǎn)，于2008 年12 月完成安裝調(diào)試并投入生產(chǎn)使用，該系統(tǒng)在本礦的安全生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。根據(jù)煤安監(jiān)函〔2016〕5 號《關(guān)于印發(fā)安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)》的通知要求，先使用的KJ90NB 瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足該通知的技術(shù)要求，并且該系統(tǒng)在運行過程中也出現(xiàn)了一些問題，為確保監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本礦于2019 年3 月開始在現(xiàn)使用的瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行升級改造，同年5 月份完成了升級改造，使之滿足國家及行業(yè)的標準要求[3]。原KJ90NB 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)存在如下問題：

1）西銘礦監(jiān)控系統(tǒng)傳輸平臺（工業(yè)以太網(wǎng)）于2008 年建立，井下現(xiàn)使用中煤科工集團重慶研究院有限公司KJJ103 型交換機5 臺，地面使用交換機1 臺。僅實現(xiàn)單鏈路數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合《安全規(guī)程》對安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)已不滿足規(guī)程要求。

2）傳感器到分站之間采用的是頻率制式傳輸，抗干擾能力差，不能完全滿足井下復雜電磁環(huán)境的使用需求，系統(tǒng)存在誤報警現(xiàn)象；

3）現(xiàn)用系統(tǒng)無分級報警，報警時無法識別是預警還是瓦斯超限報警：

4）分站、傳感器防護等級不能達到IP65，無法滿足在惡劣環(huán)境中正常工作。

5）軟件功能單一，缺少融合與分析功能。

2 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的改造設(shè)計

為解決上述問題，本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)對原KJ90NB 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行改造設(shè)計。經(jīng)改造后，實現(xiàn)對工作面瓦斯?jié)舛?、溫度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和對工作面人員位置的定位功能。此外，經(jīng)改造后還能實現(xiàn)對所采集信息的實時監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)信息進行管理[4]。

2.1 地面監(jiān)控系統(tǒng)的改造設(shè)計

KJ90NB 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備笨重、后期維護費用較高。為此，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)對KJ90NB 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行改造，并通過地面監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對工作面及巷道內(nèi)瓦斯、溫度的實時采集，并將所采集到的信息實時顯示于地面監(jiān)控系統(tǒng)上[5]。

根據(jù)地面監(jiān)控系統(tǒng)的功能，為其配置如圖1 所示的監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 地面監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本地面監(jiān)控系統(tǒng)是基于VB6.0 開發(fā)的，其主界面可對所采集數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實時顯示，并可通過其他工作界面對歷史數(shù)據(jù)及節(jié)點進行查詢和遠程控制。

2.2 無線監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)的改造設(shè)計

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由服務(wù)器和監(jiān)控終端組成。其中，服務(wù)器主要用于接收并存儲監(jiān)控系統(tǒng)所采集的環(huán)境參數(shù)；通過監(jiān)控終端工作人員可對所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行查詢和訪問。為解決工作面瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)抗干擾性能較差的問題，基于無限傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對工作面環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和傳輸。為此，將無線監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的固定節(jié)點以相同的間隔安裝于工作面巷道中，并將移動節(jié)點佩戴在工作人員身上。

當通過上述固定節(jié)點和移動節(jié)點所監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時，基于對信號強度的判斷得出瓦斯?jié)舛瘸瑯说奈恢眉磳崿F(xiàn)定位功能，并將固定節(jié)點和移動節(jié)點實時采集到的信息通過傳輸系統(tǒng)上傳于地面監(jiān)控系統(tǒng)。工作面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 工作面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示，地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)交換機以及光纖網(wǎng)絡(luò)組成。其中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要用于對一定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控并采集，實現(xiàn)對作業(yè)人員的定位功能（移動節(jié)點的確定），并通過無線傳感器將采集的信息傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點；串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)交換機主要實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與光纖網(wǎng)絡(luò)之間的通信；光纖網(wǎng)絡(luò)將上述所采集到信息上傳至上位機監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵硬件的選型

為簡化射頻電路的設(shè)計，綜合無線子網(wǎng)硬件的擴展性和靈活性，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計統(tǒng)一、標準的接口，并根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能的不同將其分為多個模塊。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊包括有射頻前端、CPU 處理器、降壓器、聲光報警模塊、溫濕度傳感器、瓦斯傳感器等。上述各硬件的選型結(jié)果見表1。

3 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

為驗證所改造后瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的精確性，采用標準瓦斯樣氣和KGJ15 型瓦斯傳感器對上述監(jiān)控系統(tǒng)的輸出電壓和實時瓦斯?jié)舛戎颠M行標定。標定后，基于KGJ15 型瓦斯傳感器所采集到的濃度為真實瓦斯?jié)舛龋囼灲Y(jié)果如表2 所示。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵硬件選型

表2 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果

如表2 所示，經(jīng)改造后瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)對工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的最大誤差僅為0.6%，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。

4 結(jié)論

為實現(xiàn)對工作面瓦斯?jié)舛鹊木_控制，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)對西銘礦KJ90NB 監(jiān)測系統(tǒng)進行改造，經(jīng)實驗應(yīng)用可得，改造后對工作面及巷道瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測相對誤差僅為0.6%。