曾旭 王必东
国家能源集团新疆能源有限责任公司 新疆乌鲁木齐市 830011
摘要：煤炭作为工业生产中必不可少的能源之一，因为国内制度不完善，导致煤炭开采过程中常常会出现安全事故。从数据统计来看，每年出现的重大矿难中，三分之二以上是由于瓦斯爆炸引起。由此可见，如何避免瓦斯爆炸已然成为煤矿安全生产中的关键所在。本文主要针对基于WiFi模块的井下安全监控系统展开分析，该系统能够实时测定矿井瓦斯指标、氧气数值和二氧化碳量，并对井下生产环境进行有效测控。根据具体结果可以看出，此系统能够达到预期要求，为煤矿安全生产奠定坚实基础。
关键词：WiFi技术；煤矿；井下安全‘监控系统
由于国内煤矿资源储备丰富且能源依赖度较高，因此煤矿开采企业规模较大，但因为煤矿分布散乱且地质结构特殊，导致实际开采具有一定困难性，尤其是在井下开采过程中，常常会出现一些安全事故，导致煤矿开采领域无法进一步前行。
从当前发展来说，对比于初期的煤矿生产体系，井下安全监管体系有了质的突破，技术水平方面飞速发展。井下安全监控体系中主要使用到高精度传感模块、自动检测装置、分布式系统设计以及现场总线技术等，通过TCP/IP协议进行数据交互。以目前矿产企业井下监控体系发展情况来讲，已经逐步形成了以WiFi模块为核心的分站式监控机制。
1安全监控系统总体结构
1.1总体结构设计
环境监控模块需要根据具体的井下矿道位置合理部署。WiFi模块的实际应用打破了井下信号交互困难的限制。将监控体系划分成以下几个部分：远程监控、数据分析、命令传输以及资源获取等。硬件系统整体方案如图1所示：
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图1安全监控系统总体结构
每个层级间的硬件设备利用WiFi模块进行数据传输，因为WiFi技术具有良好的扩展能力，且传输质量稳定。所以安全监控体系能够根据不同情况进行合理扩增。同时井下安全监控过程中能够实时测定瓦斯含量、氧气参数以及有害气体比重，为生产运行提供24h持续保护，也为井下开采建立可靠的数据平台。
1.1.1信号采集层
信号采集作为监控体系中的终端部分，主要配备有气体传感模块和温湿度感应模块。通过传感设备能够实现具体的信号获取和数据交互，且通信范围显著提升，利用WiFi模块可以将获取的信号数据提交到控制层分析处理。
1.1.2数据存储层
数据存储是将系统中各个传感模块获取的信号参数进行保存，便于用户使用分析，也为系统处理异常数据时提供参考。
1.1.3控制与分析层
控制分析是将传感设备获取的信号数据进行深入分析，抓取其中的核心资料，同时将结果实时反馈给系统主控设备。
1.1.4远程监控区
远程控制是充分整合监控体系中的不同模块资源，构建起高效的人工管理平台，这也是监控体系的大脑，能够将信号分析结果展示给用户。
1.2系统指标设计
基于项目具体目标和矿道分布位置，确定出最佳的硬件装置对提升监控体系的效率和质量起到关键作用，以下是对系统中使用的标准硬件模块进行分析：1）传感设备的信号交互性能要满足要求，传输频率不得低于50Hz，且额定电压参数要处于2mV到80mV，信号误差范围不得超过0.5%。2）数据传输性能，监控系统中使用的各个硬件模块端口均应提供TCP通信协议。3）良好的环境适应性，系统中各个硬件模块均要可以稳定运行在不同环境之中，且能够有效抵抗外部干扰。4）兼容性良好，监控体系要配备多个输入输出端口，便于后续的服务扩展和硬件升级。
2系统软件设计
软件系统作为监控体系中必不可少的一部分，能够为采集数据信息奠定基础，因为软件系统中编程语言难度较高且模块复杂，因此只对基本架构和系统开发功能进行简要论述。软件系统的完成需要和第三方进行良好交互，基本操作系统需要在VisualStudioC#中进行开发测试，数据库部分选用SQLServer服务。剩余子模块应结合具体要求确定产品类型。
