基于WIFI通信技術的礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)設計應用*

劉 杰

(山煤國際能源集團股份有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

井下開采環(huán)境比較復雜，礦山開采通常會有粉塵和伴隨著圍巖中散發(fā)出的有毒有害氣體，比如常見的有CO、CH4、CO2以及H2S等氣體，某些氣體遇到明火非常容易引發(fā)爆炸。據(jù)2020年有關資料統(tǒng)計，全國范圍內(nèi)共發(fā)生礦山事故達到434起，死亡人數(shù)超過500多人，煤礦事故共有122起，死亡人數(shù)達到225人，其中有很大程度上是由于礦井通風檢測不到位引發(fā)的事故，礦井保證良好的通風至關重要，礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)的設計創(chuàng)新具有重要意義。

目前礦井通風檢測主要采用傳統(tǒng)的檢測方式，由人工手動操作測風儀測量通風口處采集信號，通過傳感器檢測風口處某些有毒有害氣體的含量，伴隨著風量的改變，檢測到的數(shù)據(jù)往往波動比較大，無法實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測。筆者采用WiFi通信技術和傳感器檢測技術相結(jié)合，設計了一套礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)，對采集到的信號實現(xiàn)實時發(fā)送和接收，可達到對礦井通風的動態(tài)智能監(jiān)測，通風系統(tǒng)出現(xiàn)的任何異常可隨時報警，能有效避免事故的發(fā)生，保證生產(chǎn)過程中人員和設備的安全。

1 礦井通風檢測系統(tǒng)總體方案設計

礦井通風系統(tǒng)是聯(lián)系井下與地面的通道，是保證煤礦井下空氣流通的主通風道，圖1所示為礦井通風系統(tǒng)原理圖，氣流從風井下流出進入主通風道，隨后通過上下兩道風門進入風機，最后將氣流擴展出去。根據(jù)目前礦井通風系統(tǒng)的布置方案和組織形式設計通風監(jiān)測系統(tǒng)，首先需要滿足對不同風量的監(jiān)測，需要滿足礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)的相關要求。

圖1 礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

眾所周知，礦井下工況比較復雜，常見的有潮濕、多塵、電磁干擾較強、振動噪聲大、空間狹小、監(jiān)測通信技術受環(huán)境限制比較嚴重，所以礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)設計需要滿足如下礦井下復雜的監(jiān)測環(huán)境：①為適應井下多塵、潮濕、振動噪聲較大、存在有毒有害氣體等惡劣工況，需要礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)具有防塵、防潮、防機械沖擊、防爆性能要好等特點；②井下電磁干擾嚴重。要求礦井通風監(jiān)測設備具有較高的防電磁干擾的能力；③網(wǎng)絡傳輸條件。由于礦井下巷道四通八達，布置分散，距離較遠，要求設計的WiFi通信系統(tǒng)能保證信號傳輸較遠的距離。圖2所示為礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡通信系統(tǒng)原理圖。

圖2 礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)原理圖

礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)整體上主要由信號采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和分析處理系統(tǒng)三個部分組成，信號的采集主要由各種傳感器，模仿人的感官從外部環(huán)境中獲取信息，常見的傳感器主要有CO傳感器、CH4傳感器和H2S傳感器等。首先通過現(xiàn)場對環(huán)境參數(shù)信息的采集，隨后上傳到PLC控制器中，通過PLC控制器進行處理和分析對比，從而控制變頻器對風機進行變頻控制，其中PLC內(nèi)部通過設計編程實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集后的分析和處理，控制器是對通風監(jiān)控系統(tǒng)的人機接口，包括上位機，主要是用于顯示礦井通風系統(tǒng)的參數(shù)信息，并且根據(jù)實際需求輸入可控參數(shù)的精度，與PLC控制器進行交互和通訊，可以顯示更加清晰直觀的現(xiàn)場圖像，并實時存儲。

2 WiFi通信技術與控制系統(tǒng)

WiFi通信技術是目前國內(nèi)在智能移動終端普遍使用的一種無線網(wǎng)絡傳輸技術，具有運行速度快、覆蓋面積大和適用范圍廣的特點，但對于礦井下復雜多變的工況下，在礦井下使用WiFi通信技術的案例并不多，主要原因是礦井下的環(huán)境比較惡劣，WiFi通信受限。目前隨著智能化綜采技術的發(fā)展，礦井下開始嘗試使用WiFi通信技術實現(xiàn)對采煤工作面的智能化控制和監(jiān)管，包括智慧礦山建設，無人化開采等，隨著WiFi 通信技術越來越先進，將WiFi通信技術應用于礦井環(huán)境的監(jiān)測是未來發(fā)展的主要趨勢。

