煤矿环境监测系统设计

煤矿环境监测系统设计（通用12篇）

煤矿环境监测系统设计 篇1

摘要：针对煤矿井下压力监测系统有线通信方式存在结构复杂、传感器功耗大、数据不稳定等问题,设计了基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统。该系统采用低功耗压力传感器采集数据,通过ZigBee无线传输方式将传感器节点数据汇总到数据采集分站,数据采集分站将数据打包处理后上传到上位机软件,实现了井下巷道压力数据的实时监测,降低了传感器的功耗,从而提高了系统的使用寿命。

关键词：煤矿,压力监测,矿压传感器,低功耗,ZigBee

0 引言

在煤矿安全生产中,井下压力监测是非常重要的环节,煤矿井下压力监测系统可以及时反映井下巷道围岩压力、煤柱压力、液压支架压力的变化情况。而目前煤矿井下压力监测系统一般采用有线通信方式,具有结构复杂、传感器功耗大、数据不稳定等缺点。鉴此,本文设计了一种基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统。

1 系统总体设计

低功耗煤矿压力监测系统主要由监控主机、数据采集分站、传感器节点组成[1],如图1所示。其中监控主机安装在地面监控室,用于井上工作人员监测井下各个位置的压力情况;数据采集分站安装在每个巷道的入口处,用于管理本巷道内所有传感器节点并将本巷道内所有节点数据上传到井上监控主机;矿压传感器为整个系统的最前端,用于实时采集巷道压力数据并定时回传给本节点所属采集分站,系统主要使用了矿用顶板应力传感器、煤柱应力传感器、液压支架压力传感器。

矿压传感器采集各种压力后,依次将压力数据通过ZigBee的方式传送到数据采集分站,数据采集分站将汇总的所有压力数据通过RS485总线传输到监控主机中。井下通信采用ZigBee无线传输方式,降低了各个传感器节点的功耗和组网复杂度,大大提高了传感器电池的使用寿命。同时也确保了数据的可靠安全传输,节约了成本。

2 系统硬件设计

2.1 低功耗传感器节点设计

因为井下压力传感器节点采用电池供电方式,所以采用低功耗设计方案。传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块、射频模块、电源等组成,如图2所示。

(1)数据采集模块。传感器中应变片受到压力后产生形变,应变片上的电阻丝同时发生形变,电阻大小产生变化,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,然后电压信号被送到数据处理模块。

(2)数据处理模块。为了满足低功耗要求,传感器节点采用低成本、低功耗SOC芯片———CC2530作为控制核心[2]。在接收模式和发送模式下,CC2530的电流损耗分别为24mA和29mA,在睡眠模式下,CC2530消耗的电流仅为1μA;利用有效位数多达12位的ADC实现对采样数据的模数转换,并用DMA将转换结果写入存储器,从而实现数据处理功能。

(3)射频模块。系统采用ZigBee的方式进行数据传输[3],通信频率为2.4GHz,为了适应井下复杂的工作环境,保证长距离的通信以及较低的误码率,射频模块选用CC2530芯片,同时辅以低成本、高性能的射频前端模块CC2591,实现传感器节点间的无线通信,进而组成无线传感网络。

2.2 数据采集分站设计

数据采集分站负责对汇总的传感器数据进行打包,并发送给上位机,实现井下与井上数据的相互传递。数据采集分站整体结构如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 井下通信机制设计

