井下瓦斯無線綜合監測系統

蔣 磊

(國家安全生產監督管理總局信息研究院,北京 100029)

井下瓦斯無線綜合監測系統

蔣 磊

(國家安全生產監督管理總局信息研究院,北京 100029)

針對目前瓦斯監控系統存在的不能連續實時有效的進行監測以及監控位置固定等問題,通過融合無線通信、集成電路、傳感器、計算機網絡技術,提出基于無線自組織網絡結合煤礦特有條件和監測技術的新型井下瓦斯無線綜合監測系統。

瓦斯 無線傳感器網絡 實時監測

1 研究的重要性和緊迫性

瓦斯是煤礦開采的伴生物,瓦斯危害主要表現為瓦斯突然形成的爆炸事故,也是煤礦安全生產的主要危害之一。瓦斯事故不僅嚴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濟損失和間接經濟損失高達近百億元。針對上述嚴重問題,國家中長期科學技術發展規劃已明確提出的國家重大科研項目中,就包括了礦山安全的實時全方位監控系統的內容。煤礦瓦斯爆炸重大事故的發生一般是因為煤礦生產管理者管理松懈和環境中危險因素沒有及時監測造成,其中主要因素是安全生產監測系統沒有很好的發揮作用。例如瓦斯、風量、溫度等環境因素的監測,需要安檢人員不間斷地巡檢和有線通信網設備正常等條件,這種情況存在以下問題:①對于一些高瓦斯、人員不能到達的區域不能實時監測,采用預估算法實現,存在誤差;②不能實現連續無縫隙環境監測;③不能預防人為破壞監測設備;④安全監測網絡不能隨環境變化調整,重新建立網絡。這些因素使得煤礦瓦斯監測網絡不能連續實時有效的進行監測、傳輸、故障預報,這種現象在大中型礦井中更加突出,一旦發生事故,后果不堪設想。如今我國各大、中、小型煤礦陸續在安裝礦井監測包括瓦斯監測系統,但是存在投入時間較長,系統技術落后等原因,例如系統通信接口落后、傳輸速率低、巡檢時間長、傳感器技術落后等問題,并且只能井下對井上單向傳輸,只能起監測作用,不能實現對現場設備的實時控制,并非真正的安全檢測監控系統。與其他國家相比,我國煤礦開采的煤層大多屬于石灰巖二迭紀的煤層。煤層的特點就是瓦斯含量大、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。高瓦斯礦井地質構造復雜,斷層多,地應力大,煤層受到搓揉破壞嚴重,在采掘中,瓦斯容易擴散,在一定的條件下會發生煤與瓦斯突出現象,極易形成瓦斯爆炸事故。因此,研究安全、可靠、便于維護的全方位監測煤礦生產的井下瓦斯無線綜合監測系統,對于提高我國煤礦安全生產水平,遏止瓦斯事故有極其重要的意義。

2 主要研究內容

井下瓦斯無線綜合監測系統,是將新興的無線傳感器網絡技術應用到礦井安全監控領域,不僅可以和有線監測網絡相互補充,對有線系統難以監測的區域進行有效、靈活和實時監測,實現井下安全監測的無縫覆蓋,還可以跟隨采掘而同步延伸,減少了布線難度,降低了成本,提高了數據的安全性和穩定性,通過在無線傳感器網絡平臺上搭建瓦斯傳感器及監測設備,對瓦斯含量及生產參數進行實時監測,以采取適當的生產調控,并提出一種定量定性方案。井下無線網絡綜合監測系統包括終端監控系統、無線傳感器綜合網絡和監控中心三部分。終端監控模塊由傳感器模塊、控制器模塊以及微處理器模塊組成,位于各監控點,負責完成信息的采集以及相應監控中心所發出的控制命令和響應;無線傳感器綜合網絡負責傳輸數據及命令。監控中心是整個系統運作的核心,負責收集各監控模塊上的監控信息,發送各種操作命令以控制終端模塊。該系統總體結構如圖1所示。

