煤礦瓦斯監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究與設(shè)計

高啟

鐵法能源公司小康礦保安區(qū)監(jiān)測隊 遼寧鐵嶺 112000

中國作為煤炭生產(chǎn)大國，開采量日益增大，但隨之而來的煤礦事故也越發(fā)頻繁與嚴(yán)重。根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)測局的統(tǒng)計，在發(fā)生的所有煤礦事故中，因瓦斯所造成的煤礦事故占總事故數(shù)的50%以上。通過對所有的瓦斯事故進(jìn)行分析，可將其分為三大類，分別是瓦斯窒息、瓦斯爆炸和瓦斯突出，所以，針對井下瓦斯?jié)舛鹊刃畔⒓皶r對井下安全狀態(tài)做出判斷是十分重要的[1]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的要求與組成

1.1 系統(tǒng)要求與功能

在井下對瓦斯?jié)舛鹊刃畔⒌谋O(jiān)測主要依靠各類傳感器與監(jiān)測儀表，它們的靈敏度、精度、功耗與適用范圍等對整個監(jiān)測系統(tǒng)的精確性有著重要影響。其主要性能指標(biāo)要滿足，靈敏度為0．01%，功耗低于100mW，工作溫度范圍-25 至+70℃，儀表需滿足防爆，裝配有接地、漏電保護(hù)、過流保護(hù)，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便的要求。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

結(jié)合井下實際情況，對瓦斯氣體的監(jiān)測主要包括瓦斯氣體濃度、巷道內(nèi)部通風(fēng)速度、CO 濃度、掘進(jìn)工作面移動距離等，將這些采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并經(jīng)過井下分工作站處理器的處理計算后，上傳至井下集中的交換機(jī)，通過交換機(jī)將所有處理后的數(shù)據(jù)傳輸給地面監(jiān)測中心，通過監(jiān)測中心的軟件處理分析，便可以實時動態(tài)監(jiān)測瓦斯氣體的狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，可將其分為多傳感器采集系統(tǒng)和監(jiān)測站系統(tǒng)兩部分。多傳感器系統(tǒng)主要完成對瓦斯氣體濃度、CO 氣體濃度、風(fēng)速和掘進(jìn)面移動距離等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集。監(jiān)測分站則主要完成對傳感器采集數(shù)據(jù)的處理分析，過濾排除無關(guān)信息，解析所需數(shù)據(jù)后將其匯總上傳至監(jiān)測中心。為了實現(xiàn)對瓦斯氣體的實時監(jiān)測，系統(tǒng)至少需布置3 個監(jiān)測分站，最多擴(kuò)展32 個分站。

2 網(wǎng)絡(luò)通信

監(jiān)控系統(tǒng)由3 個層面組成，分別是現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測層，網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及監(jiān)測主站層?，F(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測層傳感器與微處理器通過A/D接口連接。CC2430 使用FIFO、FIFOP、CCA 和SFD 四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，而微處理器與無線收發(fā)模塊CC2430 之間使用SPI（串行外設(shè)接口）連接交換數(shù)據(jù)。SPI 是一種高速、全雙工、同步通信的4 線總線，只需占用芯片4 個引腳，采用主從方式工作，簡單易用。微處理器作為主設(shè)備通過SPI 接口訪問CC2430 模塊的寄存器以及存儲器，CC2430 作為從設(shè)備接收微處理器SCLK（時鐘）與CS（片選）信號并接收控制。各現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測分站之間、監(jiān)測分站與監(jiān)測主站基于IEC802．15．4 協(xié)議通過ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通訊。監(jiān)控主站與上位機(jī)監(jiān)測層通過RS-485 串行接口連接，實現(xiàn)兩個層的信息交互[2]。

3 軟件程序設(shè)計

因為井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)軟件編譯復(fù)雜，本系統(tǒng)采用分層設(shè)計的方式，通過主程序調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)。主程序的主要任務(wù)是不斷檢驗串口的有效位，調(diào)用采集數(shù)據(jù)子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與存儲。當(dāng)進(jìn)入主程序后，系統(tǒng)會先監(jiān)測串口是否有標(biāo)志位，當(dāng)檢測到存在有效標(biāo)志位時便會啟動數(shù)據(jù)采集子程序，將采集的數(shù)據(jù)存儲后，進(jìn)行邏輯處理與判別，看是否達(dá)到所設(shè)定報警的閾值，如果達(dá)到報警閾值，則進(jìn)入報警子程序進(jìn)行報警處理；如果監(jiān)測到狀態(tài)良好，則對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，通過邏輯循環(huán)不斷重復(fù)此過程，從而實現(xiàn)對井下瓦斯的實時監(jiān)測。

4 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的措施

4.1 增強系統(tǒng)監(jiān)控穩(wěn)定性，確保信號傳輸

在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，安裝過程中應(yīng)當(dāng)對該系統(tǒng)進(jìn)行電磁干擾實驗，防止電磁場對監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這樣能夠維持監(jiān)控系統(tǒng)的有效運行以及穩(wěn)定運行，保障高效率的數(shù)據(jù)分析。在進(jìn)行干擾實驗時可以利用模擬傳感器進(jìn)行數(shù)字實驗，發(fā)揮模擬傳感器的最大效能，減少所監(jiān)控范圍內(nèi)其他數(shù)據(jù)的信號干擾，確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性以及接收信號的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行電磁場干擾實驗的同時，也要對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)實驗，防止病毒的侵入，防止儲存數(shù)據(jù)的丟失，與此同時，對數(shù)據(jù)庫當(dāng)中所儲存的秘密數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，必要時可進(jìn)行加密處理。

4.2 進(jìn)一步完善井下在線瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

井下在線瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)直接關(guān)系到煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和靈敏度，對瓦斯監(jiān)測監(jiān)控起著決定作用，是數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，要督促煤礦企業(yè)認(rèn)真貫徹落實國務(wù)院《關(guān)于預(yù)防煤礦生產(chǎn)安全事故的特別規(guī)定》（國務(wù)院第446號令）文件精神，進(jìn)一步完善井下在線瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。否則，數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)及時建立起來，也形同虛設(shè)。

4.3 增強應(yīng)急聯(lián)動有效性，應(yīng)對緊急狀況

如果線路發(fā)生故障，必須要進(jìn)行斷電時，在現(xiàn)場的相關(guān)工作人員必須進(jìn)行撤離，撤離到安全區(qū)域，防止出現(xiàn)人員傷亡，必要時可以進(jìn)行警報處理。如果瓦斯超出限額范圍，那么就會產(chǎn)生有毒氣體，如果甲烷超過限制范圍，也會產(chǎn)生危險性氣體，形成極大的安全隱患。所以針對這種情況，可以進(jìn)行集中的廣播以及數(shù)據(jù)定位，在大范圍內(nèi)進(jìn)行全方面的安全監(jiān)控，盡最大限度保障人員安全，還可以對危險因素進(jìn)行廣播播報，讓處于危險地區(qū)的人員意識到，已經(jīng)發(fā)生危險，或者已經(jīng)有危險因素的存在，及時告知當(dāng)?shù)厝藛T盡早撤離[3]。

5 結(jié)語

從實際看該系統(tǒng)具有靈活性高、可靠性好，自動化程度高的特點，可實現(xiàn)對煤礦井下測點位置瓦斯?jié)舛鹊脑诰€實時監(jiān)測，并可根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行危險報警，保障煤礦生產(chǎn)的安全經(jīng)濟(jì)運行，保護(hù)煤礦的財產(chǎn)安全與工人的生命健康[4]。