基于WiFi 技術的煤礦井下安全監控系統的設計研究

董曉亮

（陽煤集團礦山救護大隊，山西 陽泉 045008）

引言

我國煤礦資源相對比較豐富，煤礦企業的數量以及煤礦開采產量也較大，但是由于我國煤礦分布、煤礦地質構造復雜，開采難度較大，井下環境惡劣，礦井事故頻繁發生，嚴重制約了煤礦開采行業的發展。

近年來，國內的煤礦井下安全監控技術取得了較大的進步，相較于早期的安全監控技術，目前煤礦井下安全監控技術主要發展方向包括高精度傳感器、系統在線自動調校設備、分站式結構設計、現場總線控制技術應用、采用TCP/IP 網絡協議通信技術[1]?；诂F有的某礦業公司井下安全監控系統的升級改造，設計了基于WiFi 技術的安全監控分站系統。

1 WiFi無線通信技術

WiFi 無線通信技術又被稱作“相容性無線傳輸技術”，WiFi 技術具有較好的兼容性，其協議與執行標準為WECA 發布的，后期對系統的更新升級較為方便。每個WiFi 網絡通常都包括一個或多個客戶端，傳輸速率快，滿足了用戶的實際使用需求。

WiFi無線通信技術與其他的有線傳輸網絡相比具有以下特點：

1）WiFi通信安裝的設備簡單，減少了線路的鋪設，極大地降低了系統成本，同時為系統后期的維護、使用、維修提供了較大的便利性。

2）WiFi網絡組網靈活，可方便移動，同時非常便于后期對通信系統的擴展、擴容。

3）WiFi無線通信技術傳輸速率較快，傳遞的信息準確，在WiFi網絡無線信號可覆蓋的區域內，任何位置均可獲得網絡的接入，對保障設備的通信具有重要意義。

4）經濟性好，WiFi技術可根據用戶實際需求進行規劃調整，實現網絡迅速擴展。WiFi通信技術可以結合現有寬帶，高效進行網絡部署搭建，后期使用成本也降低許多[2]。

2 安全監控系統總體結構

2.1 總體結構設計

環境監測系統需結合實際煤礦巷道的分布情況來布置，WiFi無線通信技術解決了井下巷道中有些區域信號傳輸受限的問題。監控系統總體結構上可以分為遠程監控層、分析控制層以及數據處理分析層、數據采集層、中間傳輸層等組成。如圖1 所示，為安全監控系統總體硬件設計方案[3]。

圖1 安全監控系統總體結構

各層硬件之間通過WiFi 通信技術實現信息的交互，由于WiFi 通信技術可擴展性強，信號傳輸能力強，因此安全監控系統具有高效和擴展性好等優點。井下環境安全監控系統可以檢測井下空氣中的瓦斯、一氧化碳、甲烷等有毒有害氣體，具備24 h 不間斷監控預警功能，為井下安全提供了有效的信息保障，下面對系統各個分層做簡要介紹。

2.1.1 信號采集層

信號采集層是系統的終端數據采集層，裝備了瓦斯、一氧化碳等氣體傳感器；裝備有溫度、濕度、粉塵監測傳感器。此類傳感器具有信號采集以及信號傳輸的功能，具備長距離無線通信能力，可以與WiFi 路由器進行連接，并將采集得到的信號傳輸給上級控制層。

2.1.2 數據存儲層

數據存儲層主要是對所有傳感器所采集的信號進行存儲，方便調取和分析，在分析和處理故障時都需要對傳感器的信號進行分析。

2.1.3 控制與分析層

控制與分析層主要是對傳感器所采集的信號進行分析，得出關鍵信息，并向地面控制主機反饋；可傳達控制命令，對系統硬件進行控制，從而有效控制系統的運行。

2.1.4 遠程監控區

遠程監控區主要是對各子系統的信息的集成，是人工監控與控制的平臺，也是監控系統的核心所在，可以方便地進行信號的顯示與處理[4]。

2.2 系統指標設計

根據項目的實際需求以及煤礦巷道的分布情況，選擇性能適宜的硬件設備對提高監控系統的經濟性具有重要意義，下面對該系統中所涉及到的一般性硬件指標總結如下：

1）傳感器信號傳輸能力要求：信號傳輸的頻率要求在50 Hz 到2 000 Hz 之間，額定工作電壓信息在2 mV 到80 mV 之間，要求傳感器采集信號誤差不得大于0.5%。

