風光互補及無線傳輸在瓦斯管道監(jiān)測中的應用

路 萍

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

建立地面瓦斯抽采系統(tǒng)，對于煤礦的安全開采具有重要意義，不影響工作面回采，同時為礦井井下通風與抽采減輕了負擔， 消除安全生產(chǎn)隱患，提高了礦井生產(chǎn)能力。目前礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)大都采用有線形式，比如電纜或光纜。通常安全監(jiān)控系統(tǒng)組成部分包括監(jiān)控主機、交換機、分站、傳感器、傳輸電纜等。采用傳感器獲取現(xiàn)場各種信號，分站使用CAN、RS485、Profibus 等總線進行組網(wǎng)，實現(xiàn)信息采集、任務(wù)調(diào)度和實時監(jiān)控。通常煤礦自然條件復雜，布置有線監(jiān)控系統(tǒng)存在一定問題，需要長距離鋪設(shè)電源和通信電纜，維護、監(jiān)管需要消耗大量人力、物力，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性存在極大隱患。這種有線監(jiān)控方式對于地處偏僻的地面瓦斯抽采監(jiān)測而言，增加了供電裝置和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的安裝和維護成本。本文通過研究風光互補自供電和遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及設(shè)備，一方面借助自然資源，利用太陽能和風能發(fā)電為傳感器、流量計、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等直接本地供電；另一方面將采集測量的管道數(shù)據(jù)通過公共移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控中心接收處理和顯示遠程數(shù)據(jù)。利用這兩方面的技術(shù)和設(shè)備結(jié)合現(xiàn)有的各種傳感器、 環(huán)網(wǎng)平臺和監(jiān)控主機，形成有線、無線相結(jié)合的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，將地面瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時結(jié)合在一起，實現(xiàn)安全、有效統(tǒng)一管理監(jiān)控。

1 煤礦地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)

《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》在2016年由國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)，其中要求煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多元融合和信息共享。地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)是其中重要的子系統(tǒng)，實現(xiàn)瓦斯抽采計量中管道流量、管道濃度等數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸。地面瓦斯抽采監(jiān)測節(jié)點分布廣、范圍寬，通過自供電及無線通信結(jié)合現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)平臺和監(jiān)控主機，可形成有線、無線相結(jié)合的全網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，將礦井地面瓦斯抽采現(xiàn)場數(shù)據(jù)和其他監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時結(jié)合在一起，實現(xiàn)全礦井的安全、有效管理和監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of mine safety monitoring system

單個地面抽采監(jiān)測系統(tǒng)包括自供電源、管道甲烷、管道一氧化碳、管道流量計、數(shù)據(jù)采集單元和無線傳輸模塊等。自供電系統(tǒng)利用風能和太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過控制器控制調(diào)節(jié)，實現(xiàn)管道設(shè)備的自供電。進一步通過電源轉(zhuǎn)換模塊把非本安電源轉(zhuǎn)成本安電源供給管道設(shè)備。數(shù)據(jù)采集單元采集管道數(shù)據(jù)后通過GPRS 模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳， 中心站點接收無線遠傳數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后實現(xiàn)地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)和其他監(jiān)測系統(tǒng)的融合，如圖2所示。

圖2 地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Ground gas drainage monitoring system

2 風光互補供電系統(tǒng)

風力發(fā)電、光伏發(fā)電是可再生能源利用的兩種途徑。風光互補系統(tǒng)比單一風電或者光伏發(fā)電而言，抗壓能力和穩(wěn)定性更高，具有更高的效率。地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)處于比較偏遠的地區(qū)，具有利用太陽能和風能的有利條件。風光蓄電互補供電裝置整體結(jié)構(gòu)成熟，應用范圍廣，比如地處偏遠山區(qū)的隧道供電和通訊基站等，還有在大功率的發(fā)電系統(tǒng)和小功率的LED 照明領(lǐng)域成熟應用[1-5]。地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)應用于地面抽放管道，其中風光互補自供電系統(tǒng)包括風光互補控制器、 太陽能電池板、風力發(fā)電機和蓄電池等。

風光互補控制器是自供電調(diào)節(jié)的控制核心，利用MPPT 技術(shù)高效率地轉(zhuǎn)化風力發(fā)電機和太陽能電池所發(fā)出的電能， 還提供了強大的控制功能，比如太陽能電池防反沖和防反接， 蓄電池過充電保護、過放電保護、接反保護和開路保護，還有風機自動剎車等多種功能。圖3為風光互補供電系統(tǒng)原理框圖。

太陽能板和風力發(fā)電機產(chǎn)生電能一方面供給負載，另一方面對蓄電池充電，蓄電池充滿電后，控制器斷開太陽能和風機，控制蓄電池不被過充。當太陽能和風機的電不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能供給負載。控制器采用先進的功率跟蹤技術(shù)，簡稱MPPT（maximum power point tracking）技術(shù)，保證風能和太陽能的最高利用。采用MPPT 技術(shù)，控制器不斷調(diào)整太陽能板和風力發(fā)電機的工作點，使其一直工作在最大功率點（P=UI），使系統(tǒng)始終以最大功率對蓄電池進行充電。相比較傳統(tǒng)控制器比如恒流控制器等，效率低，蓄電池長期不能充滿，欠壓嚴重，從而影響蓄電池使用壽命，同時浪費了電池板電能。最大功率點跟蹤控制技術(shù)解決了這些實際應用中的缺陷，提高了系統(tǒng)性能[6-9]。

