浅谈对煤矿瓦斯监控系统传输方式的改造

【摘 要】本文对有线煤矿监控系统存在问题进行了分析，对其有线方式进行了改造设计，并提出了具体布置方案。

【关键词】监控系统 传输方式 改造

中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009914X（2013）3534801

引言

煤矿监控系统在防止煤矿瓦斯爆炸事故中发挥着重要作用。它能为煤矿瓦斯监控提供了良好的技术保障，为指挥生产提供第一手资料。但目前我国的煤矿瓦斯监控系统都是基于电缆等有线形式的，由于煤矿的自然条件非常复杂，开采条件也极端多变，存在着大量难以布置有线监控监测系统的地区，而且有线监控系统通信链路容易受现场环境影响，无法对井下的瓦斯浓度进行全面有效的监测，不能为矿井安全生产管理提供客观、及时和准确的依据，给安全生产带来了极大的隐患，因此，对监控系统有线传输形式进行改造设计，才适应煤矿井下复杂的现场环境，才能提高煤矿安全生产保障能力。

一、有线监控系统结构及应用弊端分析

我国煤矿监控系统中常见的有KJ4、KJl0、KJ80、KJ95、KJ90、KJ66、KJl01、KJ2000等，都采用用“主机（监控）-主站一分站一传感器”系结构。

传感器及执行机构：传感器将被测量的物理量转换为电信号，经3芯4芯矿用电缆与分站相连，并具有现实和声光报警功能，执行机构（含声光及显示设备）将控制信号转换为被控物理量，使用矿用电缆与分站相连。

主站：接收分站远距离发送的信号，并送主机处理；接收主机信号，并送响应分站。主站（或传输接口）主要完成地面非本质安全型电气设备与井下本质安全型电气设备的隔离，还具有控制分站的发送与接收、多路复用信号的调制与解调、系统自检等功能。

分站：煤矿安全监控系统中用于接收来自传感器的信号，并按预先约定的复用方式远距离传输接口，同时接收来自传输接口多路复用信号德尔装置。分站还具有线性校正、超限判别、逻辑运算等简单的数据处理能力，对传感器输入的信号和传输接口传输的信号进行处理，控制执行器工作。

监控主机：一般选用工控微型计算机或普通微型计算机、双机或多机备份，主机主要用来接收监测信号、校正、报警判别、数据统计、磁盘存储、显示、声光报警、人机对话、输出控制、控制打印输出、多屏幕判别等。

监控主机放置在地面，主站布置在井下中央变电所、监控分站、传感器及断电执行机构布置在掘进巷中，连接情况如图所示，传感器、断电执行机构都与分站相连，分站将数据通过主站传给监控主机，监控主机在巡检周期内不断地扫描上传数据，当掘进工作面瓦斯超限时，监控主机根据设定的限值进行判断，向分站发出断电指令，分站通过执行机构将掘进工作面配电电馈电开关关闭，停止工作面设备供电，从而避免事故扩大。

瓦斯监控分站至传感器部分是监控“肢体”，是直接对现场进行“监测和控制”的部分，也是系统移动最频繁的部分，但在生产过程中，因井下现场环境的变化，会遇到的问题：1、有线监控系统布线困难，监测范围小，传输距离不能灵活扩展2、“长距离”传感器接线电阻过大，传感器无法正常工作

因此，如果对现有监控系统的有线传输形式进行改造，将监控系统频繁移动的部分改造为无线传输形式，将能克服以上问题。

二、监控系统传输形式分布及设计

根据煤矿的地形，可以将煤矿分为开采区和巷道区。巷道区又可以分为主巷道和支巷道。在各个主巷道区域，地形比较开阔，方便布线，可以架设有线网。对于较为开阔地带的敏感区域瓦斯监控，采用有线监控分站的模式，对于狭长的支巷道和开采区（掘进面或回采工作面两巷）采用无线传感器网络，各个无线传感器节点分布在巷道两侧，对周围的环境参数及工况信息进行采集，并按照一定的通信协议在无线传感器网络中传输，通过监控分站传给监控主机。

