基于WIFI通信技术的矿井通风监测系统设计应用*

刘 杰

(山煤国际能源集团股份有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

井下开采环境比较复杂，矿山开采通常会有粉尘和伴随着围岩中散发出的有毒有害气体，比如常见的有CO、CH4、CO2以及H2S等气体，某些气体遇到明火非常容易引发爆炸。据2020年有关资料统计，全国范围内共发生矿山事故达到434起，死亡人数超过500多人，煤矿事故共有122起，死亡人数达到225人，其中有很大程度上是由于矿井通风检测不到位引发的事故，矿井保证良好的通风至关重要，矿井通风监测系统的设计创新具有重要意义。

目前矿井通风检测主要采用传统的检测方式，由人工手动操作测风仪测量通风口处采集信号，通过传感器检测风口处某些有毒有害气体的含量，伴随着风量的改变，检测到的数据往往波动比较大，无法实现实时动态监测。笔者采用WiFi通信技术和传感器检测技术相结合，设计了一套矿井通风监测系统，对采集到的信号实现实时发送和接收，可达到对矿井通风的动态智能监测，通风系统出现的任何异常可随时报警，能有效避免事故的发生，保证生产过程中人员和设备的安全。

1 矿井通风检测系统总体方案设计

矿井通风系统是联系井下与地面的通道，是保证煤矿井下空气流通的主通风道，图1所示为矿井通风系统原理图，气流从风井下流出进入主通风道，随后通过上下两道风门进入风机，最后将气流扩展出去。根据目前矿井通风系统的布置方案和组织形式设计通风监测系统，首先需要满足对不同风量的监测，需要满足矿井通风监测系统的相关要求。

图1 矿井通风监测系统总体方案

众所周知，矿井下工况比较复杂，常见的有潮湿、多尘、电磁干扰较强、振动噪声大、空间狭小、监测通信技术受环境限制比较严重，所以矿井通风监测系统设计需要满足如下矿井下复杂的监测环境：①为适应井下多尘、潮湿、振动噪声较大、存在有毒有害气体等恶劣工况，需要矿井通风监测系统具有防尘、防潮、防机械冲击、防爆性能要好等特点；②井下电磁干扰严重。要求矿井通风监测设备具有较高的防电磁干扰的能力；③网络传输条件。由于矿井下巷道四通八达，布置分散，距离较远，要求设计的WiFi通信系统能保证信号传输较远的距离。图2所示为矿井通风监测系统网络通信系统原理图。

图2 矿井通风监测系统整体架构原理图

矿井通风监测系统整体上主要由信号采集系统、传输系统和分析处理系统三个部分组成，信号的采集主要由各种传感器，模仿人的感官从外部环境中获取信息，常见的传感器主要有CO传感器、CH4传感器和H2S传感器等。首先通过现场对环境参数信息的采集，随后上传到PLC控制器中，通过PLC控制器进行处理和分析对比，从而控制变频器对风机进行变频控制，其中PLC内部通过设计编程实现对数据采集后的分析和处理，控制器是对通风监控系统的人机接口，包括上位机，主要是用于显示矿井通风系统的参数信息，并且根据实际需求输入可控参数的精度，与PLC控制器进行交互和通讯，可以显示更加清晰直观的现场图像，并实时存储。

2 WiFi通信技术与控制系统

WiFi通信技术是目前国内在智能移动终端普遍使用的一种无线网络传输技术，具有运行速度快、覆盖面积大和适用范围广的特点，但对于矿井下复杂多变的工况下，在矿井下使用WiFi通信技术的案例并不多，主要原因是矿井下的环境比较恶劣，WiFi通信受限。目前随着智能化综采技术的发展，矿井下开始尝试使用WiFi通信技术实现对采煤工作面的智能化控制和监管，包括智慧矿山建设，无人化开采等，随着WiFi 通信技术越来越先进，将WiFi通信技术应用于矿井环境的监测是未来发展的主要趋势。

