礦井無線瓦斯監控系統的設計與應用

楊永江

山東萬祥礦業有限公司 山東濟南 271100

隨著煤礦開采向深部延伸，開采工作面瓦斯急涌的情況時有發生，極大程度危及到開采人員的生命安全，存在巨大的安全隱患。而且，隨著煤礦開采機械化程度的提高，單一瓦斯抽采技術已經不能滿足實際需要，綜合抽采技術成為必要選擇，也具備了良好地應用前景與技術優勢。

1 瓦斯監控系統的發展現狀分析

隨著煤礦企業對瓦斯監控系統需求的不斷增多，市場上的生產廠家也相應增多，有些生產廠家為了追求更大的市場份額，在設計系統時往往過于盲目，增加了很多產品功能，但是有些功能華而不實，不僅導致系統穩定性差，而且單一功能無法做到高精準操作，使得整個系統工作效率不高。隨著市場對瓦斯監控系統設備的大量需求，一些不良生產廠家為了提高生產量，會忽略對傳感器的出廠檢驗，檢驗過程形式化，導致一些傳感器根本不具備監測瓦斯的能力[1]。

2 系統功能性能要求

無線瓦斯監控系統能夠監測井下瓦斯的濃度、風速、采煤設備工作狀態參數；礦井內部分站既可以由主站控制，還可以獨立使用，配置觸摸屏顯示各類監測參數的實際值；選用的瓦斯傳感器能夠將監測得到的瓦斯濃度以數值的形式進行顯示，當出現瓦斯濃度超標時進行預警；瓦斯濃度標準值能夠通過軟件系統和井下分站觸摸屏進行人為設定和調整；完成實時采集得到的瓦斯濃度等數據的分析處理和存儲，數據保存時間可調整。系統要求瓦斯濃度檢測范圍在0-4%之間；測量誤差不大于0.2%；系統的總容量達到128臺分站設備；各個分站的I/O接口不少于16路；無線傳輸信號頻率為433MHz；有線傳輸信號頻率為20-1000Hz；數據傳輸的速率達到1200/2400bps；上位機采用RS485模式；最大傳輸距離為20km。

3 設計與應用

3.1 確保所有設備的正確安裝

①監控主機。監控主機分為主動機和備用機兩類，在安裝過程中要保證兩臺電腦的應用程序全部安裝，并且監控主機電源一定要保證常年開啟狀態，不能使用屏幕保護裝備，在主機安裝過程中也要輸入一些殺毒軟件，確保所有監測數據的準確與安全。②監控軟件。在安裝監控軟件時，一定要采用最新的軟件版本，如果出現系統軟件與分站協議相矛盾的情況，那么需要重新設置軟件系統中的參數。③井下通訊線纜。在安裝瓦斯監控系統的井下通訊設施時，一定要與動力線纜分離鋪設，可最大程度的避免信號干擾。如果在某些因素影響下使得通訊線路與動力線纜近距離鋪設，那么要保證距離大于30厘米。如果礦井中有變頻設備，那么需要對通訊線進行屏蔽保護，并檢測屏蔽效果，通訊線纜必須安裝緊實、穩定。④寬帶系統。在安裝寬帶系統時，不僅要保證電路安裝可靠，同時也需要在防爆交換機面箱中留喇叭口位置，當光纜從此位置進入交換機控制面箱時，需要使用卡線槽進行固定，同時利用熱束管對光纖進行保護。在連接光纖時，纏線方式需要按照“8”字形進行，并固定連接位置。如果安裝環境過于嚴寒，則可省略對光纖的張力檢測[2]。

3.2 系統硬件設計

無線傳感器硬件由單片機、瓦斯監測、顯示報警、紅外控制和RF輸出等模塊組成。系統中采用了4位發光數碼管顯示瓦斯傳感器的實測值，借助RF輸出模塊完成濃度信息的發送，工作過程中一旦出現瓦斯濃度超標情況，系統自動開啟報警電路進行報警。單片機作為無線傳感器系統的核心部件，支撐系統控制、數據轉換、通訊等所有功能的實現。選擇單片機的過程中不僅需要充分考慮使用環境，還要求單片機的外形尺寸小、集成度高、能耗低、運行速度快、I/O接口和通訊接口足夠、經濟性好、運行穩定可靠等因素。綜合以上要求選擇了MicroChip公司生產的單片機，型號為PIC16F877。瓦斯監控模塊設計涉及瓦斯傳感器的選擇，其對瓦斯監測系統的穩定性至關重要。當前用于瓦斯監測的傳感器包括催化傳感器、紅外傳感器和光纖傳感器3種。根據測量精度高、工作穩定性好、環境適應性強、防火防爆等要求，綜合考慮選擇了催化傳感器。因傳感器檢測信號等級僅為毫伏級別，不能直接輸送至A/D轉換模塊，中間設計了ICL7650運算放大器，運放電阻精度1/1000，精度足夠[3]。

3.3 上位機監控軟件設計

主監測模塊是系統上位機監控軟件的重要組成模塊，直觀地反映了瓦斯抽采管網的主要抽采狀況。數據曲線趨勢顯示界面包括實時數據顯示和歷史數據顯示兩個功能，可將各監測分點的瓦斯濃度信號、壓力信號、溫度信號、流量信號、CO濃度信號以動態曲線的形式顯示出來，便于監測分析。

4 結語

綜上所述，隨著煤炭開采環境的不斷復雜，瓦斯監控系統也有著越來越廣泛的應用，在系統的支持下，不僅可以在一定程度上提高開采安全性，同時也對工作人員的人身安全帶來重要保障。但是在瓦斯監控系統的深入應用中，也產生了一系列問題亟待解決，針對這些問題相關工作人員可以結合具體原因，優化監控系統應用措施，例如完善安裝程序、強化機房管理、做好井下通風等，確保瓦斯監控系統的最大應用。