WiFi網(wǎng)絡的系統(tǒng)組建：首先WiFi是由AP和無線網(wǎng)卡共同組成，AP是作為接入點，是連接有限局域網(wǎng)以及無線網(wǎng)的通道，通過有線寬帶網(wǎng)絡進入礦井下后，由無線路由AP將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線信號，所以在礦井下需要建設多個無線基站，實現(xiàn)設備與設備之間，設備和基站之間進行互聯(lián)。WiFi通信在礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)的設計中主要體現(xiàn)在無線通訊與控制系統(tǒng)PLC的連接，文中設計的礦井通風檢測系統(tǒng)采用西門子S7系列的PLC，PLC本身可以擴展無線通訊模塊，配置相應的硬件組態(tài)，設置好IP地址后就可以實現(xiàn)WiFi通訊，通過HMI端實現(xiàn)對PLC的遠程控制，通過上位機端對PLC進行修改程序，當發(fā)生故障時可以通過遠程進行故障診斷和處理，大大節(jié)省維修時間，處理更加高效。

3 礦井通風檢測系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)設計及應用

礦井通風監(jiān)控系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)主要由一系列的檢測傳感器、變頻器、電量模塊、PLC控制模塊等組成，其中在電量模塊采用的是雙電量模塊、雙風量監(jiān)測模塊，實現(xiàn)獨立雙電源供電，實際進行供電過程中可實現(xiàn)互鎖，其中供電模塊包括變壓器、控制柜進線、低壓配電柜、變頻柜和電源模塊等。對于井下復雜的工況而言，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行，采用的是目前比較成熟的PLC控制系統(tǒng)，選型為西門子S7-1200PLC，有較多的輸入和輸出接口，能夠滿足實際需求。礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)變頻器選用ABB 變頻器，型號為 ACS800-04P，這種類型的變頻器已經(jīng)廣泛應用在井下電控系統(tǒng)中，功能全面，編程比較靈活，能夠滿足大功率的風機應用。

礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序主要是通過采用西門子專用的編程環(huán)境STEP 7-MicroWIN SMART編寫控制系統(tǒng)程序，采用模塊化編程設計，將各個功能模塊編寫為程序塊，便于隨時取用和程序系統(tǒng)的維護修改。上位機開發(fā)采用目前比較常用的組態(tài)軟件進行開發(fā)設計，上位機的開發(fā)流程如圖3所示。上位機軟件采用的是工業(yè)用以太環(huán)網(wǎng)的形式進行通訊，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是進行監(jiān)控的基礎組成部分，其中建立的PLC寄存器地址以及變量點的關聯(lián)是根據(jù)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的核心任務，將PLC傳輸來的信號進行存儲。

圖3 軟件開發(fā)流程圖

礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)的軟件界面分為不同的顯示區(qū)域，其中包括了監(jiān)控主界面、系統(tǒng)控制界面、生成報表界面、故障顯示界面以及用戶管理和登錄界面等，通過系統(tǒng)化人性化的界面設計，可以實現(xiàn)更好的交互，實時獲取通風監(jiān)測信息，并及時發(fā)現(xiàn)故障進行維修和處理。

利用LabVIEW 開發(fā)了礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)的HMI人機交互界面，如圖4所示。其中包括了對溫度、濕度、風速等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，通過對井下各個傳感器進行編號處理可以快速進行定位，從圖中的數(shù)據(jù)變化曲線可以看出溫度的變化情況。

圖4 礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

采用 LabVIEW 編寫地下礦通風系統(tǒng)監(jiān)測界面，顯示信息直觀、豐富；量程和單位可以根據(jù)需要進行修改，根據(jù)實際需要設置每隔一定時間循環(huán)監(jiān)測各傳感器。此外可以對風機的性能進行監(jiān)測，主要監(jiān)測風機的各種運行參數(shù)，包括對風機的全壓、靜壓的檢測等，通過LabVIEW界面可以顯示監(jiān)測到的曲線圖像，如圖4所示。

通過檢測應用，此礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)在上位機中可動態(tài)顯示有毒有害氣體濃度情況，識別空氣中有毒有害氣體濃度的精度較高，并通過曲線形式呈現(xiàn)空氣中CH4的濃度變化，根據(jù)設定的安全警戒線，通過WiFi通信系統(tǒng)在上位機中展示井下采集到的環(huán)境參數(shù)，一旦空氣中有毒有害氣體濃度超標，及時自動報警并提示處理，達到了比較好的監(jiān)測效果。

4 結(jié) 語

礦井的通風對于保證礦井安全生產(chǎn)至關重要。設計了一種基于WiFi通信技術的礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)，通過對軟硬件系統(tǒng)進行設計，并利用LabVIEW 開發(fā)了友好的HMI人機交互界面，可以實現(xiàn)井下采集到數(shù)據(jù)的高清可視化顯示，實時查看井下風機的工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)變化，通過實驗室模擬現(xiàn)場表明采用這套監(jiān)測系統(tǒng)可以準確識別CO、CO2的含量及有毒有害氣體的變化趨勢，監(jiān)測效果良好，能及時有效避免事故發(fā)生，保證安全生產(chǎn)正常開展。