基于无线传输技术的新型煤矿瓦斯监控系统设计

基于无线传输技术的新型煤矿瓦斯监控系统设计

梁锐华

中煤科工集团重庆研究院有限公司  重庆  400000

摘要:传统的煤矿井下瓦斯监控系统主要是通过有线检测装置对某个区域内进行检测,存在布置不灵活､检测不到位､响应速度慢以及布线复杂等问题,为此通过对煤矿井下瓦斯检测要求和环境进行分析,设计了一种基于无线传输技术的煤矿井下瓦斯智能监控系统,对软硬件系统进行了设计,最终该套新型瓦斯监控系统通过试验验证实现了远距离无线传输,瓦斯的检测浓度精确到0.001,响应速度<20s,有效避免了煤矿瓦斯事故发生,保证煤矿安全生产｡

关键词:煤矿井下;瓦斯浓度;无线传感;监控系统

1瓦斯监控系统设计要求和参数

煤矿井下环境比较复杂,长期处于多尘､潮湿和电磁辐射等环境中,在煤矿井下空气中包含有大量的有毒有害气体,如一氧化碳､瓦斯､硫化氢等气体,为此需要要求监控系统具有良好的防潮､防湿､防爆和防辐射的性能｡根据目前国内煤矿领域制定的《煤矿安全管理规程》中的要求,可以得到煤矿井下气体安全指标如表1所列｡

表1煤矿井下有毒有害气体检测技术指标

根据表1煤矿井下环境气体检测指标,对煤矿井下瓦斯监控系统的设计提出如下设计要求:

(1)安全性和稳定性要求｡瓦斯监控系统包括硬件系统和软件系统,硬件系统要能够适应煤矿井下复杂多变的工况,具有防尘,防爆和防腐蚀的结构特点,硬件系统的网络传输不受地理条件的影响,保证网络正常传输｡

(2)监控系统管理和维护的方便性｡根据井下复杂工况,瓦斯监控系统需要定期进行维护和保养,对于某些关键零部件需要及时进行更换,为此需要保证监控系统便于进行管理和维护｡

(3)由于煤矿井下巷道空间资源有限,使用无线网络技术实现信号传输,避免布线和复杂安装,利用上位机进行多点集中监控和管理,反应报警时间满足浓度检测指标要求｡

2基于无线传输技术的瓦斯监控系统方案设计

根据瓦斯监控系统的设计和参数要求,需要从硬件结构和软件系统方面保证瓦斯监控系统的性能和特性,图1所示为基于无线网络技术的瓦斯监控系统总体方案布置图｡

图1煤矿瓦斯监控系统组成

瓦斯监控系统主要四层内容,第一层为智能感知层,第二层为信号传输层,第三层为数据智能分析层,第四层为上位机监控与报警层,每一层由不同的功能模块组成,如图1所示｡智能感知层是由各种智能小型传感器组成的无线传感器网络,由随机分布的非常小的传感器的节点通过自组织的形式进行搭建,构成了内置的多种传感器组,完成对煤矿井下瓦斯进行实时感知､检测和采集信号的功能;第二层是信号传输层,将采集到的信号进行处理,并且利用无线传感网络进行传输;第三层为数据智能分析层,将传输到的数据利用中央控制器进行分析,包括使用PID智能控制方式,确保瓦斯浓度保持在一个稳定范围之内,当瓦斯浓度超标时会发出报警和提醒;第四层为上位机监控层,主要是用于显示煤矿井下瓦斯的浓度值,一段时间内某个区域内瓦斯的变化趋势,利用可视化技术实现瓦斯浓度的动态显示,并且自动生成历史记录,自动生成报表记录瓦斯浓度的变化情况,便于后期进行分析｡

3瓦斯监控系统硬件设计

3.1传感器选型

瓦斯监控系统装置是监控系统的核心,是将物理信号(瓦斯浓度)转变为电信号的关键部件和环节,用来对煤矿井下瓦斯浓度进行检测｡此次设计的瓦斯监控系统瓦斯采集单元选用KGS-20瓦斯传感器,这是以二氧化锡作为基本敏感材料,用于对可燃气体浓度检测的一种半导体传感器,保证采集瓦斯反应时间较短,灵敏度高,响应速度快,功耗低｡

3.2无线传感网络系统组成

此次提出的煤矿井下环境中,需要实现多点布置瓦斯传感器并且需要实现中心控制,使用无线传感器网络术可以有效提高识别的精度和监控管理水平,图2所示为无线传感器网络硬件结构组成｡

图4无线传感器网络硬件组成结构

由图2可看出,无线传感器网络硬件主要由多个瓦斯传感器的采集节点､接收节点和瓦斯监控计算机组成,将多个传感器检测节点利用无线通信方式形成了一个网络系统,实现对数据的集中处理,最后将数据上传到地面监控中心,每一个瓦斯传感器网络节点都是微信嵌入式系统,采用该项技术可以实现最大化的利用宽带,降低设备的体积｡

4软件系统设计与监控系统

无线传感网络接收与采集节点采用嵌入式IAREmbeddedWorkbench集成开发环境,利用IAREm⁃beddedWorkbench提供的框架,可以将其他的工具完整进行嵌入,主要适用于大量的8位､16位和32位的微处理器和控制器,有助于用户在实际开发新项目时能提供非常熟悉的开发环境,可以直接使用大量代码生成某些环境和特征,提高工作效率,节省大量工作时间｡煤矿瓦斯监控系统的整个软件系统均是在IAREmbeddedWorkbench中搭建,首先无线传感器网络采集节点一方面是通过将瓦斯传感器采集到的气体浓度值,通过RF模块接收从接收节点发来的地址指令,所有采集节点对地址信息是否一致进行判断,当一致时候就会将采集到的瓦斯气体浓度通过RF射频模块发送给接收节点;另一方面,无线传感器网络节点设计了瓦斯浓度的控制系统,利用模糊PID控制瓦斯的浓度,通过对发送与接收模块进行判断,确定是否发送或接收成功｡

无线传感器网络接收节点有两方面内容,一方面是通过串口接收来自上位机的控制指令信息,并且将控制指令信息利用无线通信模块发送给无线传感器的网络采集节点,采集节点对信号进行处理和分析;另一方面,是需要接收制定的某些采集节点发送来的浓度信号,需要对信号进行初步计算和分析,最终通过数码管显示,上位机操作界面也需要显示,并且当瓦斯的浓度超标时需要进行声光报警提示｡

5结语

煤矿瓦斯事故是影响煤矿安全生产的突出事故类型｡通过现场应用和对比分析可以得出,采用本套新型瓦斯监控系统,可以实现无线传输,瓦斯浓度检测精度为0.001,系统布置更加灵活,节省企业的劳动力成本,智能化水平更高,有效避免煤矿瓦斯事故发生,提高煤矿的安全生产水平,该项研究成果也为其他环境参数的无线检测提供了案例参考｡

参考文献:

[1]王志勇.瓦斯监控系统在煤矿的应用探讨[J].当代化工研究,2020(12):92-93.

[2]杨威.煤矿瓦斯远程监控系统设计[J].能源与节能,2019(11):191-192.

[3]潘凌岩,姚宇康,葛鑫,等.煤矿瓦斯安全监控系统探析[J].饮食科学,2019(06):2