基于ZigBee的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

王 煥

(汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)，山西 靈石 031300)

安全監(jiān)控技術(shù)綜合信息傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等多種科學(xué)，可實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等的監(jiān)控[1-2]。安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)分為地面、井下兩個(gè)部分，井下部分存在監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量多、測(cè)量數(shù)據(jù)大、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，工作環(huán)境十分惡劣，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和實(shí)時(shí)性有較高要求[3-5]?，F(xiàn)階段安全監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用有線方式連接，存在工作量大、布線繁瑣、線纜容易損壞、線纜傳輸效率不高等問(wèn)題[6]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)能、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并在網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)及自我組織等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，可滿足煤礦井下負(fù)載環(huán)境網(wǎng)絡(luò)通信需要。

為了提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，基于工業(yè)以太網(wǎng)以及ZigBee構(gòu)建了一種礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主干傳輸網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)控制可通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，充分利用工業(yè)以太網(wǎng)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，提高了安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能240萬(wàn)t/a，主采3號(hào)、5號(hào)、9號(hào)、11號(hào)煤層，礦井井田面積32.13 km2，剩余服務(wù)年限46 a?，F(xiàn)階段礦井生產(chǎn)主要集中在3號(hào)及5號(hào)煤層，按照現(xiàn)階段生產(chǎn)計(jì)劃，3號(hào)、5號(hào)煤層剩余開采年限分別為6.3 a、12.6 a。現(xiàn)開采煤層無(wú)突出危險(xiǎn)性，礦井絕對(duì)、相對(duì)瓦斯涌出量分別為42.3 m3/min、10.1 m3/t。3號(hào)及5號(hào)煤層均為自然發(fā)火煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。開采范圍內(nèi)礦井水文地質(zhì)條件中等-復(fù)雜，正常涌水量為102 m3/h，最大涌水量為169 m3/h。

礦井配備有功能完備、可靠的采掘、通風(fēng)、運(yùn)輸、供電、排水、安全監(jiān)控等系統(tǒng)。其中監(jiān)控系統(tǒng)中布置有68斷電器、360臺(tái)瓦斯傳感器、35臺(tái)粉塵傳感器以及若干一氧化碳、風(fēng)速及溫度傳感器。隨著自動(dòng)化、智能化設(shè)備及控制系統(tǒng)的不斷推廣應(yīng)用，礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中存在未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化傳輸、抗干擾能力差、設(shè)備調(diào)校工作量大等問(wèn)題。文章提出采用ZigBee構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳系統(tǒng)，以期提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

2 結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)需要，設(shè)計(jì)的安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括地面安全監(jiān)控系統(tǒng)、通信介質(zhì)、井下監(jiān)控分站等。地面安全監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等；井下監(jiān)控分站、監(jiān)控主站間均通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，用以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理以及傳輸；井下工業(yè)以太網(wǎng)通信介質(zhì)為雙絞線，傳輸距離達(dá)10 km。

井下布置的監(jiān)控分站負(fù)責(zé)接收各類安全傳感器(粉塵、瓦斯、溫度等)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后就地顯示，超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警信息；采集各類安全傳感器信號(hào)，將模擬信號(hào)向電信號(hào)、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控主站。監(jiān)控主站采用有線方式連接至工業(yè)以太網(wǎng)并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心上位機(jī)。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 監(jiān)控主站硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控主站硬件結(jié)構(gòu)包括ZigBee通信模塊、主控制器、USB接口、以太網(wǎng)接口、RS485總線接口、Flash存儲(chǔ)器以及觸摸屏等，見圖2。

圖2 監(jiān)控主站

主站是實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與地面監(jiān)控中心間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶，用以采集、分析分站傳輸?shù)谋O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，控制器處理器型號(hào)為STM32。主站的設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)集中在傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效傳輸上，人機(jī)交互界面應(yīng)友好，可及時(shí)分析并處理井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。主站可接收并管理本區(qū)域內(nèi)所有分站，并依據(jù)ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分站間的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)TCP/IP協(xié)議與地面監(jiān)控上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而構(gòu)建可靠的監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2 監(jiān)控分站硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站是監(jiān)控系統(tǒng)最為基礎(chǔ)的設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)安全傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸以及處理的平臺(tái)。監(jiān)控分站的性能和可靠性直接關(guān)系到ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的性能。在監(jiān)控分站設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮各個(gè)功能模塊的需要。

井下監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)見圖3，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括主控系統(tǒng)MCU、電池模塊、傳感器模量轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線收發(fā)器、存儲(chǔ)模塊以及相關(guān)安全監(jiān)測(cè)傳感器等。電池模塊給監(jiān)控分站運(yùn)行提供電源，各種傳感器實(shí)時(shí)獲取井下環(huán)境參數(shù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸、遠(yuǎn)程控制。監(jiān)控分站選擇采用32位高性能芯片。

3.3 傳感器選型

傳感器是實(shí)現(xiàn)井下各類設(shè)備運(yùn)行狀況、井下環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，根據(jù)礦井生產(chǎn)需要，布置的安全傳感器類型、參數(shù)分為別：

圖3 監(jiān)控分站

1) 甲烷傳感器型號(hào)為JWC-1，瓦斯?jié)舛葴y(cè)量范圍為0%～4%；輸出信號(hào)為1～5 mA；響應(yīng)時(shí)間≤30 s。

2) 風(fēng)筒風(fēng)量開關(guān)傳感器型號(hào)為GFD6，接觸電阻≤1 Ω；信號(hào)傳輸距離≥2 km；輸出信號(hào)類型為無(wú)源開關(guān)量信號(hào)。

3) 一氧化碳傳感器型號(hào)為KGA3，測(cè)量范圍為0～1 000 ppm；響應(yīng)時(shí)間≤35 s；輸出頻率為200～1 000 Hz。

4) 溫度傳感器型號(hào)為KGW5，測(cè)量范圍為0～100 ℃；輸出電流為1～5 mA。

5) 負(fù)壓傳感器型號(hào)為KGY4，測(cè)量范圍為0～5 kPa；輸出信號(hào)為1～5 mA。

6) 煙霧傳感器型號(hào)為GQQ0.1，輸出信號(hào)：開關(guān)量0/5 mA；響應(yīng)時(shí)間<60 s。

7) 機(jī)電設(shè)備開停傳感器型號(hào)為GKT18，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)輸出信號(hào)開關(guān)量0/5 mA；設(shè)備電流≥5 A。

在井下布置的各類傳感器、供電電源均為本安型。在采掘作業(yè)面以及其他巷道、硐室內(nèi)布置的傳感器位置、類型等均應(yīng)滿足《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該安全監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，適應(yīng)性、抗干擾能力以及監(jiān)測(cè)精度高，可滿足礦井安全監(jiān)控監(jiān)測(cè)的需要。