2）數據傳輸能力：要求實現100 Mbit/s 的工業級信號傳輸能力，所有硬件端口均以TCP 協議進行傳輸。

3）設備環境適應性：要求各硬件設備應具有在-10～70 ℃環境下工作的能力，抗干擾能力強，同時要求空氣的相對濕度不得大于94%。

4）系統具有較好的兼容性，具有16 路輸入與16 路輸出端口，方便后期對系統硬件進行擴展[5]。

3 系統軟件設計

軟件是系統實現其功能的重要組成部分，是有效獲取監控信息的基礎，由于軟件所涉及到的相關程序語言的編輯較為復雜，在此僅對軟件的架構設計以及初步需要實現的功能做簡要介紹，軟件的實現與第三方合作完成，操作系統采用基于Visual Studio C# 可編程語言完成，數據庫系統采用SQL Server。其他的子系統軟件可直接采用不同廠家開發的產品，在此不再一一贅述。

圖2 為安全監控系統的軟件架構的設計示意圖，操作系統層面主要集成了對信號與數據的查詢搜索等功能，然后在計算機網絡系統層主要是對數據的處理。軟件系統同時集成了用戶數據查詢、對硬件設備的管理等操作[6]。

圖2 安全監控系統軟件架構

對軟件的功能設計做簡要介紹：

1）支持對用戶權限設置、具有后臺數據管理能力，可記錄登錄情況，確保使用過程中的安全性。

2）系統信息的記錄、查詢、分析等能力，尤其是對井下傳感器采集的數據進行危險度識別，當所采集信號大于安全閾值，系統可自動報警并對相關硬件設備進行控制，從而對井下環境進行有效地控制。

3）軟件系統具備常見的數據分析、統計功能，圖像顯示等功能方便管理人員了解井下環境參數的分布規律。

4 安全監控系統硬件設計

對井下安全監控系統的硬件設計以及重要硬件的選型做簡要介紹，根據其功能的不同，對系統中部分硬件等做如下介紹。

4.1 環境監測傳感器

煤礦井下的有毒有害氣體主要是瓦斯，瓦斯主要組成氣體為甲烷、烴類、二氧化碳等氣體，無色、無味、難溶于水，且具有易燃、易爆的特點。根據項目的實際需求，選擇了長英科技有限公司研發的STM-LIN 型空氣安全傳感器，該傳感器具有精度高，可靠性好等優點，可同時可監測甲烷、CO、CO2等氣體。傳感器測量誤差為±4×10-6；顯示方式為12位LED，傳感器如下頁圖3 所示。

4.2 中央處理器

監控系統的核心是中央處理器，信息交互采用工業以太網，選了西門子360-SPN/DG 型中央處理器，處理器采用模塊化結構設計，最大可實現32 模塊的擴展，具有處理能力強、擴展適應性好、功能全面等優點。

4.3 數據傳輸站

數據采集分站可以連續監測礦井的現場狀態，本系統選擇了MDC4200/62B 礦用隔爆型數據傳輸站（見下頁圖4），可實現數據傳輸分站與地面中心站之間信號的穩定傳輸，該傳輸器結構安全可靠，被廣泛應用煤礦開采環境。

圖3 空氣安全傳感器

5 安全監控系統功能測試

系統搭建完成后對其各項性能進行了測試，包括瓦斯氣體濃度的監測能力、數據分析能力、數據記錄能力等。系統實現了對井下環境中甲烷、CO、CO2等氣體濃度的實時監測與預警，軟件系統具備數據記錄、查詢功能。詳細記錄了井下環境各項參數隨時間的變化情況，并可以將其繪制為歷史曲線，方便分析與查閱。在為期半年的系統測試中，系統各項指標正常，具備實際應用能力，為煤礦企業提供了安全保障。

圖4 數據傳輸站