为了适应巷道的狭长特性,设计了一种基于ZigBee的线性接力传输方式。每个传感器节点都有唯一的地址[4],数据采集分站地址为0x0000,第1个节点地址为0x0001,依此类推。所有节点完成初始化后,同时进入等待接收同步时间的状态。数据采集分站发送时间同步命令给1号节点,1号节点收到命令后,给数据采集分站返回1个应答指令,确认已经收到同步时间命令,然后按照同步指令启动本地睡眠定时器,并将时间同步命令传给2号节点;2号节点采用与1号节点相同的流程,当1号节点收到2号节点的应答信息后,转移到等待接收2号节点数据的状态;然后,2号节点将同步指令发送给3号节点,依此类推,直到最后的N号节点,因为不存在N+1 号节点,所以N号节点收不到应答信号。当发送10次同步信后若仍然无应答,则N号节点发送采集数据给N-1号节点,N-1号节点给N号节点应答信号后,N号节点进入睡眠状态。当N-1号节点收到N号节点的数据后,将自己采集的数据和N号节点的数据打包发送给N -2号节点,然后,依此类推,最后所有节点的数据都被打包发送到数据采集分站;数据采集分站将数据进行存储,完成本次通信。井下通信机制如图4所示。

3.2 节点的低功耗软件设计

因为井下各种压力传感器节点都采用电池供电,所以设计一种低功耗的工作方式十分重要,降低各个节点的功耗可以大大提高其工作寿命,提高系统可靠性,节约成本。低功耗软件分为CC2530调度程序、时间同步通信机制程序、无线收发程序3个部分。

CC2530调度程序采用中断的方式,相比于查询方式,中断方式的功耗更低。如果采用查询的调度方式读取AD转换数据,必须不停地读取I/O端口寄存器,从而提高了功耗,而采用中断方式时,主芯片不需要读取数据就直接进入待机模式,从而降低了功耗。

时间同步通信机制对于降低传感器节点功耗非常重要,无线数据的收发功耗非常大,为了节省电量,要尽可能地关闭节点射频模块,使其处于低功耗状态[5]。为了在尽可能短的时间内通信成功,就要对各个节点进行时间同步,使所有节点同时唤醒并进行数据收发,然后同时休眠,以保证功耗最低。

数据的无线发送与接收是功耗最大的部分,为了降低这部分的功耗,要考虑到节点因为故障不能收发数据的情况,将不能通信的节点转到单机模式,只采集而不发送数据,其他节点跳过该节点进行通信,节点工作流程如图5所示。

3.3 数据采集分站软件设计

数据采集分站主要有2个功能:数据处理与向下通信。向下通信功能相当于把分站看成一个压力传感器节点,软件设计与节点相同。数据处理功能包括数据的汇总、存储、显示和转发。为了更好地运用STM32F103VET6单片机,在分站中嵌入了μCOS II实时操作系统,利用其优先级保证系统的实时处理能力,增强系统的可靠性。根据具体的功能要求设计了相对应的任务优先级,如图6所示。

3.4上位机软件设计

上位机软件采用C#语言编写,配合使用SQL Server 2008进行数据存储。上位机软件包含用户管理功能、基本信息配置功能、实时数据显示功能、历史数据查询功能、报警功能、报表分析功能,并使用RS485串口与数据采集分站进行通信。

4 功耗测试

以矿用锚杆(索)应力传感器节点为例,测量节点各个状态的工作电流,传感器节点工作流程:被唤醒→采集数据→传输数据→睡眠。睡眠模式下节点工作电流理论值为1μA,节点在睡眠状态、采集状态、接收状态、发送状态、显示状态的电流I1—I5分别为0.001,12.8,35,53,45mA。

1个周期T内数据采集模块、数据显示模块、数据发送模块、命令转发模块、数据接收模块、指令接收模块的工作时间T1—T6分别为200 ms,5s,15ms,1.5 ms,2s,2s,节点处于睡眠状态的时间T7= T-(T1+T2+T3+T4+T5+T6)。

按T=30min计算1个工作周期中单个节点所耗的电量为

因为T=30min,所以每天通信48次。假设在1d中,节点被查看数据10次,则1d中消耗电量为

由于顶板离层仪节点所使用的电池为ER14505,其参数为2.4A·h/3.6V,电池使用效率按80%计算,其可用电量Q=1.92A·h。结合式(2)可知,ER14505最长供电时间为750d。

经过一系列低功耗软硬件设计优化之后,传感器安装完成后能够使用750d,完全能够满足其工作需求。

5 结语

基于ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统可以对井下各种应力进行实时监测,提高了煤矿井下生产的安全性。该系统采用ZigBee无线通信方式和时间同步机制,降低了各个节点的功耗,提高了产品的使用寿命。

参考文献

[1]李致金.基于无线传感器网络的煤矿顶板压力监测系统[J].电子技术应用,2010(11):102-105.

