基于信息技術的煤礦綜合自動化實時監測系統設計

王 浩，王亞棟，賈俊偉，史友慶，賈燦燦

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

煤炭資源的消耗量一直占總能源消耗極大的比重，而每年煤礦開采過程中的安全事故也頻繁發生。據不完全統計，近1 a 時間，僅上半年發生的煤礦事故就超過50 起，造成了百人以上的傷亡。因此，針對煤礦的綜合自動化監測系統的研究對于降低煤礦安全事故而言具有十分重要的現實意義。基于此，相關領域研究人員針對這一問題，開展了深入探究，并設計出了針對煤礦安全事故的監測系統[1]。但當前，大部分的煤礦監測系統無法實現自動化運行，并且獲取到的監測數據也存在著時效性差的問題，嚴重影響著煤礦產業的安全發展。同時，在現有工業監控網絡當中，煤礦監測系統在對監測數據的共享和利用等方面仍然存在較大缺陷，并且系統在運行的過程中，各個單元結構都是相互獨立的，無法實現協調運行。在實際開展煤礦開采的過程中，需要能夠實現對煤礦監測數據進行綜合利用的監測系統[2]。信息技術是一種用于管理和處理信息數據的各類技術總稱，當前信息技術在計算機領域、科學領域以及通信領域當中的應用十分廣泛。選擇合理的信息技術進行實際應用，能夠實現對信息數據更好的處理，并在一定程度上達到更好的效果。因此，綜合信息技術的應用優勢，在實現對信息技術合理選擇的同時，開展對煤礦綜合自動化實時監測系統設計研究。

1 系統硬件設計

由于煤礦開采環境較為特殊，因此，綜合考慮到監測系統的運行需要，在結合信息技術的基礎上，將監測系統按照信息采集電路、各個監測分站、CAN 總線、監測主站以及上位機的結構進行組合，并得到如圖1 所示的設計方案。

圖1 基于信息技術的監測系統設計方案Fig.1 Design scheme of monitoring system based on information technology

此文將用于對煤礦監測數據進行采集的傳感器和識別裝置與各個監測分站進行連接，實現對煤礦監測數據以及射頻識別信號的人員位置信息傳輸到各個監測分站當中，并對其進行處理，將所有獲取到的監測數據與事先設置的預測數值進行比較，從而對其是否超限進行判斷，實現對煤礦開采現場的安全報警[3]。根據上述系統的整個運行過程，首先從硬件層面，對其RFID 讀寫器和傳感器裝置進行選型設計。

1.1 RFID 讀寫器選型設計

RFID 讀寫器主要用于對監測信息數據進行無線射頻識別的裝置，通過射頻識別信號傳輸的方式，利用RFID 讀寫器實現對目標監測數據的獲取。在這一過程中，引入RFID 讀寫器后，不需要通過人工干預的方式，即可實現對數據更加快速的識別和獲取，方便為后續煤礦安全事故發生時作出更快、更及時的報警提供更可靠的數據依據[4]。針對本文監測系統的應用性能以及運行環境需要，此文選擇C72UHF165-40 型號的智能讀寫器，該型號RFID 讀寫器與同功能裝置相比具有超高頻讀寫效果，能夠滿足更高強度的煤礦監測系統應用需要。C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器具備8000 mAh 大容量電池，可實現4 G 全網通/雙頻WIFI條件下的通信需要，攝像頭像素為1300 萬高清，同時裝置本身具備5.2" IPS 高清大屏能夠實現對監測信息數據的可視化。除此之外，C72UHF165-40型號RFID 讀寫器具備強勁UHF 讀寫（Impinj E710/R2000） 功能、條碼掃描功能、全功能NFC功能、虹膜識別功能等。由于C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器具備支持圓極化4 dBi 天線的功能，因此在進行識別時不需要對被識別對象標簽進行調整，可實現更寬廣的掃描范圍以及更長距離的掃描[5]。在實際應用到煤礦綜合實時監測當中實現更加靈活的應用效果，同時這一特點也使得該裝置具備了超900 標簽/s 的群讀速率，能夠為監測系統運行效率提供更有力的保障。