监控体系中软件系统需要完成的功能如下:1）能够合理配置用户权限、并对系统数据进行有效管理，实时记录用户操作情况，保证各项操作的安全性。2）对系统运行信息进行记录、分析，特别是一些井下传感设备采集的重要数据，一旦参数超出标准范围，系统应快速启动报警系统，调用硬件控制，保证井下环境可以满足安全要求。3）软件系统还需要完成基本的数据处理、统筹分析等功能，通过界面显示为管理人员提供便捷的操作服务。
其中软件系统架构如图2所示，操作系统部分实现系统中数据信息的查找和检索服务，进而将其提交给网络层进行处理分析。整体来看，软件系统可以为用户提供信息查找和硬件管理等服务。
图2安全监控系统软件架构
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3安全监控系统硬件设计
由于煤矿井下环境较为复杂，因此一旦在井下借助线缆联通传感模块，就会导致线路连接混乱。不仅如此，井下布置线缆还有可能引起电火花等问题，一旦环境中瓦斯浓度过高就极易发生爆炸。由此来说，设计井下瓦斯浓度监控系统时，必须要采用无线通信技术，对井下线路连接尽可能简化，提高矿井运行的安全系数。
图1系统结构示意图
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按照井下安全监控体系中不同硬件设备的功能需求和型号类别进行如下分析：
3.1环境监测传感器
气体传感模块作为安全监控硬件系统中的核心组件，主要功能在于获取外部气体浓度，将其转化为模拟信号，再经由A/D模块转化后向系统主控设备发送数字信号，进而完成有关信息的采集和分析。由此可见，气体传感模块极为重要，决定着安全系统是否可以稳定发挥作用。因此，如何确定符合经济要求、质量要求和灵敏度要求的气体传感设备就显得至关重要。
井下开采过程中常常会伴随一些有害气体，尤其是瓦斯气体，其基本组成为甲烷和烃类元素，具有易燃易爆的特性，结合实际项目要求来说，本安全管理体系中选用由长英公司自主设计研发的STM-LIN型气体传感装置，其感应精度高、运行稳定，能够实时测定有毒有害气体比重，通过LED模块将数据反馈给系统管理人员。
该气体传感设备主要由外部金属壳体、内部感应材料以及过滤结构组成，能够有效滤除气体中的水分和干扰元素，避免采集气体参数过程中受到影响，显著提高测量精度。其中需要测定的气体参数有CH4和CO比重，前者测定范围为500～12500ppm，后者可测量区间为50～1000ppm。本设备通过外部直流电源供能，运行过程中不断利用加热电压获取气体参数比重。由于STM-LIN传感设备额定功率仅为38mW，且体积轻便，能够很好的适应井下生产环境。
3.2中央处理器
中央处理设备作为监控体系的关键组件，通常使用模块化结构进行配置，通过工业以太网进行有关数据交互传输。本系统选用西门子360-SPN/DG型设备，能够承载32位模块扩展，且性能可靠。
3.3数据传输站
各个数据分站需要持续不断的进行矿井生产的状态采集，本管理系统中选用MDC4200/62B型防爆传输基站，能够有效完成地面总站和数据分站之间的信息交互，该基站目前已经被大量应用于煤矿生产之中。
4安全监控系统功能测试
系统设计完成后需要对各个功能服务进行测试，其中包括有瓦斯浓度监控、数据处理服务和信息存储等。本系统能够完成对井下开采中主要气体浓度的测试和采集，具备基本的数据存储和信息查找功能。能够根据采集的井下环境参数进行分析，给出时间变化曲线，便于用户分析和查询。构建起实际系统后，设计为期半年的运行测试环节，根据结果可以看出，系统各项参数运行稳定，能够达到预期设计要求，为煤矿生产提供可靠的安全环境。
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