[2]姬海超,王晓荣,盖德成,等.井下分布式无线应力监测系统设计[J].电子技术应用,2015,41(9):45-47.

[3]陈斯,赵同彬,高建东,等.基于ZigBee PRO的矿井瓦斯无线监测系统[J].煤炭技术,2011,30(9):110-112.

[4]方刚,任小洪,贺映光,等.基于ZigBee技术的煤矿监测系统[J].仪表技术与传感器,2010(12):41-43.

[5]庞娜,程德福.基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报:信息科学版,2010,28(1):55-60.

煤矿环境监测系统设计 篇2

一、系统故障应急预案

1、引发事故的隐患原因分析

1）由于地面监控室故障（软件、硬件或病毒感染）导致整个系统瘫痪。

2）由于监测分站故障导致区域性信号无法正常监测。

3）由于传感器、断电器等调校不准或故障导致无法正常监测，发生误报、漏报或闭锁误动作、不动作。

4）由于传输线路短路、抽线或其他原因导致地面监控室无法监测、监控现场设备。

2、防范措施

1）传感器报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围必须符合《煤矿安全规程》有关规定。整定后的传感器非专职调校人员不得在井下拆卸或调整。

2）安全生产监测系统地面主机部分专人专管、专机专用，严禁将主备机和服务器用作他用，严禁利用主备机和服务器上网或其他任何工作，系统必须备足相关备品、备件。

3）安全监测设备的供电电源必须取自被控制开关的电源侧，严禁接在被控开关的负荷侧、拆除或改变与安全监控设备关联的电气设备的电源线及控制线、检修与安全监控设备关联的电气设备、需要安全监控设备停止运行时，须报告矿长、总工，并制定安全措施后方可进行。4）安全监控设备，每月至少进行一次调试、校正。甲烷传感器每7天必须使用校准气样和空气样调校1次。每10天必须对甲烷超限断电功能进行测试。

5）安全监控设备发生故障或停电检修时，必须及时处理，在故障期间必须具有安全措施。

6）瓦斯断电器必须按规定吊挂在配电点上方，电缆吊挂整齐，接线附件必须符合完好标准。任何人不得以任何理由甩掉远动开关或甩掉控制线路。

7）矿方必须每天派人对所使用的瓦斯断电器及闭锁开关进行检查，发现问题及时处理，禁止将闭锁开关的控制回路的保护装置甩掉，不准随便改变闭锁开关控制回路的电压电流参数，严禁不通过瓦斯断电器闭锁供电。

8）瓦斯超限时，瓦斯断电器动作实现断电。当瓦斯数值降至复电值时，必须用启动按钮复电，禁止采用其他方式复电。9）任何单位和个人不能任意改变安全监测的位置、中断监测设备的运行，不得损坏监测设备。

10）安全监控系统的系统调整、地址修改由专职技术人员按矿安全生产要求进行，其他人一律不得擅自执行、调整。修改时必须经矿总工程师批准方可执行。

3、发生事故后的处理措施

地面监控室出现故障，必须立即组织人员抢修。如硬件故障，备用设备立即投入使用；系统恢复正常后，必须分析故障原因，1）查找存在隐患，同时对故障设备及时维修或补齐。软件原因造成故障，事后能重新安装的要重新安装，不能安装的要联系厂家处理。

