4G無線智能終端在地面瓦斯抽采監測的應用

路 萍

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

煤礦地面井瓦斯抽采管網鋪設于野外空曠處，地理位置偏僻，距離煤礦安全監控中心距離遠，管線布線范圍廣，進行分布式系統監測實現了煤礦地面井瓦斯抽采系統的集中管控。地面井監測點應用風光互補供電及無線傳輸技術，避免了遠距離鋪設電源線及信號線線纜，節能環保，系統容量擴充簡單方便，節省安裝和維護成本[1-3]。在工業監控領域，無線數據傳輸設備一般基于GPRS，ZigBee，WiFi，藍牙，LoRa，NB-IoT 等無線網絡進行遠程數據傳輸。ZigBee，WiFi 及藍牙等屬于短距離通信技術，短距離通信技術功耗、成本均相對比較低，網絡鋪設簡單，便于操作。基于GPRS，LoRa 和NB-IoT 等無線技術的數據傳輸網絡，傳輸距離遠、可靠安全、覆蓋面廣、成本低，一般是滿足低速率數據通信的應用，不適合傳輸視頻數據。本文基于4G 無線聯網，適用于高速率的視頻數據傳輸，國家現階段鼓勵深化4G網絡覆蓋，4G 技術發展多年比較成熟，組網便捷，安全性和可靠性高[4-6]。本文利用4G 無線智能終端應用于地面井瓦斯抽采系統中，實現管道參數監測和防入侵環境安全監測，通過遠程數據交互，采集報警信號與實時視頻實現聯動功能，有利于節省4G流量，節省視頻數據存儲空間。

1 煤礦地面井瓦斯抽采監測系統

地面鉆井抽采瓦斯是在不影響工作面回采的情況下進行的，是瓦斯抽采方法的一種新途徑，為礦井井下通風與抽采減輕了負擔，消除了安全生產隱患，同時也提高了礦井生產能力[7-9]。

地面井瓦斯抽采監測系統設備供電由風光互補供電系統提供，風光蓄電互補供電裝置整體結構成熟，應用范圍廣。分布式地面抽采監測系統一方面實現瓦斯抽采管道參數采集和傳輸，另一方面實現現場環境安全防入侵監測。地面井瓦斯抽采監測系統如圖1 所示。

圖1 地面井瓦斯抽采監測系統Fig.1 Gas drainage monitoring system for surface wells

風光互補自供電系統包括控制器、風力發電機、太陽能電池板和蓄電池等組成。太陽能板和風力發電機產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。風光互補自供電系統整體效率高，抗壓能力和穩定性高，可以為現場設備提供穩定可靠的電源。

管道監控設備包含有瓦斯濃度傳感器、管道流量傳感器、本安液晶顯示屏等設備，實現瓦斯抽采計量中管道流量、管道濃度、管道壓力、管道溫度等數據的實時采集和傳輸，實時瓦斯抽采管道的安全性監測。

地面井瓦斯抽采管道架設于野外空曠處，地面井抽出的瓦斯濃度通常是高濃度瓦斯，為保障系統安全，管道周邊禁止煙火和非工作人員靠近。為方便監測現場環境、避免事故，安裝了防入侵監測設備，包括紅外微波探測器、門禁開關、報警主機和攝像儀。

紅外微波探測器和門禁開關輸出信號給報警主機。無線傳輸智能終端與報警主機、管道監控設備和風光互補自供電系統的控制器實現RS485 通訊，最后無線智能終端完成采集數據的實時無線遠程傳輸。無線傳輸智能終端與攝像儀之間通過以太網網口通訊，實現視頻圖像的無線傳輸。

2 無線智能終端遠程連接

隨著各種智能設備功能的提升，監控系統智能化要求越來越高，移動數據流量呈現爆炸式增長，這對傳輸數據速率也提出了更高的要求。4G 無線通訊技術在電子消費類領域、安防領域及一般工業過程控制領域已經比較成熟。無線傳輸智能終端種類繁多，本文選用的4G 無線傳輸智能終端不僅需要實現采集數據傳輸功能，同時還要實現實時視頻傳輸。經過市場調研，本文選用深圳宏電公司開發的一款H8504V20 無線智能終端進行無線傳輸。

H8504V20 無線智能終端具有高穩定性、高可靠性、低成本、無線通訊等核心優勢，基于4G 無線聯網，支持高清IPC 行業監控、有線無線網絡備份，組網便捷，適用于分布式的行業應用。H8504V20 無線智能終端采用高性能的工業級32 位通信處理器和工業級無線模塊，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐平臺，利用TD-LTE 或FDD-LTE 的4G 網絡實現無線長距離數據傳輸，與遠程公網服務器進行數據交互。

本文應用無線智能終端，一方面實現DTU 功能，采用全網通進行數據透傳，支持TCP 和UDP 兩種報文格式，多SOCKET 接口。遠程接收軟件與無線傳輸終端建立連接，接收地面井設備采集的管道數據和探測及門禁報警信號，通過寫入中心站SQLserver 數據庫，與煤礦中心站建立聯系，將礦井地面井瓦斯抽采現場數據和井下監控系統數據實時結合在一起，形成有線與無線相結合的瓦斯抽采監控系統，實現礦井瓦斯抽采的安全、有效監控。無線智能終端另一方面通過網口與網絡攝像儀進行連接，采集視頻信號后，通過4G 遠程傳輸到視頻服務器，視頻客戶端軟件通過視頻服務器獲取到地面井網絡攝像儀視頻圖像。無線智能終端遠程連接如圖2 所示。

