井下瓦斯無線綜合監(jiān)測系統(tǒng)

蔣 磊

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

井下瓦斯無線綜合監(jiān)測系統(tǒng)

蔣 磊

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

針對目前瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)存在的不能連續(xù)實(shí)時(shí)有效的進(jìn)行監(jiān)測以及監(jiān)控位置固定等問題,通過融合無線通信、集成電路、傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)合煤礦特有條件和監(jiān)測技術(shù)的新型井下瓦斯無線綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

瓦斯 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 實(shí)時(shí)監(jiān)測

1 研究的重要性和緊迫性

瓦斯是煤礦開采的伴生物,瓦斯危害主要表現(xiàn)為瓦斯突然形成的爆炸事故,也是煤礦安全生產(chǎn)的主要危害之一。瓦斯事故不僅嚴(yán)重危害到煤礦工人的生命安全,而且全國煤礦每年因瓦斯事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)近百億元。針對上述嚴(yán)重問題,國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃已明確提出的國家重大科研項(xiàng)目中,就包括了礦山安全的實(shí)時(shí)全方位監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)容。煤礦瓦斯爆炸重大事故的發(fā)生一般是因?yàn)槊旱V生產(chǎn)管理者管理松懈和環(huán)境中危險(xiǎn)因素沒有及時(shí)監(jiān)測造成,其中主要因素是安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)沒有很好的發(fā)揮作用。例如瓦斯、風(fēng)量、溫度等環(huán)境因素的監(jiān)測,需要安檢人員不間斷地巡檢和有線通信網(wǎng)設(shè)備正常等條件,這種情況存在以下問題:①對于一些高瓦斯、人員不能到達(dá)的區(qū)域不能實(shí)時(shí)監(jiān)測,采用預(yù)估算法實(shí)現(xiàn),存在誤差;②不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無縫隙環(huán)境監(jiān)測;③不能預(yù)防人為破壞監(jiān)測設(shè)備;④安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不能隨環(huán)境變化調(diào)整,重新建立網(wǎng)絡(luò)。這些因素使得煤礦瓦斯監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不能連續(xù)實(shí)時(shí)有效的進(jìn)行監(jiān)測、傳輸、故障預(yù)報(bào),這種現(xiàn)象在大中型礦井中更加突出,一旦發(fā)生事故,后果不堪設(shè)想。如今我國各大、中、小型煤礦陸續(xù)在安裝礦井監(jiān)測包括瓦斯監(jiān)測系統(tǒng),但是存在投入時(shí)間較長,系統(tǒng)技術(shù)落后等原因,例如系統(tǒng)通信接口落后、傳輸速率低、巡檢時(shí)間長、傳感器技術(shù)落后等問題,并且只能井下對井上單向傳輸,只能起監(jiān)測作用,不能實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)控制,并非真正的安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)。與其他國家相比,我國煤礦開采的煤層大多屬于石灰?guī)r二迭紀(jì)的煤層。煤層的特點(diǎn)就是瓦斯含量大、煤層透氣性低,在開采前抽放瓦斯很不容易。我國煤礦高瓦斯礦井占多數(shù)。高瓦斯礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷層多,地應(yīng)力大,煤層受到搓揉破壞嚴(yán)重,在采掘中,瓦斯容易擴(kuò)散,在一定的條件下會(huì)發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象,極易形成瓦斯爆炸事故。因此,研究安全、可靠、便于維護(hù)的全方位監(jiān)測煤礦生產(chǎn)的井下瓦斯無線綜合監(jiān)測系統(tǒng),對于提高我國煤礦安全生產(chǎn)水平,遏止瓦斯事故有極其重要的意義。