2）监控分站故障后，立即组织备用分站下井更换，同时汇报相关领导和单位作好应急准备。

3）传感器或断电器出现问题后，立即通知责任单位更换，并查找原因分析处理。

4）由于传输线路原因造成故障的，立即组织人员排查，短时间无法恢复的，立即更换新缆线，确保最短时间内恢复正常状态。

二、报警应急处理预案 一）监控室

1、负责监测监控系统运行的维护和管理工作，确保系统24小时稳定运行，信息准确可靠。

2、负责监测系统传感器的调校、维修、以及设备的领用、保管及发放工作。并对传感器、电缆等相关设备统一编号、建账、转账、销账，做到数量清，状态明，账、物相符。负责向通防科提报监测系统计划。

3、在矿总工、通防科的指导下对系统的测点进行设置，负责掘进工作面、机电硐室的监测系统的设计、安装和撤除工作；其中断电器与被控开关的触点连接由监控室负责，各分站供电电源由矿方负责提供。负责地面通讯主干线路的安装维护。

4、当系统出现故障时，要迅速判断故障范围，现场问题及时通知矿总工、通防科和施工单位进行处理，系统主干线路故障要在短时间内组织排除。

监控室要对各施工单位所负责安全传感器设备进行监督检查，对损坏等有权按有关规定进行处罚。二）瓦斯传感器报警

当安全监测监控系统瓦斯传感器报警时，监控室要立即通知矿方及值班干部，并要立即调查造成报警的原因，同时要立即联系井下瓦斯检查员对现场瓦斯情况进行测定，并将测定的结果汇报通防科，然后由通防科将井下测量结果反馈给矿方和项目部。

如果实属瓦斯超限报警时，首先通防科要立即分析引起瓦斯超限的原因，并由瓦斯检查员向监控室及通防科详细汇报井下具体情况，通防科在了解具体情况后，再根据现场实际采用相应的处理方法。（1）井下掘进工作面风流中及其作业地点瓦斯浓度达到1.0%时： ① 现场管理人员和班组长立即组织现场作业人员停止作业，并立即汇报矿调度室，由瓦斯检查员对现场的气体情况和瓦斯探头进行检查和比较。

② 瓦斯检查员在查明现场气体情况确认后立即将现场实际情况汇报矿监控室和值班干部，然后在现场与安全员一起对现场的气体情况进行监护并及时向监控室汇报。

③ 监控室值班员发现井下浓度达到1.0%瓦斯传感器超限报警后，立即向矿方值班领导和施工方值班人员汇报，并做好超限地点，时间的记录，时刻注意观察超限地点瓦斯变化情况。④ 矿监控室值班人员接到汇报后，将瓦斯超限的地点、时间、汇报人的姓名、现场的气体情况做详细的记录。

⑤ 监控室值班人员立即通知矿方和施工方值班人员下井组织查明原因。

⑥ 监控室值班人员立即汇报矿值班领导、矿通防副总、矿总工程师。⑦ 施工单位和通防科有关人员接到报警通知后立即到办公室集合，成立现场事故处理小组，由矿总工程师立即召集会议，对现场的情况进行分析，由通防科制定处理措施，汇报总工程师同意后，负责组织实施。

（2）井下工作面风流中及其作业地点瓦斯浓度达到1.5%时； 1）现在管理人员和安全员负责组织将所有作业人员停止工作，人员撤离到地面，由班组长安排专人负责进行警戒，严禁人员入井，并汇报矿监控室。

2）安全监测系统必须切断工作面所有非本安电气设备的电源（如安全监测系统不能切断电源，现场作业人员必须手动切断所有的电源）

3）安全监测系统地面监控室要记录好超限断电时间和瓦斯变化情况及时向矿总工汇报。

4）矿监控室值班人员接到井下的汇报后，将超限的地点、时间、汇报人姓名、现场的气体情况做详细的记录。

5）监控室值班员立即通知通防科和值班领导下井组织查明原因。6）立即汇报矿值班领导、矿通防副总、矿总工程师。7）通防科和值班领导未到达现场前，由瓦检员和安全员在现场监护瓦斯变化情况，并及时向监控室汇报。