1.2 傳感器裝置選型設計

為實現對煤礦綜合自動化實時監測，引入的傳感器裝置包括針對煙霧數據信息、溫濕度數據信息、CO 含量數據信息以及CH4含量數據信息進行采集的傳感器。由于需要進行采集的數據信息種類較多，因此綜合考慮后，選用Z3N 系列傳感器，根據不同監測數據的需要，對該系列當中不同功能傳感器進行選型設計，并將其各個型號傳感器的應用性能指標繪制成表1。

表1 多種監測數據采集傳感器應用性能指標記錄Table 1 Application performance index record of multiple monitoring data acquisition sensors

結合表1 中的內容，完成對多種監測信息數據的傳感器選擇后，將各個傳感器與對應的監測分站進行連接。通過監測系統當中的STM546-550 型號單片機微控制器對所有傳感器進行運行控制[6]。對于煤礦綜合監測現場的各個傳感器進行布置時，可按照如下方案完成：首先，針對氣敏傳感器（Z3N-46530 傳感器、Z3N-56501 傳感器和Z3N-34420傳感器） 應當將其安裝在煤礦開采的巷道、回采區域和工作面等各個工作區域當中；其次，溫濕度傳感器（Z3N-98620 傳感器和Z3N-46501 傳感器）安裝在煤礦開采工作面以及煤礦各個關鍵點上，實現對煤礦的實時監測。

2 系統軟件設計

2.1 基于信息技術的被監測對象標簽自動化實時定位

在上述硬件條件的基礎上，為實現對煤礦環境中各項可能影響煤礦安全事故發生的信息進行監測，結合RFID 標簽和信息技術以及上述硬件中選擇的C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器，完成對被監測對象標簽自動化實時定位[7]。在進行煤礦生產作業的過程中，用戶可攜帶存儲著對應編碼信息的被監測標簽，通過C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器根據已知位置的信息對被監測對象的標簽進行定位。在定位過程中，引入信息技術當中的LANDM ARC 算法實現待定位被監測對象標簽和參考標簽的RSSI 值，并通過歐幾里得計算得出2 個標簽的位置距離，其計算公式為：

式中：E為待定位被監測對象標簽位置與已知位置的標簽位置之間的距離；R 為C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器數量；Sm為第m 個已知位置標簽在讀寫器裝置當中的RSSI 值；Sn為第n 個未知定位位置的被監測對象標簽在讀寫器裝置當中的RSSI 值。

根據上述公式計算可以更加準確地獲取到被監測對象的位置信息，從而實現對其運行情況的初步監測。同時，在定位過程中，綜合上述論述可知，此文選用的C72UHF165-40 型號RFID 讀寫器能夠良好的適應煤礦復雜的生產作業環境，可實現對環境中干擾信號的抵御，因此獲取到的定位信息數據可靠性更高，在對信息數據進行傳輸時，其穩定性也更加理想。

2.2 煤礦地層控制設備綜合設置與監測管理

完成對標簽的定位后，將進行煤礦地層控制設備在區域內位置設置。在此過程中，對于設備控制子端，考慮到原有的通訊模塊需要進行各組態軟件的接入，因此，需要在布置此設備時，定位設備通訊端的子網掩碼與IP 地址，將相關信息下載到PLC 終端，通過對信息的集中分析，進行OPC 數據的集成，以此種方式，確保對設備位置初步判定的準確性[8]。對于此過程中無法識別PLC 的設備而言，可以采用對其進行串口設置的方式，進行通信端與服務器端的對接，采用集中控制的方式，進行設備之間的互聯與通信，確保通信狀態保持良好后，進行控制設備的對接，確保監控設備在地層中安裝位置可以滿足監測需求。

完成對控制設備的安裝后，使用系統中網絡傳輸層，進行底層設備的監測管理。為了確保監測結果符合要求，在此過程中，使用防爆交換機作為軟件監控的主要設備，對接交換機與OPC 服務端，進行數據通信產生信息的統一管理。在此基礎上，通過登錄系統交換機的方式，在終端Web 界面進行MAC 地址的獲取，定位網絡中不同節點的連接方式，根據節點的連接進行故障的診斷與識別，對于此時發生的故障，可采用調節故障節點的方式，進行系統停運時間的控制。綜上所述，通過對上述過程中地址信息與節點信息的獲取，實現對煤礦綜合自動化的實施監控，并通過對獲取信息的集中導入與導出、PLC 型號的匹配與IP 地址調用，實現對監控信息的有效管理。以此種方式，實現對系統軟件功能的完善，完成對實時監控系統的開發。