2.1 終端監控模塊

圖1 系統總體結構圖

終端監控模塊是礦工隨身攜帶的便攜式無線監控終端模塊,也可以固定安裝在特定區域。每個終端模塊就是一個可移動的探測單元,每個模塊攜帶瓦斯傳感器,可以探測模塊所在位置的瓦斯濃度,模塊本身可以根據瓦斯濃度發出警報,同時也將瓦斯濃度和風量經過無線傳感器綜合網絡跳轉發送回井上監控中心,供監測管理人員隨時查看數據并指揮管理。另外便攜式無線監控終端模塊可以隨時添加和減少,并不受人員多少的限制,模塊可以自適應的維護整個網絡拓撲的結構。隨著井下作業面的展開和挖掘的進行,可以不斷地在新開辟的區域固定安置模塊。終端監控模塊硬件部分主要包括嵌入式微處理器、瓦斯檢測模塊、風量監測模塊、電流監測模塊、顯示和報警模塊、RF輸出模塊和電源模塊。模塊具有數據存儲功能,而且斷電后仍然可以通過后備電池工作一段時間,以便在特殊情況下,提取井下數據信息。單片機是終端監控模塊的核心,經過比較,終端監控模塊在設計上采用STC12C5410AD單片機作為主控單元,它具有高抗靜電性,寬電壓,不怕電源抖動,具有低耗能工作方式,可較簡便的實現掉電保護,寬溫度范圍完全滿足相對惡劣的井下工作的環境、濕度等要求。系統采用CC2420作為ZIG BEE射頻發射單元,主控模塊與射頻模塊之間采用串口連接。系統原理圖如圖2所示。

圖2 終端監控模塊系統原理圖

瓦斯傳感器的選擇關系到整個系統監測數據的正確性,因此在選用器件時,一是測量精度要高,二是工作可靠,三是工作條件能適應惡劣環境要求。通過對比最后選用了鄭州煒盛電子科技有限公司生產的新型載體催化元件。它有一個帶催化元件和空中可燃的氣體發生反應后,溫度相對于補償元件升高,從而引起電橋偏移,經過運算放大器進入單片機A/D,進行數模轉換,得出空氣中的瓦斯濃度。

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡包括:地面監控中心、有線骨干網、無線網關節點、終端監控模塊 (見圖3)。

圖3 無線傳感器網絡示意圖

終端監控模塊分布在井下各個工作面,負責感知現場信息,將現場信息通過自組網的方式實時地傳送到無線網關節點;網關節點有無線模塊和數據處理模塊組成,負責完成數據的收發和網絡狀態的監控,同時它還負責數據處理、融合和存儲;處理后的數據通過有線骨干網發到到地面監控中心,由監控平臺實時監控。有線骨干網由光纖鏈路組成,作為主要的通信鏈路,根據巷道的實際布局和需要監測的工作面的變化分段進行鋪設。無線網關節點,它為終端監控模塊提供接入服務,實際上這個網關既是網關又是網橋,通過網關,無線網絡可以與有線網絡相連。無線系統需要做的就是每個節點記錄自己的一跳鄰居和網關節點的地址,需要與外界通訊時通過多跳路徑將數據發送給網關即可。

2.3 監控中心

地面監控中心負責將從終端監控模塊收到的數據進行處理、分析、統計、顯示和存儲,并且還要根據用戶需要對無線傳感器網絡進行監控等。因此,設計中這部分要由網關服務器、監控平臺、網絡服務器和數據服務器組成。

網關服務器完成終端監測模塊與上位機系統的協議轉換,并對井下傳來的各種數據進行分類,將傳感器數據傳遞給安全監控平臺。

安全監控平臺具有實時窗口,該窗口可以實時顯示檢測終端模塊的瓦斯濃度、風速和振動強度等各種安全指標。

網絡服務器通過防火墻接入國際互聯網或其他多種外部網絡,以便上級領導可以實時對煤礦生產狀態進行監管,并且服務器接收通信中的網絡拓撲信息與網管數據,通過拓撲控制協議、網絡傳輸控制協議和網絡管理協議,實施對網絡拓撲的管理和傳輸控制的管理。

3 結論

井下瓦斯無線綜合監測系統綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡與無線通信技術、分布式信息處理技術等,系統設計利用ZigBee網絡動態自組、多跳的特點,其通信和感知節點可以移動、無須鋪設線路、操作簡單、容易維護、組網成本低,解決煤礦井下封閉危險區域多元信息融合的實時監測。解決隨著煤炭開采的進程,由于各種總線結構的有線特性以及協議不兼容的特點,使得工作面、掘進面新增設備或者結構進行調整非常困難。井下瓦斯無線綜合監測系統,會進一步完善井下監控系統的功能,為礦井生產調度及時提供各種有用信息,從而有效地指揮生產,以保障礦井生產的安全、高產、高效。開展本項目具有非常重要的社會意義。

[1] 楊士娟.井下無線通信網絡系統研究 [D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫 (碩士),2006, (02).

[2] 郭建林.熱電廠全廠熱負荷智能調節系統的研究與應用 [D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫(碩士),2006,(02).

[3] 鄭效田.基于Web的煤炭企業職工教育管理信息系統設計 [D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫(碩士),2006,(02).

[4] 董濱.音頻頻帶噪聲自適應處理的研究 [D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫 (碩士),2003, (04).

(責任編輯 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,畢業于中國礦業大學 (北京),現從事無線傳感器網絡研究工作。