8）通防科和值班人员到达现场后，带领瓦检员，安全员一起查明瓦斯的来源。涌出的浓度、压力和工作面通风情况，立即汇报矿监控室室，具体的瓦斯处理工作。由通防科制定处理措施，汇报矿井技术负责人同意后，方可组织实施。

（三）工作面及巷道其他地点，体积大于0.5m³空间内积聚的瓦斯浓度达到2.0%时；

1、现场管理人员因立即汇报矿监控室和井口值班人员。

2、附近20m内作业人员必须立即停止工作，切断电源，撤除人员。

3、安排瓦检员负责查明原因，瓦检员在查明原因后，将现场实际情况及时报矿监控室和值班人员，由通防科和值班人员确定采取措施进行处理，并负责组织实施。

（四）工作面以及巷道其他地点风流中瓦斯浓度因异常情况达到3.0%时

1、现场管理人员或工作人员必须立即汇报监控室同时立即停止工作，切断电源，人员撤至地面。

2、由班组长安排专人进行警戒，严禁人员入井。

3、监控室值班人员时刻观察瓦斯变化，每隔5分钟检查一次，并及时向矿通风副总工或总工进行汇报。

4、监控室值班人员接到汇报后，将超限地点，时间，汇报人姓名，现场气体情况作详细记录。

5、调度室值班人员在1分钟内汇报矿值班领导、矿通防副总、矿总工程师、矿长。

6、在5分钟通知救护大队立即出动，进行处理。

7、监控室值班员负责通知各部门、单位及相关人员到办公室集合。

8、接到报警的科室、单位以及相关人员立即到办公室集合，成立现场应急处理小组，由矿总工程师立即召集会议，根据现场情况，分析气体的来源和大小，制定相应的处理措施，如果现场情况无法控制，汇报总指挥后，总指挥要迅速做出决定人员全部撤出，下达命令关闭井下所有电源。

9、救护队接到事故报告后，立即派救护队员赶赴现场进行检查和监护，排放瓦斯前，必须制定安全排瓦斯措施，报矿井技术负责人批准，如果现场无法控制，不能立即处理时，必须在24h内封锁工作面。

煤矿环境监测系统设计 篇3

【关键词】煤矿；安全；监测监控；系统；设计方案

0.引言

煤矿安全监测监控系统是以计算机网络及通信技术为基础，并与煤矿井下作业的实际情况有效结合而建立的一套集信息采集、传输、管理、控制等为一体的综合信息管理系统。随着计算机技术、电子技术、传感器技术以及信息传输技术的快速发展，煤矿的安全监测监控系统已逐渐由对单一参数的监测发展为多参数单方面的监控系统。

1.煤矿安全监测监控系统设计的原则及依据

1.1设计的原则

设计时需要根据煤矿井的实际情况，比如煤矿井的井田范围、井型、服务年限、煤层的厚度、倾角、顶板及底板情况、矿井通风方式及井田开拓方式、采煤区的布置及采煤方法、采煤及掘进工作面的布置及生产情况，以及矿井的瓦斯、粉尘、自然发火、地压、水等的情况，而选择不同的设计思路及设计方法。

1.2设计依据

煤矿安全监测监控系统的设计要严格依据国家的相关法规进行，比如《煤矿安全规程》及相关煤矿安全生产法规、《矿井通风安全装备标准》、《矿井通风安全监测装置使用管理规定》以及有关煤矿的安全装备产品手册等。

2.煤矿安全监测监控系统的分类及组成

2.1系统的分类

由于煤矿安全监测监控系统可以根据监控目的、使用环境及网络结构等的不同而有不同的分类，比如按照监测监控的目的可以将其分为轨道运输监测监控系统、环境安全监测监控系统、提升运输监测监控系统、排水监测监控系统、人员位置监测监控系统、火灾监测监控系统、煤与瓦斯突出监测系统等。

