基于信息技術(shù)的煤礦綜合自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 浩，王亞棟，賈俊偉，史友慶，賈燦燦

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

煤炭資源的消耗量一直占總能源消耗極大的比重，而每年煤礦開采過程中的安全事故也頻繁發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近1 a 時(shí)間，僅上半年發(fā)生的煤礦事故就超過50 起，造成了百人以上的傷亡。因此，針對煤礦的綜合自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研究對于降低煤礦安全事故而言具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，相關(guān)領(lǐng)域研究人員針對這一問題，開展了深入探究，并設(shè)計(jì)出了針對煤礦安全事故的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。但當(dāng)前，大部分的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，并且獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)也存在著時(shí)效性差的問題，嚴(yán)重影響著煤礦產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展。同時(shí)，在現(xiàn)有工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，煤礦監(jiān)測系統(tǒng)在對監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享和利用等方面仍然存在較大缺陷，并且系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，各個(gè)單元結(jié)構(gòu)都是相互獨(dú)立的，無法實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)行。在實(shí)際開展煤礦開采的過程中，需要能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合利用的監(jiān)測系統(tǒng)[2]。信息技術(shù)是一種用于管理和處理信息數(shù)據(jù)的各類技術(shù)總稱，當(dāng)前信息技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、科學(xué)領(lǐng)域以及通信領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用十分廣泛。選擇合理的信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對信息數(shù)據(jù)更好的處理，并在一定程度上達(dá)到更好的效果。因此，綜合信息技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)對信息技術(shù)合理選擇的同時(shí)，開展對煤礦綜合自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于煤礦開采環(huán)境較為特殊，因此，綜合考慮到監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行需要，在結(jié)合信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，將監(jiān)測系統(tǒng)按照信息采集電路、各個(gè)監(jiān)測分站、CAN 總線、監(jiān)測主站以及上位機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，并得到如圖1 所示的設(shè)計(jì)方案。

圖1 基于信息技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of monitoring system based on information technology

此文將用于對煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的傳感器和識別裝置與各個(gè)監(jiān)測分站進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)以及射頻識別信號的人員位置信息傳輸?shù)礁鱾€(gè)監(jiān)測分站當(dāng)中，并對其進(jìn)行處理，將所有獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)與事先設(shè)置的預(yù)測數(shù)值進(jìn)行比較，從而對其是否超限進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)對煤礦開采現(xiàn)場的安全報(bào)警[3]。根據(jù)上述系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程，首先從硬件層面，對其RFID 讀寫器和傳感器裝置進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

1.1 RFID 讀寫器選型設(shè)計(jì)

RFID 讀寫器主要用于對監(jiān)測信息數(shù)據(jù)進(jìn)行無線射頻識別的裝置，通過射頻識別信號傳輸?shù)姆绞?，利用RFID 讀寫器實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取。在這一過程中，引入RFID 讀寫器后，不需要通過人工干預(yù)的方式，即可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)更加快速的識別和獲取，方便為后續(xù)煤礦安全事故發(fā)生時(shí)作出更快、更及時(shí)的報(bào)警提供更可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。針對本文監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用性能以及運(yùn)行環(huán)境需要，此文選擇C72UHF165-40 型號的智能讀寫器，該型號RFID 讀寫器與同功能裝置相比具有超高頻讀寫效果，能夠滿足更高強(qiáng)度的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用需要。C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器具備8000 mAh 大容量電池，可實(shí)現(xiàn)4 G 全網(wǎng)通/雙頻WIFI條件下的通信需要，攝像頭像素為1300 萬高清，同時(shí)裝置本身具備5.2" IPS 高清大屏能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)測信息數(shù)據(jù)的可視化。除此之外，C72UHF165-40型號RFID 讀寫器具備強(qiáng)勁UHF 讀寫（Impinj E710/R2000） 功能、條碼掃描功能、全功能NFC功能、虹膜識別功能等。由于C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器具備支持圓極化4 dBi 天線的功能，因此在進(jìn)行識別時(shí)不需要對被識別對象標(biāo)簽進(jìn)行調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)更寬廣的掃描范圍以及更長距離的掃描[5]。在實(shí)際應(yīng)用到煤礦綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)中實(shí)現(xiàn)更加靈活的應(yīng)用效果，同時(shí)這一特點(diǎn)也使得該裝置具備了超900 標(biāo)簽/s 的群讀速率，能夠?yàn)楸O(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行效率提供更有力的保障。

1.2 傳感器裝置選型設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對煤礦綜合自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測，引入的傳感器裝置包括針對煙霧數(shù)據(jù)信息、溫濕度數(shù)據(jù)信息、CO 含量數(shù)據(jù)信息以及CH4含量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集的傳感器。由于需要進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)信息種類較多，因此綜合考慮后，選用Z3N 系列傳感器，根據(jù)不同監(jiān)測數(shù)據(jù)的需要，對該系列當(dāng)中不同功能傳感器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并將其各個(gè)型號傳感器的應(yīng)用性能指標(biāo)繪制成表1。