3 GPRS 無線傳輸

煤礦地面瓦斯抽采監(jiān)測點通常地理位置偏僻，距離煤礦安全監(jiān)控中心距離遠， 在部分多山的地區(qū)，還有山丘阻隔，交通不便。目前遠距離無線傳輸技術(shù)有GPRS、LoRa 擴頻、數(shù)傳電臺、網(wǎng)橋、衛(wèi)星通信和短波通信技術(shù)等，GPRS 無線傳輸技術(shù)應用成熟、廣泛，適用于煤礦瓦斯抽采監(jiān)測點數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

GPRS（general packet radio service）即通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是GSM 移動電話用戶的第二代移動通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件下的網(wǎng)絡(luò)情況可提供20～40 kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足煤礦瓦斯抽采監(jiān)測點數(shù)據(jù)的無線傳輸。本文采用的GPRS 無線傳輸模塊組網(wǎng)方式如圖4所示。

圖4 GPRS 組網(wǎng)方式Fig.4 GPRS networking mode

GPRS 遠程監(jiān)控由遠程監(jiān)控單節(jié)點模塊和監(jiān)控中心站點PC 機組成，它們通過網(wǎng)絡(luò)進行通信。單節(jié)點模塊上線后， 系統(tǒng)分配一個動態(tài)IP 給這個模塊，模塊根據(jù)中心站點的IP 地址將分配的動態(tài)IP 和自己的站點號報告給中心站點，中心站點在自己的存儲區(qū)中建立一個站點號和動態(tài)IP 的對照表即注冊表。如果是中心站點發(fā)起通信，首先中心站點查找注冊表，根據(jù)要通信的站點號找到單節(jié)點模塊的動態(tài)IP，根據(jù)動態(tài)IP 發(fā)起一次通信。如果是單節(jié)點模塊向中心站點發(fā)起一次通信，由于中心站點的IP 是已知的，根據(jù)中心站點的IP 直接發(fā)起一次通信就可以了，數(shù)據(jù)到達中心站點后，中心站點查找注冊表就能判斷哪個單節(jié)點發(fā)起的通信。由此，實現(xiàn)多個單節(jié)點與中心站點的雙向通信[10-12]。

4 實驗

搭建地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)，并與遠程中心站點實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)包括風光互補自供電源系統(tǒng)、管道甲烷傳感器、管道流量計、管道一氧化碳傳感器、數(shù)據(jù)采集單元和GPRS無線傳輸模塊等。地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)應用于安徽淮北礦業(yè)集團臨渙煤礦地面管道，系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)Fig.5 Ground gas drainage monitoring system

風光互補自供電源系統(tǒng)包括風光互補控制器、太陽能電池板、風力發(fā)電機和磷酸鐵鋰蓄電池。控制器支持風機額定功率最大可為600 W，支持蓄電池電壓12 V/24 V 自動識別，LCD 帶背光顯示，風機和太陽能獨立控制電路，穩(wěn)定性高。太陽能電池板型號為SFM-150，最大功率150 W，電壓18 V，采用兩塊電池板串聯(lián)。風力發(fā)電機選用300 W、 額定電壓24 V、額定電流12.5 A 永磁三相交流發(fā)電機，切入風速3 m/s，切出風速15 m/s。蓄電池選用磷酸鐵鋰電池組額定電壓24 V、充電電壓29.2 V、容量80 Ah，相比鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池組使用壽命長，安全可靠性更強。

管道激光甲烷傳感器、管道一氧化碳傳感器和管道流量傳感器由我院自主開發(fā)，采集抽放管道甲烷濃度、 一氧化碳濃度和管道內(nèi)瓦斯氣體流量數(shù)據(jù)，通過RS485 總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元具有5 寸液晶屏顯示和遙控操作，把采集的數(shù)據(jù)遠程無線傳輸?shù)街行恼军c，接入交換機工業(yè)環(huán)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)地面抽采管道數(shù)據(jù)與KJ90X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的融合。GPRS 無線傳輸模塊支持AT 指令，數(shù)據(jù)采集單元通過TTL 串口與其通訊，工作在115200 bps 速率，控制指令代碼如表1所示。

表1 GPRS 無線傳輸AT 指令Tab.1 Wireless transmission AT command

上位機電腦運行遠程無線數(shù)據(jù)采集軟件與無線模塊建立TCP/IP 鏈路， 接收無線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)， 寫入SQL Server 數(shù)據(jù)庫，KJ90X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫讀出傳感器等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)煤礦監(jiān)控中心實時監(jiān)測地面管道數(shù)據(jù)功能和數(shù)據(jù)上傳等功能，如圖6所示。

臨渙煤礦地處東部平原，太陽能和風能資源充足，地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，安裝和維護簡單，并可實現(xiàn)可拆卸重復利用，深受用戶歡迎。

5 結(jié)語

本文通過對風光互補供電技術(shù)和GPRS 無線傳輸技術(shù)的研究，探討了應用于煤礦地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)的過程。風光互補供電技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的本地供電，利用可再生資源，經(jīng)濟環(huán)保。同時采用GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)，避免了遠距離鋪設(shè)線纜，系統(tǒng)容量擴充簡單方便，節(jié)省安裝和維護成本。本文選用這兩種技術(shù)應用于地面瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)， 在供電、滿足本安要求、 通信穩(wěn)定性等方面進行了研究，確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行，為地面煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)應用提供了新的思路。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件Fig.6 Monitoring system upper computer software