2.2系统的组成

煤矿监测监控系统主要组成部分有：传感器、执行机构、电源控制箱、监控分站、主站、主机、打印机、多屏幕、模拟盘、LYS电源、网络接口电及接线盒等。

2.3系统的功能

概括地说，矿井的安全监测监控系统的功能主要有：监测矿井状态（包括整个矿井系统的各种状态参数）、矿井参数超限报警及自动控制、手动遥控断电及通电、自检、数据存储、列表显示、模拟量实时曲线及历史曲线显示、统计分析、短信报警及检测等。

3.监测监控系统的选型及布置

3.1系统选型的原则

一般煤矿安全监测监控系统由传感器、地面中心站、井下分站及通信电缆等组成，在对这几部分进行选择应遵循以下的原则：（1）瓦斯传感器的类型一般有传统的黑白元件与红外线两种，黑白元件的瓦斯传感器虽然价格便宜，但是寿命短而且量程有限；红外传感器使用寿命长、安全可靠、量程长、耐冲击，适宜在高瓦斯的矿井使用，且在使用过程中为避免灰尘影响应定期更换探头过滤器；（2）断电方式的选择：一般选用智能型传感器中心分站控制断电及就地断电双重方式，配置用于断电的控制单元来就地断电；（3）地面中心站应选用最新配置的工控机；（4）井下分站的选择：对于高瓦斯矿井，应选用本安型的井下分站；而对于低瓦斯矿井则可选用隔爆型分站；（5）通信选择：通信方式的选择可选用现场总线的方式，其采用了数字通信的方式，可根据使用地点的不同而选用多种拓补结构；通信协议可采用国际标准的护寻址，并与管理信息网进行无缝连接。

3.2系统设备的布置

3.2.1传感器的布置要点及工作面传感器的布置

传感器的布置要点：

在布置传感器时，应该严格按照使用说明书进行操作。比如，根据甲烷由于密度小而上方甲烷浓度较大的特点，将甲烷传感器安置在粉尘较小的环境，且距离煤壁、顶板及巷道侧壁的距离大于3米；温度传感器布置在巷道中随意的位置或煤壁温度偏高处；风速传感器布置在巷径、风速均匀且温度相对较低的环境，且进风口距离巷道顶部2米左右。

工作面传感器的布置：

采煤工作面甲烷传感器的布置：在进行布置采煤工作面甲烷传感器时，必须在低瓦斯、高瓦斯及煤与瓦斯突出的矿井的回风巷及工作面均设置甲烷传感器；当采煤工作面采用串联通风时，必须在被串联的工作面设置甲烷传感器；采煤机则需设置便携式的甲烷检测报警仪或者机载式的甲烷断电仪。

长壁采煤工作面甲烷传感器的布置：对于U型采煤工作面甲烷传感器的设置，在低瓦斯、高瓦斯及煤与瓦斯突出的矿井均需设置甲烷传感器，甲烷传感器的类型根据工作面的实际情况而定。

用两条巷道回风的采煤工作面甲烷传感器的布置：甲烷传感器的设置方式与U型采煤工作面的方式一致，在工作面混合回风流处及采用三条巷道回风的工作面，设置另一个甲烷传感器；而采用三条巷道回风的采煤工作面与采用第二条回风巷甲烷传感器的设置与第二条相同。