表1 多種監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳感器應(yīng)用性能指標(biāo)記錄Table 1 Application performance index record of multiple monitoring data acquisition sensors

結(jié)合表1 中的內(nèi)容，完成對多種監(jiān)測信息數(shù)據(jù)的傳感器選擇后，將各個(gè)傳感器與對應(yīng)的監(jiān)測分站進(jìn)行連接。通過監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中的STM546-550 型號單片機(jī)微控制器對所有傳感器進(jìn)行運(yùn)行控制[6]。對于煤礦綜合監(jiān)測現(xiàn)場的各個(gè)傳感器進(jìn)行布置時(shí)，可按照如下方案完成：首先，針對氣敏傳感器（Z3N-46530 傳感器、Z3N-56501 傳感器和Z3N-34420傳感器） 應(yīng)當(dāng)將其安裝在煤礦開采的巷道、回采區(qū)域和工作面等各個(gè)工作區(qū)域當(dāng)中；其次，溫濕度傳感器（Z3N-98620 傳感器和Z3N-46501 傳感器）安裝在煤礦開采工作面以及煤礦各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)對煤礦的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于信息技術(shù)的被監(jiān)測對象標(biāo)簽自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位

在上述硬件條件的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對煤礦環(huán)境中各項(xiàng)可能影響煤礦安全事故發(fā)生的信息進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合RFID 標(biāo)簽和信息技術(shù)以及上述硬件中選擇的C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器，完成對被監(jiān)測對象標(biāo)簽自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位[7]。在進(jìn)行煤礦生產(chǎn)作業(yè)的過程中，用戶可攜帶存儲著對應(yīng)編碼信息的被監(jiān)測標(biāo)簽，通過C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器根據(jù)已知位置的信息對被監(jiān)測對象的標(biāo)簽進(jìn)行定位。在定位過程中，引入信息技術(shù)當(dāng)中的LANDM ARC 算法實(shí)現(xiàn)待定位被監(jiān)測對象標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的RSSI 值，并通過歐幾里得計(jì)算得出2 個(gè)標(biāo)簽的位置距離，其計(jì)算公式為：

式中：E為待定位被監(jiān)測對象標(biāo)簽位置與已知位置的標(biāo)簽位置之間的距離；R 為C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器數(shù)量；Sm為第m 個(gè)已知位置標(biāo)簽在讀寫器裝置當(dāng)中的RSSI 值；Sn為第n 個(gè)未知定位位置的被監(jiān)測對象標(biāo)簽在讀寫器裝置當(dāng)中的RSSI 值。

根據(jù)上述公式計(jì)算可以更加準(zhǔn)確地獲取到被監(jiān)測對象的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)對其運(yùn)行情況的初步監(jiān)測。同時(shí)，在定位過程中，綜合上述論述可知，此文選用的C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器能夠良好的適應(yīng)煤礦復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中干擾信號的抵御，因此獲取到的定位信息數(shù)據(jù)可靠性更高，在對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，其穩(wěn)定性也更加理想。

2.2 煤礦地層控制設(shè)備綜合設(shè)置與監(jiān)測管理

完成對標(biāo)簽的定位后，將進(jìn)行煤礦地層控制設(shè)備在區(qū)域內(nèi)位置設(shè)置。在此過程中，對于設(shè)備控制子端，考慮到原有的通訊模塊需要進(jìn)行各組態(tài)軟件的接入，因此，需要在布置此設(shè)備時(shí)，定位設(shè)備通訊端的子網(wǎng)掩碼與IP 地址，將相關(guān)信息下載到PLC 終端，通過對信息的集中分析，進(jìn)行OPC 數(shù)據(jù)的集成，以此種方式，確保對設(shè)備位置初步判定的準(zhǔn)確性[8]。對于此過程中無法識別PLC 的設(shè)備而言，可以采用對其進(jìn)行串口設(shè)置的方式，進(jìn)行通信端與服務(wù)器端的對接，采用集中控制的方式，進(jìn)行設(shè)備之間的互聯(lián)與通信，確保通信狀態(tài)保持良好后，進(jìn)行控制設(shè)備的對接，確保監(jiān)控設(shè)備在地層中安裝位置可以滿足監(jiān)測需求。

完成對控制設(shè)備的安裝后，使用系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)傳輸層，進(jìn)行底層設(shè)備的監(jiān)測管理。為了確保監(jiān)測結(jié)果符合要求，在此過程中，使用防爆交換機(jī)作為軟件監(jiān)控的主要設(shè)備，對接交換機(jī)與OPC 服務(wù)端，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生信息的統(tǒng)一管理。在此基礎(chǔ)上，通過登錄系統(tǒng)交換機(jī)的方式，在終端Web 界面進(jìn)行MAC 地址的獲取，定位網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)的連接方式，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的連接進(jìn)行故障的診斷與識別，對于此時(shí)發(fā)生的故障，可采用調(diào)節(jié)故障節(jié)點(diǎn)的方式，進(jìn)行系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間的控制。綜上所述，通過對上述過程中地址信息與節(jié)點(diǎn)信息的獲取，實(shí)現(xiàn)對煤礦綜合自動(dòng)化的實(shí)施監(jiān)控，并通過對獲取信息的集中導(dǎo)入與導(dǎo)出、PLC 型號的匹配與IP 地址調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控信息的有效管理。以此種方式，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)軟件功能的完善，完成對實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。

