基于评价模型的煤矿环境监测系统

郑煜，马新春

（新疆电子研究所有限公司研发中心，新疆乌鲁木齐830013）



基于评价模型的煤矿环境监测系统

郑煜，马新春

（新疆电子研究所有限公司研发中心，新疆乌鲁木齐830013）

摘要：由于煤矿井下环境复杂，恶劣并伴随安全隐患，给井下工作人员带来很多不便。现对井下环境影响因素进行分析，选取可信指标建立煤矿环境评价模型。系统应用了GIS地理信息技术、研华工业数据采集、无线通信、模型评价等技术，通过在煤矿环境监测点安装以太网采集节点和传感器，利用计算机联网技术与数据中心进行实时分析、组态显示和数据评价，从而使用户更直观的对分布在不同地域的监测点数据进行集中管理和综合评价。有效的预防安全隐患。

关键词：矿井环境；评价模型；监测系统；研华；数据采集

我国的煤矿生产主要来源于地下开采，在矿山井下生产过程中，随着多种生产作业不断推进，对地质力学条件的不断扰动，必然会造成井下生产条件恶劣，对劳动者安全和健康造成危害。科学管理不断发展的今天，对空气质量和热环境同时分析，切实体现井下实际情况。本文对其主要危害因素，如温度，温度，矿尘和有毒有害气体等，导致劳动者丧失劳动能力的主导因素进行研究。做出合理分析，为矿井安全生产管理和事故救援提供可靠的技术支持［1］。

1　研究方法

整个监测系统由监测站，监测点，采集节点，传感节点等多个元素组成。一个监测站可以包含多个监测点，每个监测点包含多个采集节点，每个采集节点都有各自的多个传感节点。监测点可以分布在各井下，作业点之间，各采集节点存在于分布在不同作业点之间的井下作业区［2］。采集节点是数据传输的基本单元，采用研华ADAM以太网数据采集设备，设备由8个模拟量输入，2个数字量输出，满足了节点对于多个变量的采集要求。采集节点对井下作业区环境里存在的CH4，2O2等有害气体，温湿度等指数通过高精度气体传感器进行数据采集，各采集节点之间通过以太网将数据传输到上位机，减少了各采集节点之间的布设成本和拓扑复杂度，易于分布和扩展。上位机软件将数据依托于评价模型对数据进行组态显示，图标呈现和智能评价。

2　监测系统

2.1硬件结构

?硬件部分由数据服务器、应用服务器、以太网数据采集模块、传感器、无线传感网络组成，如下图1所示。选用的传感器为4-20ma电流型，工作电压10～24 V，以太网采集模块选用8路模拟量输入，采样分辨率为16位，输入类型支持4-20ma和0～5 V，工作电压范围9～24 V。传感器和采集模块较宽的工作电压便于两者可以使用同一电源作为输入，减少设备集成的复杂度，模块支持支持Modbus TCP，TCP/IP，UDP，HTTP，DHCP等多种协议，可适用于多种传输环境。

1）服务器负责将链接到网络中的数据节点传输的实时数据进行压缩、转储和分析。

2）以太网采集模块下接各种类型传感器，负责将接入的传感器采集的数据实时发送到服务器。

（3）传感器通过内部变送模块将采集到的数值进行0-5V/ 4-20ma等信号标准的转换，并将电信号提供给以太网采集模块进行处理。

图1　硬件总体结构

2.2软件设计

矿井环境监测系统的开发工具为Mjcrosoft Vjsua1 Studjo，是美国微软公司的开发工具包系列产品。Vjsua1 C# 2010（版本号：4.0）是微软开发的一种面向对象的编程语言，它是为生成在.NET Framework上运行的多种应用程序而设计的。C#凭借它的许多创新，在保持C样式语言的表示形式和优美的同时，实现了应用程序的快速开发。数据接口开发采用研华提供的ADAM. Net C1ass Ljbrary，ADAM. Net C1ass Ljbrary是研华基于ADAM系列采集模块开发的二次接口组件，通过访问组件函数可以方便的获取相应采集模块各通道上的数据以进行二次开发，可以方便的将有害气体，温湿度等数值显示在自己开发的应用上。

