礦井通風機安全監測數據傳輸系統設計研究

霍晉保

（大同煤礦集團有限公司忻州窯礦，山西 大同037001）

引言

我國是煤炭能源生產大國，煤炭在我國能源消耗形式榜單中占據前茅。隨著我國經濟社會的快速發展，需要加快對煤炭的開采力度，提高生產效率，才能滿足國民社會的需要[1]。因此，目前煤礦企業應用現代化、智能化設備與礦井工作面提高開采的自動化程度，減少人工參與，減小了作業人員的安全風險。盡管如此，煤炭生產過程中還是會時常發生安全生產事故，其中最為常見的安全事故是由礦井內瓦斯爆炸所造成的。礦井通風機作為關鍵的安全設備，是驅散瓦斯氣體的專屬設備，是防范礦井重特大事故發生的關鍵設備[2]。因此需要對礦井通風機工作過程進行安全監測，對通風機每一個工況參數數據進行實時掌握，確保能夠及時解決通風機所存在的工作故障，使礦井內瓦斯氣體處于安全界限范圍以內[3]。為了保證通風技術傳回的安全數據的準確性，目前安全監測系統傳回數據的方式主要分為無線和有線傳輸。但是由于礦井工作面復雜的地質環境和惡劣條件對于有線傳輸造成了極大的困難，通常以無線傳輸作為數據傳輸方式。為了提高數據傳輸的抗干擾能力以及無損程度，通過查閱相關資料，得出采用無線擴頻傳輸系統應用于通風機安全監測數據的傳輸能有效提升數據應用的可靠程度，對于提高礦井通風機安全運行具有重要的意義[4]。研究成果為無線擴頻傳輸技術應用于礦井其他設備的數據傳輸提供了思路。

1 通風機安全監測數據擴頻方案

1.1 安全監測原理

目前煤礦企業大多采用的是軸流式通風機作為通風機的結構形式，以軸流式通風機作為研究對象，設計出該類型安全監測數據擴頻方案，首先分析其安全監測原理。

軸流式通風機的測風測壓截面是測試環節的一個關鍵點，每一個測試卷都要設置在層流處，因為該處的風速分布比較均勻，確保了通風機測試的精確性。在通風機每一個測試截面的兩端，即上下游位置都要設置有直線段，并且不小于風硐直徑的3倍[5]。

通風機安全監測系統在執行工作時應對測得的電流電壓進行轉換，通過變送器轉換為標準數字信號。在進行無線方式傳輸的時候，應通過上位機進行數據處理，并將歷史監測數據匯聚成曲線進行儲存，方便后期查閱。通過對上述安全監測原理的分析，得出礦井通風機安全監測的總體框架設計圖如圖1所示。

圖1 通風機安全監測總體框架示意圖

1.2 安全監測數據傳輸要求

由于通風機在礦井工作面需注意環境的特殊性，結合實際工況條件，對其安全監測數據的傳輸有以下幾點基本要求[6]：

1）由于通風機在礦井內長時間作業，對運轉時的單位時間成本有著較高的要求，尤其采用無線數據傳輸方式時，是對通風機數據傳輸成本應較低原則的響應，通過不鋪設電纜等基礎設施達到了降低成本的目的；

2）由于通風機作業環境惡劣，需對其數據傳輸過程中抗干擾能力有較高的要求，目前無線安全數據監測系統存在抗干擾能力較弱的短板，而有線傳輸方式雖然抗干擾能力較強，但不適宜礦井下的工程環境。

3）目前無線安全數據監測系統傳輸方式的傳輸速率普遍在5～30 kbps范圍內，遠遠達不到通風機安全監測數據的傳輸速率要求，應提高傳輸速率高；

4）由于煤礦分布地點距離企業中心控制室較遠，對無線安全監測系統的有效傳輸距離有了性能要求，應滿足實際工況條件下作業的傳輸距離要求，應盡量使傳輸距離更遠。

1.3 傳輸方案的確定

根據通風機數據無線傳輸方式的工作要求，需要對通風機工作的環境壓強、通風量大小、電流電壓等關鍵參數數據進行采集，并轉化為標準的數字信號，對每一個采集到的信號進行擴頻調制，實現安全監測數據的擴頻傳輸，具體傳輸方案設計圖如圖2所示。