2 主要研究內(nèi)容

井下瓦斯無線綜合監(jiān)測系統(tǒng),是將新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到礦井安全監(jiān)控領(lǐng)域,不僅可以和有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)相互補(bǔ)充,對有線系統(tǒng)難以監(jiān)測的區(qū)域進(jìn)行有效、靈活和實(shí)時(shí)監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)測的無縫覆蓋,還可以跟隨采掘而同步延伸,減少了布線難度,降低了成本,提高了數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性,通過在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺上搭建瓦斯傳感器及監(jiān)測設(shè)備,對瓦斯含量及生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,以采取適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)調(diào)控,并提出一種定量定性方案。井下無線網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)測系統(tǒng)包括終端監(jiān)控系統(tǒng)、無線傳感器綜合網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三部分。終端監(jiān)控模塊由傳感器模塊、控制器模塊以及微處理器模塊組成,位于各監(jiān)控點(diǎn),負(fù)責(zé)完成信息的采集以及相應(yīng)監(jiān)控中心所發(fā)出的控制命令和響應(yīng);無線傳感器綜合網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)及命令。監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的核心,負(fù)責(zé)收集各監(jiān)控模塊上的監(jiān)控信息,發(fā)送各種操作命令以控制終端模塊。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 終端監(jiān)控模塊

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

終端監(jiān)控模塊是礦工隨身攜帶的便攜式無線監(jiān)控終端模塊,也可以固定安裝在特定區(qū)域。每個(gè)終端模塊就是一個(gè)可移動(dòng)的探測單元,每個(gè)模塊攜帶瓦斯傳感器,可以探測模塊所在位置的瓦斯?jié)舛?模塊本身可以根據(jù)瓦斯?jié)舛劝l(fā)出警報(bào),同時(shí)也將瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量經(jīng)過無線傳感器綜合網(wǎng)絡(luò)跳轉(zhuǎn)發(fā)送回井上監(jiān)控中心,供監(jiān)測管理人員隨時(shí)查看數(shù)據(jù)并指揮管理。另外便攜式無線監(jiān)控終端模塊可以隨時(shí)添加和減少,并不受人員多少的限制,模塊可以自適應(yīng)的維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。隨著井下作業(yè)面的展開和挖掘的進(jìn)行,可以不斷地在新開辟的區(qū)域固定安置模塊。終端監(jiān)控模塊硬件部分主要包括嵌入式微處理器、瓦斯檢測模塊、風(fēng)量監(jiān)測模塊、電流監(jiān)測模塊、顯示和報(bào)警模塊、RF輸出模塊和電源模塊。模塊具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,而且斷電后仍然可以通過后備電池工作一段時(shí)間,以便在特殊情況下,提取井下數(shù)據(jù)信息。單片機(jī)是終端監(jiān)控模塊的核心,經(jīng)過比較,終端監(jiān)控模塊在設(shè)計(jì)上采用STC12C5410AD單片機(jī)作為主控單元,它具有高抗靜電性,寬電壓,不怕電源抖動(dòng),具有低耗能工作方式,可較簡便的實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù),寬溫度范圍完全滿足相對惡劣的井下工作的環(huán)境、濕度等要求。系統(tǒng)采用CC2420作為ZIG BEE射頻發(fā)射單元,主控模塊與射頻模塊之間采用串口連接。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 終端監(jiān)控模塊系統(tǒng)原理圖

瓦斯傳感器的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性,因此在選用器件時(shí),一是測量精度要高,二是工作可靠,三是工作條件能適應(yīng)惡劣環(huán)境要求。通過對比最后選用了鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的新型載體催化元件。它有一個(gè)帶催化元件和空中可燃的氣體發(fā)生反應(yīng)后,溫度相對于補(bǔ)償元件升高,從而引起電橋偏移,經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)入單片機(jī)A/D,進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,得出空氣中的瓦斯?jié)舛取?/p>

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括:地面監(jiān)控中心、有線骨干網(wǎng)、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、終端監(jiān)控模塊 (見圖3)。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖

