基于評價模型的煤礦環境監測系統

鄭煜，馬新春

（新疆電子研究所有限公司研發中心，新疆烏魯木齊830013）

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基于評價模型的煤礦環境監測系統

鄭煜，馬新春

（新疆電子研究所有限公司研發中心，新疆烏魯木齊830013）

摘要：由于煤礦井下環境復雜，惡劣并伴隨安全隱患，給井下工作人員帶來很多不便?，F對井下環境影響因素進行分析，選取可信指標建立煤礦環境評價模型。系統應用了GIS地理信息技術、研華工業數據采集、無線通信、模型評價等技術，通過在煤礦環境監測點安裝以太網采集節點和傳感器，利用計算機聯網技術與數據中心進行實時分析、組態顯示和數據評價，從而使用戶更直觀的對分布在不同地域的監測點數據進行集中管理和綜合評價。有效的預防安全隱患。

關鍵詞：礦井環境；評價模型；監測系統；研華；數據采集

我國的煤礦生產主要來源于地下開采，在礦山井下生產過程中，隨著多種生產作業不斷推進，對地質力學條件的不斷擾動，必然會造成井下生產條件惡劣，對勞動者安全和健康造成危害?？茖W管理不斷發展的今天，對空氣質量和熱環境同時分析，切實體現井下實際情況。本文對其主要危害因素，如溫度，溫度，礦塵和有毒有害氣體等，導致勞動者喪失勞動能力的主導因素進行研究。做出合理分析，為礦井安全生產管理和事故救援提供可靠的技術支持［1］。

1　研究方法

整個監測系統由監測站，監測點，采集節點，傳感節點等多個元素組成。一個監測站可以包含多個監測點，每個監測點包含多個采集節點，每個采集節點都有各自的多個傳感節點。監測點可以分布在各井下，作業點之間，各采集節點存在于分布在不同作業點之間的井下作業區［2］。采集節點是數據傳輸的基本單元，采用研華ADAM以太網數據采集設備，設備由8個模擬量輸入，2個數字量輸出，滿足了節點對于多個變量的采集要求。采集節點對井下作業區環境里存在的CH4，2O2等有害氣體，溫濕度等指數通過高精度氣體傳感器進行數據采集，各采集節點之間通過以太網將數據傳輸到上位機，減少了各采集節點之間的布設成本和拓撲復雜度，易于分布和擴展。上位機軟件將數據依托于評價模型對數據進行組態顯示，圖標呈現和智能評價。

2　監測系統

2.1硬件結構

?硬件部分由數據服務器、應用服務器、以太網數據采集模塊、傳感器、無線傳感網絡組成，如下圖1所示。選用的傳感器為4-20ma電流型，工作電壓10～24 V，以太網采集模塊選用8路模擬量輸入，采樣分辨率為16位，輸入類型支持4-20ma和0～5 V，工作電壓范圍9～24 V。傳感器和采集模塊較寬的工作電壓便于兩者可以使用同一電源作為輸入，減少設備集成的復雜度，模塊支持支持Modbus TCP，TCP/IP，UDP，HTTP，DHCP等多種協議，可適用于多種傳輸環境。

1）服務器負責將鏈接到網絡中的數據節點傳輸的實時數據進行壓縮、轉儲和分析。

2）以太網采集模塊下接各種類型傳感器，負責將接入的傳感器采集的數據實時發送到服務器。

（3）傳感器通過內部變送模塊將采集到的數值進行0-5V/ 4-20ma等信號標準的轉換，并將電信號提供給以太網采集模塊進行處理。

圖1　硬件總體結構

2.2軟件設計

礦井環境監測系統的開發工具為Mjcrosoft Vjsua1 Studjo，是美國微軟公司的開發工具包系列產品。Vjsua1 C# 2010（版本號：4.0）是微軟開發的一種面向對象的編程語言，它是為生成在.NET Framework上運行的多種應用程序而設計的。C#憑借它的許多創新，在保持C樣式語言的表示形式和優美的同時，實現了應用程序的快速開發。數據接口開發采用研華提供的ADAM. Net C1ass Ljbrary，ADAM. Net C1ass Ljbrary是研華基于ADAM系列采集模塊開發的二次接口組件，通過訪問組件函數可以方便的獲取相應采集模塊各通道上的數據以進行二次開發，可以方便的將有害氣體，溫濕度等數值顯示在自己開發的應用上。