圖2 通風機安全監測數據擴頻傳輸框架示意圖

2 無線擴頻傳輸系統仿真分析

2.1 仿真模型建模

采用MATLAB軟件中的Simulink模塊建立起無線擴頻傳輸系統的仿真模型，整體模型主要由信源接收器、偽隨機碼產生器、調制模塊組成。對模型各類仿真參數進行設置，其中傳碼率設置為90 kbps，確保數據傳輸速率；數據調制的方式采用BPSK進行調解，每一段的擴頻碼長度為255，通過20 db擴頻增益結合AWGN信道，對無線擴頻傳輸系統的仿真模型進行完善，設計出仿真模型圖如圖3所示。

圖3 通風機安全監測數據無線擴頻傳輸系統模型示意圖

2.2 擴頻信號效果對比分析

在分析無線擴頻傳輸系統的抗干擾能力之前首先對擴頻前后信號功率譜圖進行對比分析，判斷在擴頻后信號的頻譜是否相比于原始方案有了明顯提高。

由圖4分析可知，擴頻前的信號的頻譜寬度為0.1 kHz（圖4-1中橫坐標值），而在擴頻后的信號頻譜寬度達到2 kHz（圖4-2中橫坐標值），相比于原始方案的頻譜增大了20倍，說明擴頻后的數據經過PN碼調制后得到了更加高效的解析，頻譜圖能夠更便于技術人員讀取辨識，提高對安全監測數據的決策判斷能力。

圖4 擴頻前、后信號頻譜示意圖

3 無線擴頻傳輸系統抗干擾能力測試

無線擴頻傳輸系統在保證數據傳輸準確性的前提下，最關鍵的性能是抗干擾能力。在面對礦區惡劣作業環境時能夠不受外界自然條件的干擾，能夠將數據無損地由初始端傳至末端。

3.1 抗單頻正弦干擾性能

如下頁圖5所示，仿真結果給出了由3個不同的正弦干擾振幅干擾下的誤碼率，由仿真結果可知，在無干擾（即A4=0曲線）的情況下信噪比為3 dB時，系統的誤碼率小于10-3，在信噪比4 dB時誤碼率就可達到0；在有干擾（即：A1=3、A2=7和A3=12曲線）的情況下，當信噪比達到一定值后，彎曲部分就比較彎，信噪比只要增加一點，誤碼率則呈現急劇下降趨勢。可見無線擴頻傳輸系統對單頻正弦干擾有較強的抑制作用。

3.2 抗其他擴頻信號干擾能力

仿真結果曲線如下頁圖6所示，當信噪比S/N大于等于8 dB時，系統的誤碼率低于了10-3，可見其比其他擴頻信號干擾要求的信噪比要大，系統的抗干擴頻信號能力達到了要求；同時，曲線下降也呈彎曲變形趨勢，也說明了信噪比的一點增加即可使誤碼率出現較大的下降變化趨勢。當信噪比在12 dB時，誤碼率接近為0。可見DS擴頻系統同樣對其他擴頻信號有一定的抑制作用。

圖5 正弦干擾下的誤碼率數據曲線示意圖

圖6 其他擴頻信號干擾下的誤碼率數據曲線示意圖

4 結語

礦井通風機作為煤礦的關鍵安全設備，其工作的可靠性關系到井內作業人員的生命安全，是確保瓦斯氣體在安全濃度范圍內的安全裝置。專業技術人員應及時地把控通風機的運行狀態，對各類傳回的安全監測數據進行決策判斷。以通風機的工作原理以及安全監測工作要求為依據，設計出了無線擴頻傳輸系統，通過MATLAB數據仿真軟件對設計出的無線擴頻傳輸系統進行了數據分析。測試結果顯示設計出的無線擴頻傳輸系統抗干擾能力相比于原始方案更強，頻譜解析更加清晰，便于專業技術人員讀取判斷。研究成果提升了通風機安全監測數據的傳輸效率及準確性。