矿井无线瓦斯监控系统的设计与应用

杨永江

山东万祥矿业有限公司 山东济南 271100

随着煤矿开采向深部延伸，开采工作面瓦斯急涌的情况时有发生，极大程度危及到开采人员的生命安全，存在巨大的安全隐患。而且，随着煤矿开采机械化程度的提高，单一瓦斯抽采技术已经不能满足实际需要，综合抽采技术成为必要选择，也具备了良好地应用前景与技术优势。

1 瓦斯监控系统的发展现状分析

随着煤矿企业对瓦斯监控系统需求的不断增多，市场上的生产厂家也相应增多，有些生产厂家为了追求更大的市场份额，在设计系统时往往过于盲目，增加了很多产品功能，但是有些功能华而不实，不仅导致系统稳定性差，而且单一功能无法做到高精准操作，使得整个系统工作效率不高。随着市场对瓦斯监控系统设备的大量需求，一些不良生产厂家为了提高生产量，会忽略对传感器的出厂检验，检验过程形式化，导致一些传感器根本不具备监测瓦斯的能力[1]。

2 系统功能性能要求

无线瓦斯监控系统能够监测井下瓦斯的浓度、风速、采煤设备工作状态参数；矿井内部分站既可以由主站控制，还可以独立使用，配置触摸屏显示各类监测参数的实际值；选用的瓦斯传感器能够将监测得到的瓦斯浓度以数值的形式进行显示，当出现瓦斯浓度超标时进行预警；瓦斯浓度标准值能够通过软件系统和井下分站触摸屏进行人为设定和调整；完成实时采集得到的瓦斯浓度等数据的分析处理和存储，数据保存时间可调整。系统要求瓦斯浓度检测范围在0-4%之间；测量误差不大于0.2%；系统的总容量达到128台分站设备；各个分站的I/O接口不少于16路；无线传输信号频率为433MHz；有线传输信号频率为20-1000Hz；数据传输的速率达到1200/2400bps；上位机采用RS485模式；最大传输距离为20km。

3 设计与应用

3.1 确保所有设备的正确安装

①监控主机。监控主机分为主动机和备用机两类，在安装过程中要保证两台电脑的应用程序全部安装，并且监控主机电源一定要保证常年开启状态，不能使用屏幕保护装备，在主机安装过程中也要输入一些杀毒软件，确保所有监测数据的准确与安全。②监控软件。在安装监控软件时，一定要采用最新的软件版本，如果出现系统软件与分站协议相矛盾的情况，那么需要重新设置软件系统中的参数。③井下通讯线缆。在安装瓦斯监控系统的井下通讯设施时，一定要与动力线缆分离铺设，可最大程度的避免信号干扰。如果在某些因素影响下使得通讯线路与动力线缆近距离铺设，那么要保证距离大于30厘米。如果矿井中有变频设备，那么需要对通讯线进行屏蔽保护，并检测屏蔽效果，通讯线缆必须安装紧实、稳定。④宽带系统。在安装宽带系统时，不仅要保证电路安装可靠，同时也需要在防爆交换机面箱中留喇叭口位置，当光缆从此位置进入交换机控制面箱时，需要使用卡线槽进行固定，同时利用热束管对光纤进行保护。在连接光纤时，缠线方式需要按照“8”字形进行，并固定连接位置。如果安装环境过于严寒，则可省略对光纤的张力检测[2]。

3.2 系统硬件设计

无线传感器硬件由单片机、瓦斯监测、显示报警、红外控制和RF输出等模块组成。系统中采用了4位发光数码管显示瓦斯传感器的实测值，借助RF输出模块完成浓度信息的发送，工作过程中一旦出现瓦斯浓度超标情况，系统自动开启报警电路进行报警。单片机作为无线传感器系统的核心部件，支撑系统控制、数据转换、通讯等所有功能的实现。选择单片机的过程中不仅需要充分考虑使用环境，还要求单片机的外形尺寸小、集成度高、能耗低、运行速度快、I/O接口和通讯接口足够、经济性好、运行稳定可靠等因素。综合以上要求选择了MicroChip公司生产的单片机，型号为PIC16F877。瓦斯监控模块设计涉及瓦斯传感器的选择，其对瓦斯监测系统的稳定性至关重要。当前用于瓦斯监测的传感器包括催化传感器、红外传感器和光纤传感器3种。根据测量精度高、工作稳定性好、环境适应性强、防火防爆等要求，综合考虑选择了催化传感器。因传感器检测信号等级仅为毫伏级别，不能直接输送至A/D转换模块，中间设计了ICL7650运算放大器，运放电阻精度1/1000，精度足够[3]。

3.3 上位机监控软件设计

主监测模块是系统上位机监控软件的重要组成模块，直观地反映了瓦斯抽采管网的主要抽采状况。数据曲线趋势显示界面包括实时数据显示和历史数据显示两个功能，可将各监测分点的瓦斯浓度信号、压力信号、温度信号、流量信号、CO浓度信号以动态曲线的形式显示出来，便于监测分析。

4 结语

综上所述，随着煤炭开采环境的不断复杂，瓦斯监控系统也有着越来越广泛的应用，在系统的支持下，不仅可以在一定程度上提高开采安全性，同时也对工作人员的人身安全带来重要保障。但是在瓦斯监控系统的深入应用中，也产生了一系列问题亟待解决，针对这些问题相关工作人员可以结合具体原因，优化监控系统应用措施，例如完善安装程序、强化机房管理、做好井下通风等，确保瓦斯监控系统的最大应用。