軟件由接口控制模塊、數據采集模塊、地理信息模塊、綜合分析模塊、數據評價模塊和輔助控制模塊組成。接口控制模塊主要負責對各監測站下的采集節點參數進行統一配置和管理，如節點IP、節點TCP端口、輸入類型等。數據采集模塊作為通訊控制模塊，主要用于對網絡上的節點群進行配置，可視化的增加節點和刪除節點。地理信息模塊則負責將各監測站點以及監測站點下的采集節點的空間分布情況進行三維展示，將節點的空間結構給予直觀的展示。綜合分析模塊將采集到的實時數據或歷史數據的年均值、月均值、日均值、小時均值等變化情況利用甘特圖，曲線圖等圖表展示方式予以展示，清晰的顯示環境數據的變化量。環境評價模塊依據評價模型對采集到的各項環境指標進行標準評級。輔助控制模塊主要用于對數據指標超標的預警控制，如對井下的排風機繼電器的驅動和聲光報警等，支持互聯網和GPRS等方式發送報警數據和報警信號，其功能結構圖如圖2所示。

3　數據采集標準

3.1采集模塊

根據礦井環境的構成和特點，按照科學性、客觀性、系統性、可行性及可比性的原則，對人體影響最為重要的空氣環境質量、熱環境作為一級指標，具指標體系如表1所列。［3］可在煤礦的進風巷、回風巷、綜采區及大巷4個監測點監測，每天8點，10點，15點，16點半對每個監測點監測一次。

圖2　系統功能模塊圖

表1　礦井環境評介指標

這里采集用的是CH4有毒有害氣變送器，其采用現場氣體濃度液晶顯示；高精度、長壽命的電化學、紅外進口傳感器；適用于幾十種氣體檢測，可選擇顯示幾十種常見氣體名稱；氣體單位名稱PMM、%LEL、%VOL，可任意設定；程序運算采用了三位浮點技術，保證了運算的精度；在全量程范圍內任意設置上、下限報警點；布線簡單方便；強大的軟件設置支持，滿足客戶任意量程調整和目標點標定；2組常開無源觸點輸出，用于控制風機或電磁閥的交流接觸器；精巧的電源設計、精湛的防雷設計、純SMT元件貼片工藝，使得產品性能穩定；巧妙的結構設計，探測器接線免上螺絲，安裝極為簡便。

為防止相互干擾，氣體采集還用到了氧氣變送器，其利用O2在工作電極上發生的還原反應和陰極材料發生的相應還原反應產生電流，電流的大小和氧氣的濃度成正比，通過測試電流的大小即可判定氧氣濃度的大小。此傳感器低功耗、高精度和高靈敏度的特性，適合工業、礦下等領域中氧氣的檢測。

溫度采用KSW系列溫濕度傳感檢測儀，其傳感、變送一體化設計，適用于暖通級室內環境溫濕度測量。采用專用溫度補償電路和線性化處理電路。傳感器性能可靠、使用壽命長、響應速度快。多種型號滿足RoHS無鉛化要求。

上述產品測量數據標準（煤礦井下的實時測量儀器在檢測到井下氣體、溫度等超標時，會發出警報，并要求立即停產檢修、排氣，因此測量數據不存在超標現象）如表2所列［3］。

例如瓦斯爆炸，礦井瓦斯爆炸是一種熱---鏈式反應（也叫鏈鎖反應）。當爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源給予的熱能）后，反應分子的鏈即行斷裂，離解成兩個或兩個以上的游離基（也叫自由基）。這類游離基具有很大的化學活性，成為反應連續進行的活化中心。在適合的條件下，每一個游離基又可以進一步分解，再產生兩個或兩上以上的游離基。這樣循環不已，游離基越來越多，化學反應速度也越來越快，最后就可以發展為燃燒或爆炸式的氧化反應。所以，瓦斯爆炸就其本質來說，是一定濃度的甲烷和空氣中度作用下產生的激烈氧化反應［4］。

表1　《煤礦安全規程2012》中規定值

瓦斯爆炸的條件是：一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在瓦斯爆炸和充足的氧氣。方程式為CH4+2O2→CO2+2H2O條件點燃，預防需要先開窗，不能有明火或者任何火花。