根據上述論述實現對煤礦地層控制設備綜合設置與監測管理后，為了進一步提高煤礦生產作業的安全，引入報警機制，針對監測過程中出現的參數超過事先設置限制范圍的問題進行及時報警。將煤礦生產作業的每一個區域采集模擬量準確變為上位機能夠識別的數字量，并通過CAN 總線將獲取到的監測數據上傳到上位機當中，將收到的數據進行解析處理后，在顯示器當中顯示，并對該數據是否在預設參數范圍內進行判斷，若在這一范圍內，則不發出報警信號；若不在這一范圍內，則發出報警信號。

3 對比實驗

通過以上論述，在完成對監測系統的理論設計后，將該系統與傳統基于ZigBee 技術的監測系統應用到晉城市華寧天晟機電設備有限公司生產的煤礦自動化監測裝置當中，并針對煤礦生產過程中的各項控制內容進行監測。為了實現實驗結果的可比較性，選擇將此文設計的基于信息技術的監測系統與傳統基于物聯網的監測系統應用到煤礦綜合作業環境當中，通過比較2 種系統的實際應用情況，實現對其應用性能對比。為了實現對真實煤礦作業環境的模擬，選擇利用頻率干擾裝置對2 種監測系統在進行監測數據傳輸過程中施加干擾條件，已知頻率干擾裝置的運行頻率在80 ～110 MHz，增益大于或等于2.58 db，帶寬大于或等于2.5 Mhz。在實驗過程中，選擇5 臺上位機裝置配合2 種監測系統完成運行，將5 臺上位機看作5 個監測分站，其中1臺上位機用于對各個傳感器采集到的數據信息進行上傳；1 臺用于為2 種監測系統提供數據發送請求；1 臺用于為2 種監測系統的數據庫提供運行服務條件。1 臺用于實現對各類數據的實時監測；1臺用于實現對煤礦現場安全事故問題的遠程監測與報警。為了實現對2 種監測系統在相同復雜環境中運行的效果，選擇將監測過程中的信號傳輸頻率作為評價指標，記錄60 min 以內，2 種監測系統運行時的信號傳輸頻率變化幅度實現對監測系統運行穩定性的驗證，將2 種檢測系統實驗結果記錄見表2。

表2 兩種監測系統實驗結果記錄表Table 2 Records of experimental results of two monitoring systems

表2 中κ 表示為信號傳輸頻率曲線變化幅度偏差數值；τ 值表示為信號傳輸頻率；κ1 表示為本文提出的基于信息技術的監測系統；κ2 表示為傳統基于物聯網的監測系統。從表2 中記錄的實驗數據可以看出，本文設計的基于信息技術的監測系統監測過程中信號傳輸頻率均未超過623.3 ～623.7 MHz，而傳統基于物聯網的監測系統由于受到煤礦運行環境中干擾信號的影響，其信號傳輸頻率呈現出沒有規律的變化，且波動幅度較大，最終造成κ1 始終小于κ2 的實驗結果產生。因此，通過上述得出的實驗結果能夠證明，本文提出的基于信息技術的監測系統在實際運行過程中信號傳輸頻率穩定，監測系統的運行具有極高的穩定性，同時也能夠在運行過程中進一步提高監測數據采集、傳輸和記錄的精度，實現對煤礦現場監測數據的高精度監測。

4 結語

綜合此文上述論述，在結合信息技術應用優勢的基礎上，提出一種全新的監測系統，并通過實驗的方法證明了該系統的應用性能。在設計過程中，將信息技術作為核心，針對煤礦生產作業環境中的環境信息和各個被監測對象的位置進行實時監測，并能夠根據監測到的數據信息實現對煤礦安全事故的及時報警，從而進一步提高煤礦生產作業的安全性。在后續的研究當中，還將進一步引入更多的信息技術，對監測系統進行不斷優化，實現對煤礦生產作業的動態監測，在提升本文監測系統應用適應性同時，也起到提升煤礦作業安全系數的效果。