根據(jù)上述論述實(shí)現(xiàn)對煤礦地層控制設(shè)備綜合設(shè)置與監(jiān)測管理后，為了進(jìn)一步提高煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全，引入報(bào)警機(jī)制，針對監(jiān)測過程中出現(xiàn)的參數(shù)超過事先設(shè)置限制范圍的問題進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。將煤礦生產(chǎn)作業(yè)的每一個(gè)區(qū)域采集模擬量準(zhǔn)確變?yōu)樯衔粰C(jī)能夠識別的數(shù)字量，并通過CAN 總線將獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)當(dāng)中，將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理后，在顯示器當(dāng)中顯示，并對該數(shù)據(jù)是否在預(yù)設(shè)參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行判斷，若在這一范圍內(nèi)，則不發(fā)出報(bào)警信號；若不在這一范圍內(nèi)，則發(fā)出報(bào)警信號。

3 對比實(shí)驗(yàn)

通過以上論述，在完成對監(jiān)測系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)后，將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于ZigBee 技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到晉城市華寧天晟機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的煤礦自動(dòng)化監(jiān)測裝置當(dāng)中，并針對煤礦生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)控制內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比較性，選擇將此文設(shè)計(jì)的基于信息技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦綜合作業(yè)環(huán)境當(dāng)中，通過比較2 種系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，實(shí)現(xiàn)對其應(yīng)用性能對比。為了實(shí)現(xiàn)對真實(shí)煤礦作業(yè)環(huán)境的模擬，選擇利用頻率干擾裝置對2 種監(jiān)測系統(tǒng)在進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程中施加干擾條件，已知頻率干擾裝置的運(yùn)行頻率在80 ～110 MHz，增益大于或等于2.58 db，帶寬大于或等于2.5 Mhz。在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇5 臺上位機(jī)裝置配合2 種監(jiān)測系統(tǒng)完成運(yùn)行，將5 臺上位機(jī)看作5 個(gè)監(jiān)測分站，其中1臺上位機(jī)用于對各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行上傳；1 臺用于為2 種監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)發(fā)送請求；1 臺用于為2 種監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫提供運(yùn)行服務(wù)條件。1 臺用于實(shí)現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；1臺用于實(shí)現(xiàn)對煤礦現(xiàn)場安全事故問題的遠(yuǎn)程監(jiān)測與報(bào)警。為了實(shí)現(xiàn)對2 種監(jiān)測系統(tǒng)在相同復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行的效果，選擇將監(jiān)測過程中的信號傳輸頻率作為評價(jià)指標(biāo)，記錄60 min 以內(nèi)，2 種監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的信號傳輸頻率變化幅度實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的驗(yàn)證，將2 種檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄見表2。

表2 兩種監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表Table 2 Records of experimental results of two monitoring systems

表2 中κ 表示為信號傳輸頻率曲線變化幅度偏差數(shù)值；τ 值表示為信號傳輸頻率；κ1 表示為本文提出的基于信息技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)；κ2 表示為傳統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)。從表2 中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于信息技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測過程中信號傳輸頻率均未超過623.3 ～623.7 MHz，而傳統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)由于受到煤礦運(yùn)行環(huán)境中干擾信號的影響，其信號傳輸頻率呈現(xiàn)出沒有規(guī)律的變化，且波動(dòng)幅度較大，最終造成κ1 始終小于κ2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生。因此，通過上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明，本文提出的基于信息技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中信號傳輸頻率穩(wěn)定，監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行具有極高的穩(wěn)定性，同時(shí)也能夠在運(yùn)行過程中進(jìn)一步提高監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸和記錄的精度，實(shí)現(xiàn)對煤礦現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的高精度監(jiān)測。

4 結(jié)語

綜合此文上述論述，在結(jié)合信息技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出一種全新的監(jiān)測系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)的方法證明了該系統(tǒng)的應(yīng)用性能。在設(shè)計(jì)過程中，將信息技術(shù)作為核心，針對煤礦生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境中的環(huán)境信息和各個(gè)被監(jiān)測對象的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能夠根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對煤礦安全事故的及時(shí)報(bào)警，從而進(jìn)一步提高煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全性。在后續(xù)的研究當(dāng)中，還將進(jìn)一步引入更多的信息技術(shù)，對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)作業(yè)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，在提升本文監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用適應(yīng)性同時(shí)，也起到提升煤礦作業(yè)安全系數(shù)的效果。