基于使用S系列有毒有害氣體檢測儀，其計算公式為：

（量程最大-量程最?。?（當前測得電流值-4）/16+測量最小值=當前實際值

現在知道量程為（如表3所列）：

表1　甲烷量程

假定當前測得電流值為8mA

100%VOL=10000PPM，

（10 000-0）*（8-4）/16+4=3 504PPM

25 04/10 000=0.250 4=25.04%VOL

這樣可得氧氣含量大于20%VOL，是安全的，要是小于20%VOL就要停工通風。

溫度檢測如表5所示。

表1　溫濕度指標均值

溫濕度均在標準范圍內。

3.2采集節點通道寄存器存取測試

軟件通過IP地址訪問采集節點的方式來讀取采集節點各通道上的數據，通過對數據的工程量轉換，單位標準轉換等過程將數據顯示到軟件上，運行結果如圖3所示。

4　測試總結

實踐證明，具有爆炸危險性的氣體或蒸汽與空氣中的氧氣混合物濃度的爆炸極限，可通過經驗公式計算獲得［5］。當空氣中的氧氣濃度降低時，瓦斯爆炸界限隨之縮小，當氧氣濃度減少到12%以下時，瓦斯混合氣體即失去爆炸性。這一性質對井下密閉的火區有很大影響，在密閉的火區內往往積存大量瓦斯，且有火源存在，但因氧的濃度低，并不會發生爆炸。如果有新鮮空氣進入，氧氣濃度達到12%以上，就可能發生爆炸。因此，通過兩種氣體檢測儀和溫濕度檢測儀就可以對火區嚴加管理，在啟封火區時更應格外慎重，必須在火熄滅后才能啟封。

圖3　采集節點寄存器讀取

我們通過上述設備有能有效的預防瓦斯爆炸，采取有的效措施，防止瓦斯積聚和消除火源。

5　結論

由于礦井環境復雜惡劣等眾多因素的影響，本文采用了研華基于ADAM系列采集模塊的二次開發，在眾多的數據中，能夠在比較宏觀的層面上綜合考慮多項指標，并且弱化主觀因素在評價中造成的偏差的評價模型方法［6］。

分析考慮了井下環境的特點，以空氣質量和熱環境為一級評價指標，同時分析一級指標包含的多指標因素，并以此建立評價模型，應用結果與目前主要監測指標符合度較高。

評價模型用于礦井環境評價的結果表明，該評價方法合理、有效，豐富并改進了對井下評價的現在方法，為科學評價和分析井下環境提供了新的思路和方法。

參考文獻：

［1］高文玲.基于無線傳感器網絡的礦井環境監測系統研究［J］.網友世界，2012，8（229）：37-38.

［2］李金鳳，劉沁，張治國，等.基于無線傳感器網絡的礦井瓦斯監測系統［J］儀表技術與傳感器。2013，9（368）：73-76.

［3］王磊，陸剛，吳斌，等.煤礦井下環境馬田系統評價模型及應用［J］.礦山機械，2013，7（41）：138-141.

［4］徐梓銘，劉然，劉志堅.煤礦瓦斯爆炸的條件與預防措施［J］.煤炭科技，2007（3）：67-70.

［5］李潤之，司榮軍，張延松，等.煤礦瓦斯特性研究現狀及發展方向［J］.煤炭技術，2010，4（29）：4-6.

［6］環境保護部.HJ 663-2013環境空氣質量評價技術規范中國標準書號［S］.出版地不詳，2013.

Coal mlne envlronmental monltorlng system based on evaluatlon model

ZHENG Yu，MA Xjng-chun （Research and development center，Xinjiang Institute of Electronics Co. Ltd.，Urumqi 830013，China）

Abstract:because of the mjne envjronment js comp1ex，wjth bad and safe hjdden troub1e，to the underground staff brjng a 1ot of jnconvenjence. Now to the underground envjronment jnf1uencjng factors were ana1yzed，se1ect trusted jndex estab1jshment of coa1 mjne envjronment eva1uatjon mode1. System usjng the GIS geographjc jnformatjon techno1ogy，Advantech jndustrja1 data acqujsjtjon，wjre1ess communjcatjon，mode1 eva1uatjon，through the jnsta11atjon of Ethernet data acqujsjtjon node and sensor jn coa1 mjne envjronmenta1 monjtorjng pojnt，rea1-tjme ana1ysjs，usjng computer network techno1ogy and data center confjguratjon djsp1ay and data eva1uatjon，so that the user more jntujtjve for centra1jzed management and comprehensjve eva1uatjon on the djstrjbuted jn djfferent regjons of the data of monjtorjng pojnts. To prevent potentja1 safety hazard effectjve1y.

Key words:mjne envjronment；eva1uatjon mode1；monjtorjng system；Advantech；data acqujsjtjon

中圖分類號：TN312

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0157-03

收稿日期：2015-06-01稿件編號：201506003

基金項目：新疆維吾爾自治區科技型中小企業技術創新基金（2014531072）

作者簡介：鄭煜（1982—），女，新疆烏魯木齊人，軟件工程師。研究方向：軟件工程。