基于WIFI通信技術(shù)的礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

劉 杰

(山煤國際能源集團(tuán)股份有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

井下開采環(huán)境比較復(fù)雜，礦山開采通常會(huì)有粉塵和伴隨著圍巖中散發(fā)出的有毒有害氣體，比如常見的有CO、CH4、CO2以及H2S等氣體，某些氣體遇到明火非常容易引發(fā)爆炸。據(jù)2020年有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，全國范圍內(nèi)共發(fā)生礦山事故達(dá)到434起，死亡人數(shù)超過500多人，煤礦事故共有122起，死亡人數(shù)達(dá)到225人，其中有很大程度上是由于礦井通風(fēng)檢測(cè)不到位引發(fā)的事故，礦井保證良好的通風(fēng)至關(guān)重要，礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新具有重要意義。

目前礦井通風(fēng)檢測(cè)主要采用傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，由人工手動(dòng)操作測(cè)風(fēng)儀測(cè)量通風(fēng)口處采集信號(hào)，通過傳感器檢測(cè)風(fēng)口處某些有毒有害氣體的含量，伴隨著風(fēng)量的改變，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)往往波動(dòng)比較大，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。筆者采用WiFi通信技術(shù)和傳感器檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采集到的信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)發(fā)送和接收，可達(dá)到對(duì)礦井通風(fēng)的動(dòng)態(tài)智能監(jiān)測(cè)，通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的任何異?？呻S時(shí)報(bào)警，能有效避免事故的發(fā)生，保證生產(chǎn)過程中人員和設(shè)備的安全。

1 礦井通風(fēng)檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是聯(lián)系井下與地面的通道，是保證煤礦井下空氣流通的主通風(fēng)道，圖1所示為礦井通風(fēng)系統(tǒng)原理圖，氣流從風(fēng)井下流出進(jìn)入主通風(fēng)道，隨后通過上下兩道風(fēng)門進(jìn)入風(fēng)機(jī)，最后將氣流擴(kuò)展出去。根據(jù)目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)的布置方案和組織形式設(shè)計(jì)通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先需要滿足對(duì)不同風(fēng)量的監(jiān)測(cè)，需要滿足礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)要求。

圖1 礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

眾所周知，礦井下工況比較復(fù)雜，常見的有潮濕、多塵、電磁干擾較強(qiáng)、振動(dòng)噪聲大、空間狹小、監(jiān)測(cè)通信技術(shù)受環(huán)境限制比較嚴(yán)重，所以礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足如下礦井下復(fù)雜的監(jiān)測(cè)環(huán)境：①為適應(yīng)井下多塵、潮濕、振動(dòng)噪聲較大、存在有毒有害氣體等惡劣工況，需要礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有防塵、防潮、防機(jī)械沖擊、防爆性能要好等特點(diǎn)；②井下電磁干擾嚴(yán)重。要求礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)設(shè)備具有較高的防電磁干擾的能力；③網(wǎng)絡(luò)傳輸條件。由于礦井下巷道四通八達(dá)，布置分散，距離較遠(yuǎn)，要求設(shè)計(jì)的WiFi通信系統(tǒng)能保證信號(hào)傳輸較遠(yuǎn)的距離。圖2所示為礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)原理圖。

圖2 礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)原理圖

礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體上主要由信號(hào)采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和分析處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成，信號(hào)的采集主要由各種傳感器，模仿人的感官從外部環(huán)境中獲取信息，常見的傳感器主要有CO傳感器、CH4傳感器和H2S傳感器等。首先通過現(xiàn)場對(duì)環(huán)境參數(shù)信息的采集，隨后上傳到PLC控制器中，通過PLC控制器進(jìn)行處理和分析對(duì)比，從而控制變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，其中PLC內(nèi)部通過設(shè)計(jì)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集后的分析和處理，控制器是對(duì)通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)接口，包括上位機(jī)，主要是用于顯示礦井通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)信息，并且根據(jù)實(shí)際需求輸入可控參數(shù)的精度，與PLC控制器進(jìn)行交互和通訊，可以顯示更加清晰直觀的現(xiàn)場圖像，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

2 WiFi通信技術(shù)與控制系統(tǒng)

WiFi通信技術(shù)是目前國內(nèi)在智能移動(dòng)終端普遍使用的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，具有運(yùn)行速度快、覆蓋面積大和適用范圍廣的特點(diǎn)，但對(duì)于礦井下復(fù)雜多變的工況下，在礦井下使用WiFi通信技術(shù)的案例并不多，主要原因是礦井下的環(huán)境比較惡劣，WiFi通信受限。目前隨著智能化綜采技術(shù)的發(fā)展，礦井下開始嘗試使用WiFi通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面的智能化控制和監(jiān)管，包括智慧礦山建設(shè)，無人化開采等，隨著WiFi 通信技術(shù)越來越先進(jìn)，將WiFi通信技術(shù)應(yīng)用于礦井環(huán)境的監(jiān)測(cè)是未來發(fā)展的主要趨勢(shì)。

