基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用*

韓 葶

(山西晉煤集團(tuán) 沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 沁水 048200)

0 引 言

由于煤礦基本存儲在地下，礦井工作面在開采過程中會聚集大量的瓦斯氣體，若礦井的通風(fēng)性能不好，使礦井中的溫度增加，礦井的瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、溫度及通風(fēng)性能等均將對整個煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。據(jù)統(tǒng)計，僅2013年，全國發(fā)生了將近600起煤礦事故，造成了將近1000人死亡，主要原因則是井下的瓦斯?jié)舛容^高所導(dǎo)致，嚴(yán)重影響井下的煤礦開采量，給企業(yè)及家庭造成了重大損失。采用當(dāng)前更加成熟先進(jìn)的自動化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，對礦井中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，成為當(dāng)前實現(xiàn)礦井智能化升級改造、降低礦井瓦斯事故發(fā)生概率的重要途徑[2]。為此，從總體方案及關(guān)鍵分系統(tǒng)等方面設(shè)計了一套礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，并將系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，驗證了該系統(tǒng)的可靠性及安全性。對有效監(jiān)控井下瓦斯?jié)舛取⑻岣叩V井安全生產(chǎn)提高了重要保障作用。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題分析

隨著技術(shù)發(fā)展，當(dāng)前國內(nèi)各個領(lǐng)域的智能化安全監(jiān)控技術(shù)已較為成熟，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，在礦井中設(shè)計安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng)，但整個系統(tǒng)在實際運行過程中仍存在較多問題，主要體現(xiàn)在以下方面。

(1) 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力較弱。當(dāng)前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)僅能對較少數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析及處理，隨著礦井智能化的不斷升級，系統(tǒng)需對越來越多的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，導(dǎo)致當(dāng)前的安全監(jiān)控系統(tǒng)整體的信號處理能力無法滿足需求現(xiàn)狀[3]。

(2) 部分安全監(jiān)控系統(tǒng)所采用的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、溫度傳感器、氧氣傳感器等質(zhì)量較差，耐潮及防護(hù)等級等方面相對較差，在儀器使用一段時間后，則會出現(xiàn)檢測精度不夠、數(shù)據(jù)傳輸不及時等問題，整體使用壽命及可靠性有待提高。

(3) 井下各類傳感器的分布數(shù)量及位置不夠，無法實現(xiàn)對礦井中較大區(qū)域的全覆蓋監(jiān)控。

(4) 當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)所采用的通訊方式仍以傳統(tǒng)的鋪設(shè)電纜方式進(jìn)行通訊連接，在實際使用中極容易造成電纜的破壞、信號中斷等問題，同時電纜的電磁屏蔽效果較差，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存在信號質(zhì)量較差、不穩(wěn)定等問題，極容易造成系統(tǒng)的判斷不準(zhǔn)或誤判斷等問題[4]。

為此，將先進(jìn)的自動化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用到礦井的安全監(jiān)控中，實現(xiàn)對礦井生產(chǎn)過程的更加安全監(jiān)控，是解決目前問題的關(guān)鍵有效措施。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的原基礎(chǔ)，對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級設(shè)計。所設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)包括了終端傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、數(shù)據(jù)處理中心、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點及上機(jī)位等部分，如圖1所示。其中，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)則利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各數(shù)據(jù)之間的通訊，通訊接口則采用了RS485[5]。終端傳感器節(jié)點處則配備了瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、溫度傳感器、氧氣傳感器、濕度傳感器，并將其更加密集的分布在礦井中的相關(guān)區(qū)域，采用的傳感器具有一定的抗爆等級、防護(hù)等級達(dá)到了IP56，所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至CC2530主控芯片中進(jìn)行分析、邏輯判斷及處理。之后將分析數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的接收匯總后，傳輸至遠(yuǎn)端的上機(jī)位安全監(jiān)控中心，人員可通過系統(tǒng)的顯示界面對礦井中的各類狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)檢測到井下的各項參數(shù)超過相關(guān)安全值時，顯示界面則會發(fā)出相應(yīng)的聲光報警提示，并對具體的超標(biāo)參數(shù)值及異常區(qū)域位置進(jìn)行實時顯示，人員則可及時向礦井中發(fā)生預(yù)警提示。另外，該系統(tǒng)中的上機(jī)位配備了較大容量的存儲模塊，能對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算存儲。整體系統(tǒng)有效解決了因現(xiàn)場布線所帶來的布線復(fù)雜、監(jiān)控范圍窄等問題，實現(xiàn)了對礦井中瓦斯?jié)舛?、溫度、氧氣等參?shù)的遠(yuǎn)程化無線監(jiān)控，提高了整個礦井的智能化程度及生產(chǎn)安全性。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

3 關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 CC2530主控芯片設(shè)計

控制芯片是整個安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，為實現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的無線傳輸及接收，選用了市場上較為成熟的CC2530主控芯片。該芯片是有TI公司研發(fā)的無線傳輸芯片，具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、抗干擾性能強(qiáng)、芯片體積小等特點，輸出功能為4.5dBm，發(fā)射模式電流損耗為29 mA，I/O引腳則包括了P0～P7等，其中，P1和P2則主要負(fù)責(zé)20 mA電流的輸出；芯片的電源引腳則包括了AVDD1～AVDD6及DDV1等，可向外輸出2～6 V的電信號和模擬信號；RESET-N則是控制引腳[6]。整個芯片由于體積較小，整體性能較好，能較好的適用于井下的復(fù)雜地址條件，具有接收及發(fā)射功率高等特點。