WiFi网络的系统组建：首先WiFi是由AP和无线网卡共同组成，AP是作为接入点，是连接有限局域网以及无线网的通道，通过有线宽带网络进入矿井下后，由无线路由AP将其转变为无线信号，所以在矿井下需要建设多个无线基站，实现设备与设备之间，设备和基站之间进行互联。WiFi通信在矿井通风监测系统的设计中主要体现在无线通讯与控制系统PLC的连接，文中设计的矿井通风检测系统采用西门子S7系列的PLC，PLC本身可以扩展无线通讯模块，配置相应的硬件组态，设置好IP地址后就可以实现WiFi通讯，通过HMI端实现对PLC的远程控制，通过上位机端对PLC进行修改程序，当发生故障时可以通过远程进行故障诊断和处理，大大节省维修时间，处理更加高效。

3 矿井通风检测系统软硬件系统设计及应用

矿井通风监控系统中的硬件系统主要由一系列的检测传感器、变频器、电量模块、PLC控制模块等组成，其中在电量模块采用的是双电量模块、双风量监测模块，实现独立双电源供电，实际进行供电过程中可实现互锁，其中供电模块包括变压器、控制柜进线、低压配电柜、变频柜和电源模块等。对于井下复杂的工况而言，为保证系统稳定高效运行，采用的是目前比较成熟的PLC控制系统，选型为西门子S7-1200PLC，有较多的输入和输出接口，能够满足实际需求。矿井通风监测系统变频器选用ABB 变频器，型号为 ACS800-04P，这种类型的变频器已经广泛应用在井下电控系统中，功能全面，编程比较灵活，能够满足大功率的风机应用。

矿井通风监测系统软件程序主要是通过采用西门子专用的编程环境STEP 7-MicroWIN SMART编写控制系统程序，采用模块化编程设计，将各个功能模块编写为程序块，便于随时取用和程序系统的维护修改。上位机开发采用目前比较常用的组态软件进行开发设计，上位机的开发流程如图3所示。上位机软件采用的是工业用以太环网的形式进行通讯，系统数据库是进行监控的基础组成部分，其中建立的PLC寄存器地址以及变量点的关联是根据数据库创建的核心任务，将PLC传输来的信号进行存储。

图3 软件开发流程图

矿井通风监测系统的软件界面分为不同的显示区域，其中包括了监控主界面、系统控制界面、生成报表界面、故障显示界面以及用户管理和登录界面等，通过系统化人性化的界面设计，可以实现更好的交互，实时获取通风监测信息，并及时发现故障进行维修和处理。

利用LabVIEW 开发了矿井通风监测系统的HMI人机交互界面，如图4所示。其中包括了对温度、湿度、风速等数据进行实时监测，通过对井下各个传感器进行编号处理可以快速进行定位，从图中的数据变化曲线可以看出温度的变化情况。

图4 矿井通风监测系统显示界面

采用 LabVIEW 编写地下矿通风系统监测界面，显示信息直观、丰富；量程和单位可以根据需要进行修改，根据实际需要设置每隔一定时间循环监测各传感器。此外可以对风机的性能进行监测，主要监测风机的各种运行参数，包括对风机的全压、静压的检测等，通过LabVIEW界面可以显示监测到的曲线图像，如图4所示。

通过检测应用，此矿井通风监测系统在上位机中可动态显示有毒有害气体浓度情况，识别空气中有毒有害气体浓度的精度较高，并通过曲线形式呈现空气中CH4的浓度变化，根据设定的安全警戒线，通过WiFi通信系统在上位机中展示井下采集到的环境参数，一旦空气中有毒有害气体浓度超标，及时自动报警并提示处理，达到了比较好的监测效果。

4 结 语

矿井的通风对于保证矿井安全生产至关重要。设计了一种基于WiFi通信技术的矿井通风监测系统，通过对软硬件系统进行设计，并利用LabVIEW 开发了友好的HMI人机交互界面，可以实现井下采集到数据的高清可视化显示，实时查看井下风机的工作状态和环境参数变化，通过实验室模拟现场表明采用这套监测系统可以准确识别CO、CO2的含量及有毒有害气体的变化趋势，监测效果良好，能及时有效避免事故发生，保证安全生产正常开展。