WiFi網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)組建：首先WiFi是由AP和無線網(wǎng)卡共同組成，AP是作為接入點(diǎn)，是連接有限局域網(wǎng)以及無線網(wǎng)的通道，通過有線寬帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入礦井下后，由無線路由AP將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線信號(hào)，所以在礦井下需要建設(shè)多個(gè)無線基站，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備和基站之間進(jìn)行互聯(lián)。WiFi通信在礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要體現(xiàn)在無線通訊與控制系統(tǒng)PLC的連接，文中設(shè)計(jì)的礦井通風(fēng)檢測(cè)系統(tǒng)采用西門子S7系列的PLC，PLC本身可以擴(kuò)展無線通訊模塊，配置相應(yīng)的硬件組態(tài)，設(shè)置好IP地址后就可以實(shí)現(xiàn)WiFi通訊，通過HMI端實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的遠(yuǎn)程控制，通過上位機(jī)端對(duì)PLC進(jìn)行修改程序，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)可以通過遠(yuǎn)程進(jìn)行故障診斷和處理，大大節(jié)省維修時(shí)間，處理更加高效。

3 礦井通風(fēng)檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)主要由一系列的檢測(cè)傳感器、變頻器、電量模塊、PLC控制模塊等組成，其中在電量模塊采用的是雙電量模塊、雙風(fēng)量監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立雙電源供電，實(shí)際進(jìn)行供電過程中可實(shí)現(xiàn)互鎖，其中供電模塊包括變壓器、控制柜進(jìn)線、低壓配電柜、變頻柜和電源模塊等。對(duì)于井下復(fù)雜的工況而言，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，采用的是目前比較成熟的PLC控制系統(tǒng)，選型為西門子S7-1200PLC，有較多的輸入和輸出接口，能夠滿足實(shí)際需求。礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變頻器選用ABB 變頻器，型號(hào)為 ACS800-04P，這種類型的變頻器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在井下電控系統(tǒng)中，功能全面，編程比較靈活，能夠滿足大功率的風(fēng)機(jī)應(yīng)用。

礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件程序主要是通過采用西門子專用的編程環(huán)境STEP 7-MicroWIN SMART編寫控制系統(tǒng)程序，采用模塊化編程設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能模塊編寫為程序塊，便于隨時(shí)取用和程序系統(tǒng)的維護(hù)修改。上位機(jī)開發(fā)采用目前比較常用的組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，上位機(jī)的開發(fā)流程如圖3所示。上位機(jī)軟件采用的是工業(yè)用以太環(huán)網(wǎng)的形式進(jìn)行通訊，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行監(jiān)控的基礎(chǔ)組成部分，其中建立的PLC寄存器地址以及變量點(diǎn)的關(guān)聯(lián)是根據(jù)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的核心任務(wù)，將PLC傳輸來的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖3 軟件開發(fā)流程圖

礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件界面分為不同的顯示區(qū)域，其中包括了監(jiān)控主界面、系統(tǒng)控制界面、生成報(bào)表界面、故障顯示界面以及用戶管理和登錄界面等，通過系統(tǒng)化人性化的界面設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)更好的交互，實(shí)時(shí)獲取通風(fēng)監(jiān)測(cè)信息，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)行維修和處理。

利用LabVIEW 開發(fā)了礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的HMI人機(jī)交互界面，如圖4所示。其中包括了對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)井下各個(gè)傳感器進(jìn)行編號(hào)處理可以快速進(jìn)行定位，從圖中的數(shù)據(jù)變化曲線可以看出溫度的變化情況。

圖4 礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面

采用 LabVIEW 編寫地下礦通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面，顯示信息直觀、豐富；量程和單位可以根據(jù)需要進(jìn)行修改，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置每隔一定時(shí)間循環(huán)監(jiān)測(cè)各傳感器。此外可以對(duì)風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)，包括對(duì)風(fēng)機(jī)的全壓、靜壓的檢測(cè)等，通過LabVIEW界面可以顯示監(jiān)測(cè)到的曲線圖像，如圖4所示。

通過檢測(cè)應(yīng)用，此礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在上位機(jī)中可動(dòng)態(tài)顯示有毒有害氣體濃度情況，識(shí)別空氣中有毒有害氣體濃度的精度較高，并通過曲線形式呈現(xiàn)空氣中CH4的濃度變化，根據(jù)設(shè)定的安全警戒線，通過WiFi通信系統(tǒng)在上位機(jī)中展示井下采集到的環(huán)境參數(shù)，一旦空氣中有毒有害氣體濃度超標(biāo)，及時(shí)自動(dòng)報(bào)警并提示處理，達(dá)到了比較好的監(jiān)測(cè)效果。

4 結(jié) 語

礦井的通風(fēng)對(duì)于保證礦井安全生產(chǎn)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)了一種基于WiFi通信技術(shù)的礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用LabVIEW 開發(fā)了友好的HMI人機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)井下采集到數(shù)據(jù)的高清可視化顯示，實(shí)時(shí)查看井下風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)變化，通過實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場表明采用這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別CO、CO2的含量及有毒有害氣體的變化趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)效果良好，能及時(shí)有效避免事故發(fā)生，保證安全生產(chǎn)正常開展。