软件由接口控制模块、数据采集模块、地理信息模块、综合分析模块、数据评价模块和辅助控制模块组成。接口控制模块主要负责对各监测站下的采集节点参数进行统一配置和管理，如节点IP、节点TCP端口、输入类型等。数据采集模块作为通讯控制模块，主要用于对网络上的节点群进行配置，可视化的增加节点和删除节点。地理信息模块则负责将各监测站点以及监测站点下的采集节点的空间分布情况进行三维展示，将节点的空间结构给予直观的展示。综合分析模块将采集到的实时数据或历史数据的年均值、月均值、日均值、小时均值等变化情况利用甘特图，曲线图等图表展示方式予以展示，清晰的显示环境数据的变化量。环境评价模块依据评价模型对采集到的各项环境指标进行标准评级。辅助控制模块主要用于对数据指标超标的预警控制，如对井下的排风机继电器的驱动和声光报警等，支持互联网和GPRS等方式发送报警数据和报警信号，其功能结构图如图2所示。

3　数据采集标准

3.1采集模块

根据矿井环境的构成和特点，按照科学性、客观性、系统性、可行性及可比性的原则，对人体影响最为重要的空气环境质量、热环境作为一级指标，具指标体系如表1所列。［3］可在煤矿的进风巷、回风巷、综采区及大巷4个监测点监测，每天8点，10点，15点，16点半对每个监测点监测一次。

图2　系统功能模块图

表1　矿井环境评介指标

这里采集用的是CH4有毒有害气变送器，其采用现场气体浓度液晶显示；高精度、长寿命的电化学、红外进口传感器；适用于几十种气体检测，可选择显示几十种常见气体名称；气体单位名称PMM、%LEL、%VOL，可任意设定；程序运算采用了三位浮点技术，保证了运算的精度；在全量程范围内任意设置上、下限报警点；布线简单方便；强大的软件设置支持，满足客户任意量程调整和目标点标定；2组常开无源触点输出，用于控制风机或电磁阀的交流接触器；精巧的电源设计、精湛的防雷设计、纯SMT元件贴片工艺，使得产品性能稳定；巧妙的结构设计，探测器接线免上螺丝，安装极为简便。

为防止相互干扰，气体采集还用到了氧气变送器，其利用O2在工作电极上发生的还原反应和阴极材料发生的相应还原反应产生电流，电流的大小和氧气的浓度成正比，通过测试电流的大小即可判定氧气浓度的大小。此传感器低功耗、高精度和高灵敏度的特性，适合工业、矿下等领域中氧气的检测。

温度采用KSW系列温湿度传感检测仪，其传感、变送一体化设计，适用于暖通级室内环境温湿度测量。采用专用温度补偿电路和线性化处理电路。传感器性能可靠、使用寿命长、响应速度快。多种型号满足RoHS无铅化要求。

上述产品测量数据标准（煤矿井下的实时测量仪器在检测到井下气体、温度等超标时，会发出警报，并要求立即停产检修、排气，因此测量数据不存在超标现象）如表2所列［3］。

例如瓦斯爆炸，矿井瓦斯爆炸是一种热---链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应［4］。

表1　《煤矿安全规程2012》中规定值

瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在瓦斯爆炸和充足的氧气。方程式为CH4+2O2→CO2+2H2O条件点燃，预防需要先开窗，不能有明火或者任何火花。