終端監(jiān)控模塊分布在井下各個(gè)工作面,負(fù)責(zé)感知現(xiàn)場信息,將現(xiàn)場信息通過自組網(wǎng)的方式實(shí)時(shí)地傳送到無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn);網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)有無線模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成,負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控,同時(shí)它還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、融合和存儲(chǔ);處理后的數(shù)據(jù)通過有線骨干網(wǎng)發(fā)到到地面監(jiān)控中心,由監(jiān)控平臺實(shí)時(shí)監(jiān)控。有線骨干網(wǎng)由光纖鏈路組成,作為主要的通信鏈路,根據(jù)巷道的實(shí)際布局和需要監(jiān)測的工作面的變化分段進(jìn)行鋪設(shè)。無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),它為終端監(jiān)控模塊提供接入服務(wù),實(shí)際上這個(gè)網(wǎng)關(guān)既是網(wǎng)關(guān)又是網(wǎng)橋,通過網(wǎng)關(guān),無線網(wǎng)絡(luò)可以與有線網(wǎng)絡(luò)相連。無線系統(tǒng)需要做的就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄自己的一跳鄰居和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的地址,需要與外界通訊時(shí)通過多跳路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)即可。

2.3 監(jiān)控中心

地面監(jiān)控中心負(fù)責(zé)將從終端監(jiān)控模塊收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、統(tǒng)計(jì)、顯示和存儲(chǔ),并且還要根據(jù)用戶需要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控等。因此,設(shè)計(jì)中這部分要由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、監(jiān)控平臺、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成。

網(wǎng)關(guān)服務(wù)器完成終端監(jiān)測模塊與上位機(jī)系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換,并對井下傳來的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給安全監(jiān)控平臺。

安全監(jiān)控平臺具有實(shí)時(shí)窗口,該窗口可以實(shí)時(shí)顯示檢測終端模塊的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速和振動(dòng)強(qiáng)度等各種安全指標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過防火墻接入國際互聯(lián)網(wǎng)或其他多種外部網(wǎng)絡(luò),以便上級領(lǐng)導(dǎo)可以實(shí)時(shí)對煤礦生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管,并且服務(wù)器接收通信中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑴c網(wǎng)管數(shù)據(jù),通過拓?fù)淇刂茀f(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議,實(shí)施對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓芾砗蛡鬏斂刂频墓芾怼?/p>

3 結(jié)論

井下瓦斯無線綜合監(jiān)測系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)自組、多跳的特點(diǎn),其通信和感知節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)、無須鋪設(shè)線路、操作簡單、容易維護(hù)、組網(wǎng)成本低,解決煤礦井下封閉危險(xiǎn)區(qū)域多元信息融合的實(shí)時(shí)監(jiān)測。解決隨著煤炭開采的進(jìn)程,由于各種總線結(jié)構(gòu)的有線特性以及協(xié)議不兼容的特點(diǎn),使得工作面、掘進(jìn)面新增設(shè)備或者結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整非常困難。井下瓦斯無線綜合監(jiān)測系統(tǒng),會(huì)進(jìn)一步完善井下監(jiān)控系統(tǒng)的功能,為礦井生產(chǎn)調(diào)度及時(shí)提供各種有用信息,從而有效地指揮生產(chǎn),以保障礦井生產(chǎn)的安全、高產(chǎn)、高效。開展本項(xiàng)目具有非常重要的社會(huì)意義。

[1] 楊士娟.井下無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究 [D].中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 (碩士),2006, (02).

[2] 郭建林.熱電廠全廠熱負(fù)荷智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 [D].中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(碩士),2006,(02).

[3] 鄭效田.基于Web的煤炭企業(yè)職工教育管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D].中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(碩士),2006,(02).

[4] 董濱.音頻頻帶噪聲自適應(yīng)處理的研究 [D].中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 (碩士),2003, (04).

(責(zé)任編輯 趙國泉)

Wineless Coal Mine Gas Monitoring System

Jiang Lei (China Coal Information Institute,Beijng 100029)

Because gas monitoring system can not exist a continuous real-time monitoring and its positions of monitoring can not be changed,the authors propose self-organizing wireless network which combines wireless communications,integrated circuits,sensors,computer network technology based on special conditions in coal mine.

Gas;wireless communications;monitoring system

蔣磊,男,工程師,畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué) (北京),現(xiàn)從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究工作。