3.2 瓦斯?jié)舛葯z測電路設(shè)計

瓦斯?jié)舛葯z測電源是整個監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路。因此，選用了具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)的MJC4/3.0L型瓦斯?jié)舛葌鞲衅髯鳛檎麄€檢測電路的核心部件，其工作電流為110 mA，濃度測量范圍為0～100%LEL，工作電壓為3 V。在該傳感器中，D和C分表作為檢測及補償?shù)脑骷?，并與3 V的電壓平臺進(jìn)行連接，當(dāng)檢測到外部的瓦斯?jié)舛仍黾訒r，電橋則發(fā)生平衡失效輸出大于0的參數(shù)。同時，為更好的保證輸出信號能更好的被MJC4/3.0L型瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測到，在信號輸出端設(shè)計了一個電壓放大電路，再對其進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出的電壓信號經(jīng)過放大后與I/O接口進(jìn)行連接，實現(xiàn)參數(shù)的無線傳輸。所改造后的瓦斯?jié)舛葯z測電路如圖2所示。

圖2 瓦斯?jié)舛葯z測電路圖

3.3 天線連接電路設(shè)計

由于此監(jiān)控系統(tǒng)采用了無線遠(yuǎn)程監(jiān)控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，故需選匹配合適的外接天線。由于礦井中各區(qū)域的信號及檢測信號略有不同。故在環(huán)境空間充足、信號可靠性要求較高的區(qū)域，采用了SMA型的外接天線，該天線的增益達(dá)到了5dbi；針對環(huán)境空間緊促，無法使用足夠空間進(jìn)行監(jiān)控區(qū)域，選用了9.5 mm×2 mm×1 mm的陶瓷芯片天線，該天線的增益效果為4dbi，基本能滿足該區(qū)域空間的檢測要求。天線連接電路圖如圖3所示。

圖3 天線連接電路圖

3.4 軟件分系統(tǒng)設(shè)計

整個安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分包括了軟件操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其中，軟件系統(tǒng)則主要基于Windows系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，包括、組態(tài)工具模塊程序、數(shù)據(jù)庫管理主程序、通訊管理模塊程序、顯示模塊等部分，其控制流程為：打開操作界面后，系統(tǒng)進(jìn)行自檢后完成系統(tǒng)的初始化設(shè)置，執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)庫中的信息，并自動創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫，之后將數(shù)據(jù)經(jīng)過RS485接口和以太網(wǎng)傳輸至通訊模塊中，實現(xiàn)整個井下安全監(jiān)控數(shù)據(jù)在礦井中的實時傳輸通訊，該安全監(jiān)控系統(tǒng)的通訊管理模塊控制流程圖如圖4所示。

圖4 通訊管理模塊控制流程圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果

為更好的驗證該礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的綜合性能，將其在礦井中進(jìn)行了實地測試，分別對系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葯z測性能、障礙傳輸性能、通訊距離及綜合性能進(jìn)行了測試。通過測試得出：整套系統(tǒng)運行正常，能準(zhǔn)確的對井下的瓦斯?jié)舛?、溫度、氧氣濃度等指?biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通顯示界面進(jìn)行實時顯示；各檢測點的相關(guān)參數(shù)也能通過數(shù)據(jù)調(diào)取方式進(jìn)行信息查看。同時，測試了系統(tǒng)的有無障礙物傳輸距離，在無障礙條件下可實現(xiàn)對2 km距離的數(shù)據(jù)接收，在有障礙物條件下可實現(xiàn)對1.5 km距離的數(shù)據(jù)接收，接收距離相對較長。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)超過相應(yīng)的安值時，系統(tǒng)能發(fā)出相應(yīng)的聲光報警提示，人員可根據(jù)報警提示及時采取安全處理措施，以保證礦井的作業(yè)安全性。整個系統(tǒng)的運行效果達(dá)到了預(yù)期效果。驗證了該系統(tǒng)的可靠性及可行性。

5 結(jié) 語

不斷對當(dāng)前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改進(jìn)，將當(dāng)前更加先進(jìn)的PLC遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用到礦井的安全監(jiān)控中，實現(xiàn)礦井作業(yè)條件的安全全面監(jiān)控，已成為當(dāng)前企業(yè)重點考慮方向。為此，在分析當(dāng)前礦井監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，開展了監(jiān)控系統(tǒng)的總體及關(guān)鍵分系統(tǒng)的設(shè)計研究，并將系統(tǒng)進(jìn)行了實際應(yīng)用分析，得出該監(jiān)控系統(tǒng)運行良好，具有更好的監(jiān)控功能及穩(wěn)定性，能更好的礦井中瓦斯?jié)舛?、溫度等進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，信號傳輸距離明顯增長，整個應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期效果。所設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的推廣價值及意義。