基于使用S系列有毒有害气体检测仪，其计算公式为：

（量程最大-量程最小）*（当前测得电流值-4）/16+测量最小值=当前实际值

现在知道量程为（如表3所列）：

表1　甲烷量程

假定当前测得电流值为8mA

100%VOL=10000PPM，

（10 000-0）*（8-4）/16+4=3 504PPM

25 04/10 000=0.250 4=25.04%VOL

这样可得氧气含量大于20%VOL，是安全的，要是小于20%VOL就要停工通风。

温度检测如表5所示。

表1　温湿度指标均值

温湿度均在标准范围内。

3.2采集节点通道寄存器存取测试

软件通过IP地址访问采集节点的方式来读取采集节点各通道上的数据，通过对数据的工程量转换，单位标准转换等过程将数据显示到软件上，运行结果如图3所示。

4　测试总结

实践证明，具有爆炸危险性的气体或蒸汽与空气中的氧气混合物浓度的爆炸极限，可通过经验公式计算获得［5］。当空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。这一性质对井下密闭的火区有很大影响，在密闭的火区内往往积存大量瓦斯，且有火源存在，但因氧的浓度低，并不会发生爆炸。如果有新鲜空气进入，氧气浓度达到12%以上，就可能发生爆炸。因此，通过两种气体检测仪和温湿度检测仪就可以对火区严加管理，在启封火区时更应格外慎重，必须在火熄灭后才能启封。

图3　采集节点寄存器读取

我们通过上述设备有能有效的预防瓦斯爆炸，采取有的效措施，防止瓦斯积聚和消除火源。

5　结论

由于矿井环境复杂恶劣等众多因素的影响，本文采用了研华基于ADAM系列采集模块的二次开发，在众多的数据中，能够在比较宏观的层面上综合考虑多项指标，并且弱化主观因素在评价中造成的偏差的评价模型方法［6］。

分析考虑了井下环境的特点，以空气质量和热环境为一级评价指标，同时分析一级指标包含的多指标因素，并以此建立评价模型，应用结果与目前主要监测指标符合度较高。

评价模型用于矿井环境评价的结果表明，该评价方法合理、有效，丰富并改进了对井下评价的现在方法，为科学评价和分析井下环境提供了新的思路和方法。

参考文献：

［1］高文玲.基于无线传感器网络的矿井环境监测系统研究［J］.网友世界，2012，8（229）：37-38.

［2］李金凤，刘沁，张治国，等.基于无线传感器网络的矿井瓦斯监测系统［J］仪表技术与传感器。2013，9（368）：73-76.

［3］王磊，陆刚，吴斌，等.煤矿井下环境马田系统评价模型及应用［J］.矿山机械，2013，7（41）：138-141.

［4］徐梓铭，刘然，刘志坚.煤矿瓦斯爆炸的条件与预防措施［J］.煤炭科技，2007（3）：67-70.

［5］李润之，司荣军，张延松，等.煤矿瓦斯特性研究现状及发展方向［J］.煤炭技术，2010，4（29）：4-6.

［6］环境保护部.HJ 663-2013环境空气质量评价技术规范中国标准书号［S］.出版地不详，2013.

Coal mlne envlronmental monltorlng system based on evaluatlon model

ZHENG Yu，MA Xjng-chun （Research and development center，Xinjiang Institute of Electronics Co. Ltd.，Urumqi 830013，China）

Abstract:because of the mjne envjronment js comp1ex，wjth bad and safe hjdden troub1e，to the underground staff brjng a 1ot of jnconvenjence. Now to the underground envjronment jnf1uencjng factors were ana1yzed，se1ect trusted jndex estab1jshment of coa1 mjne envjronment eva1uatjon mode1. System usjng the GIS geographjc jnformatjon techno1ogy，Advantech jndustrja1 data acqujsjtjon，wjre1ess communjcatjon，mode1 eva1uatjon，through the jnsta11atjon of Ethernet data acqujsjtjon node and sensor jn coa1 mjne envjronmenta1 monjtorjng pojnt，rea1-tjme ana1ysjs，usjng computer network techno1ogy and data center confjguratjon djsp1ay and data eva1uatjon，so that the user more jntujtjve for centra1jzed management and comprehensjve eva1uatjon on the djstrjbuted jn djfferent regjons of the data of monjtorjng pojnts. To prevent potentja1 safety hazard effectjve1y.

Key words:mjne envjronment；eva1uatjon mode1；monjtorjng system；Advantech；data acqujsjtjon

中图分类号：TN312

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0157-03

收稿日期：2015-06-01稿件编号：201506003

基金项目：新疆维吾尔自治区科技型中小企业技术创新基金（2014531072）

作者简介：郑煜（1982—），女，新疆乌鲁木齐人，软件工程师。研究方向：软件工程。