圖2 無線智能終端遠程連接Fig.2 Remote connection of wireless intelligent terminal

3 系統應用

煤礦一般建有地面永久抽采系統和井下臨時抽采系統，為減輕礦井井下通風與抽采負擔，消除安全生產隱患，提高礦井生產能力，很多煤礦也會建立多個地面鉆井抽采點。本文針對地面井瓦斯抽采監測系統，應用風光互補供電和4G 無線智能終端遠程傳輸，實現地面井抽采數據的集中監控，現場試驗設備安裝如圖3 所示。

圖3 抽采監測點現場Fig.3 Site map of monitoring points for pumping

監控箱放置于監測平臺上，監控箱中包含蓄電池、風光互補控制器、澆封兼本安直流電源、PH24（E）本安型液晶顯示器、門禁開關和4G 無線智能終端等設備。抽放管道中安裝有瓦斯濃度傳感器和流量傳感器。平臺立柱上安裝了紅外微波探測器，在高處太陽能支架背面安裝了網絡攝像儀。

地面抽采監測點設備完成現場抽采管道瓦斯濃度、管道流量、管道壓力、管道溫度等管道參數采集以及風光互補自供電電源參數采集，同時完成防入侵監測的紅外微波探測信號、門禁信號和視頻信號的采集功能。現場設備參數通過4G 無線傳輸終端傳輸到遠程接收軟件。遠程接收軟件運行于具有公共IP 地址和端口的電腦上，與各個分布式地面抽采點之間進行數據收發。遠程接收軟件具有抽采點分組功能、報文顯示功能以及故障判斷識別功能，如圖4 所示。

圖4 遠程接收軟件Fig.4 Remote receiving software

遠程接收軟件與各煤礦監測中心數據庫完成交互操作，各煤礦監測中心通過瓦斯安全監控系統中心站軟件可以實時觀測到地面抽采點數據，并存儲以及打印歷史數據，用于煤礦瓦斯抽采量分析、瓦斯抽采狀況研究。瓦斯安全監控系統中心站軟件如圖5 所示，地面井參數分析曲線如圖6所示。

圖5 瓦斯安全監控系統中心站軟件Fig.5 Central station software of gas safety monitoring system

圖6 地面井監測參數分析Fig.6 Analysis of surface well monitoring parameters

現場網絡攝像儀具有紅外夜視功能，網絡攝像儀傳輸視頻數據到無線終端設備，無線終端設備內部插有64 G CF 卡，全天24 h 循環錄制現場視頻。同時視頻信號通過4G 無線傳輸終端傳輸到遠程視頻服務器，各煤礦運行客戶端軟件與遠程視頻服務器通訊，實現現場圖像的實時監控。視頻客戶端軟件具有遠程控制攝像儀上電和斷電、錄制視頻、預覽視頻以及聯動控制功能。

地面井設備采集管道參數和防入侵報警信號，攝像儀視頻信號采用全天24 h 不間斷采集，如果全部實時遠程傳輸，數據量比較大，為節省流量，需要考慮視頻傳輸的閉環控制系統，即采用紅外微波探測信號和門禁開關信號進行遠程控制視頻傳輸，實現報警信號與視頻傳輸的聯動功能。當紅外微波探測信號報警或者門禁開關信號報警，視頻客戶端自動進行視頻錄制。紅外微波探測器探測到有人員入侵，發出報警信號。設備監控箱內部安裝了門禁開關，正常運行狀態下，監控箱門是關閉狀態，當有人入侵，打開了監控箱門，門禁開關由常閉狀態轉換為常開狀態，實現狀態反轉并報警。報警信號通過無線智能終端傳輸到遠程接收軟件，再通過中心站與視頻客戶端軟件通訊。視頻客戶端軟件讀取這兩種報警信號，依據現場報警信號實現視頻自動傳輸及錄像。當錄像10 min 后，再次檢測是否還存在報警信號，如果無報警信號產生，客戶端軟件停止視頻傳輸及錄像功能，如果再次檢測到報警信號，客戶端軟件將繼續進行視頻傳輸及錄像功能。視頻客戶端軟件如圖7 所示。

圖7 視頻客戶端軟件Fig.7 Video client software

4 結語

本文利用4G 無線智能終端實現地面井瓦斯抽采監測中管道參數、防入侵環境安全參數及視頻信號的無線傳輸，通過遠程接收軟件、中心站軟件、視頻服務器軟件及客戶端軟件實現地面井監測參數中心站顯示、查詢以及遠程報警信號和視頻信號的聯動功能，實現視頻閉環控制，節省數據流量和視頻存儲空間。本文實現的監測方法在淮北集團臨渙煤礦地面井瓦斯抽采監測系統進行了工業性試驗，系統運行安全、穩定、可靠。4G 無線智能終端應用于地面井瓦斯抽采監測系統有力推進了抽采信息化進步，促進了信息化融合技術在煤礦企業的應用。