为了满足煤矿支巷道（掘进工作面或回采工作面两巷）的实际监控监测需求，根据煤矿支巷道的地形特点，本文采用分簇式链状的瓦斯监测无线传感器网络系统，即层次型系统。

层次型无线传感器网络根据无线监测节点距离的远近划分成簇，每个簇单元由相互靠近的无线节点组成.普通簇节点或端节点负责对瓦斯浓度进行监测；簇首节点则主要负责协调和收集簇内节点的工作状态和所监测的数据，并通过簇首转发的形式汇聚到协调器节点；协调器节点与有线监控系统相联，通过有线网将本网络采集到的瓦斯浓度信息发送到地面上位机。分簇式链状的拓扑结构适应了矿井支巷道地形狭长的特点。根据煤矿巷道的实际情况和对煤矿瓦斯监测的具体需求，端节点和簇首节点可采用人工的方式进行灵活的配置，同时根据变化的监测需求还可随时进行簇的增减，进而实现对煤矿瓦斯参数的无缝监测。

三、无线传输网络监控系统设计方案

在KJ有线监控系统基础上，对其数据监测及控制部分进行改造，设计改造主要包括：分站，传感器、控制机构及其之间的传输方式。监控主机、主站保持不变及其之间的有线传输方式不变。

经改造后的系统有以下设备组成，协调器、簇首、终端设备（传感器、开关控制节点）、监控主机、主站。

1）协调器：在本系统中，监控分站功能由协调器来完成，协调器不仅负责对整个网络的组织、协调与管理，发送广播命令，向监控主机传送网络数据，转发监控机命令等。

2）簇首：簇首节点负责对本簇内节端点信息进行收集，并转发其它簇首节点信息，并具有组网功能，以接收新节点的加入。

3）终端设备：本系统中，终端节点包括两类：传感器节点和开关控制节点。

① 传感器节点分布在簇首节点周围，主要用来检测矿井环境瓦斯浓度浓度参数，然后将数字量编码，使用处理器模块进行存储、处理，再通过模块无线发送。

② 开关控制节点装设在工作面临时配电点（对于掘进工作面装设在临时配电点，采煤工作面装设在采区变电所），当地面上位机判断出井下某个地点瓦斯超限时，立即通过无线网络向开关控制节点发出断电及闭锁命令，开关控制节点通过矿用断电仪动作来使馈电开关断开，实现瓦斯电闭锁，进而避免事故发生。

4）监控主机及主站

在本系统中，监控主机在软件上除了在网络参数设置方面与有线监控系统不同之外，工作流程及功能基本相同，主站功能保持不变。

四、经改造后的监控系统的优点及存在问题

（1）优点

1）传感器节点根据监测需要布置在巷道周围，实现多点监测，还可以让工人或管理人员随身携带，实现移动监测，增加了系统的监测范围。

2）选用分簇型链状网络结构，传输距离扩展灵活，随着巷道的快速掘进或者采煤工作面的快速回采，只要增减簇首节点即可满足要求，克服了传统有线监控系统布线困难的缺陷。

3）在狭小的工作面巷道两侧装设无线网络节点，可避免由于工作面空间狭小，繁多人员设备因移动而造成的损坏，增强了系统的可靠性。

（2）存在问题

无线监控系统具有监测范围广、传输距离扩展灵活等优点，但也存在一些不足，如无线传播在巷道拐弯或电气设备密集有一定衰减，无线传感器节点电池需定期更换等。

五、总结

对于现代化高效矿井而言，必须有配备先进的监控系统，才能确保煤矿安全生产，传统的有线监控系存在一些弊端，本文针对其传输形式进行了部分改造设计，但无线监控系统还需一步完善，才能适应井下复杂的现场情况，随着对无线传输技术研究的深入和推广，必将逐渐被应用到矿山数字化建设中。

参考文献：

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