在专用排瓦斯巷的采煤工作面设置甲烷传感器，瓦斯与煤和瓦斯探井采煤的工作面回风巷的长度大于1000米，则在回风巷中不可增设甲烷传感器。

非长壁甲烷传感器的设置可按照相关规定执行，但是在低瓦斯矿井的采煤工作面至少设置一个传感器，高瓦斯采煤工作面至少设置2个甲烷传感器。

掘进工作面在进行地面甲烷传感器的设置时，应该在瓦斯矿井的煤巷、半煤岩巷及瓦斯涌出的岩巷进行甲烷传感器的设置；高瓦斯及煤与瓦斯突出的矿井设置甲烷传感器。

在进行掘进机的布置时，均要设置机载式的甲烷断电仪或者便携式的甲烷检测报警仪。

3.2.2电缆的选用及使用方法

一般根据井筒之间的距离选用电缆，距离较长的可选用MHY32主输电缆，距离较短者可选用MHYBV钢丝恺装井筒电缆，并将电缆延到较干燥通风的环境，且用绝缘胶布带封固线头；当井下的巷道呈现出斜坡或平巷时，选用MHY32主传输电缆；监控分站的出线部门则选用MHYVR的通信电缆。另外，电缆使用时注意提升井筒的电缆放到位之后将其固定到井壁，以免由于长时间垂挂而拉断电缆线。

3.2.3调度监控室的布置

地板铺设时应选用“抗静电材料”；各种电线电缆尤其是信号传输电缆严谨拧绞在一起；现场220伏的线路布线须先出草图；整个系统应单点接地，即地线从机房引出连接到室外地线坑，而不与其他设备共用地线。

3.2.4系统接地装置施工

于距离建筑物底部3米多的地方挖2米见方的土坑，底部均匀撒上6-8千克的工业用盐，并在其上铺设铜丝网，然后埋土30多厘米厚浇水，最上方则可保留60-80厘米的土，最后将系统的地线与地线坑引线相连接。

4.煤矿安全监测监控系统的应用

煤矿安全监测监控系统的选择设计需要根据煤矿井的实际情况选择合适的监控设备，比如某矿井根据自身条件选择了KJ95N型的煤矿安全监测监控系统。该系统采用了时分制分布式的结构，主要由地面中心站、网络终端、通信接口、图形工作站、系统监控分站以及各种传感器及控制执行器等组成，是一种集矿井的安全监控、生产工况监控、多种检测子系统以及网络信息管理为一体的综合性煤矿监测监控系统，具有较强的先进性、功能性及实用性，已经在煤炭行业进行了大量的推广及应用。 [科]

【参考文献】

[1]李小孩.煤矿安全生产监测监控系统设计[J].科技与企业，2012，23（15）：112-115.

煤矿环境监测系统设计 篇4

为了防止重大事故的发生, 同时随着我国煤炭工业体制改革的不断深化, 以及现代化信息技术的蓬勃发展, 采用现代化的计算机、通信、电子等高新技术, 对煤矿矿井进行全时段、全方位严格监测和险情紧急预警等已经势在必行, 尤其是Internet技术的迅猛发展更是引领了煤矿矿井监测系统的又一个重要趋势———基于Internet的远程监测。

1 系统需求分析

根据我矿实际需求, 以及通过深入实地考察和分析, 结合信息产业厅煤矿安全监测、监控及管理项目中提出的煤矿安全标准, 主要包括:

1.1 本地与远程网络的双重监控访问模式功能;

1.2 关键数据的全面采集功能;

1.3 现场视频监控功能;

1.4 安全保障功能;

1.5 重要模拟量的曲线显示功能;

1.6 监测模拟量的列表显示功能;

1.7 开关量状态图及开机效率图显示功;

1.8 声光与短信报警功能;

1.9 数据查询与统计功能;

1.1 0 报表自动生产功能;

1.1 1 配置与管理功能;

1.1 2 打印功能。

2 系统总体设计

2.1 设计原则

(1) 精确性;

(2) 实时性;

(3) 可靠性;

(4) 易用性;

(5) 可维护性;

(6) 安全性;

(7) 灵活性;

(8) 可扩展性;

(9) 先进性。

2.2 系统的总体结构

整个监测系统可以分成四个层次:数据采集层、矿井监测点层、监控中心层和Internet层。每一个层次都由若干部件构成, 所有部件共同协作就构成了一个完整的基于Interne的远程监测系统。系统在工作时, 先由数据采集层进行矿井各种数据的采集, 然后经过一定的处理被传送到矿井监测点层, 此时, 矿井监测点就可以对本矿井的情况进行监测与监控, 接着, 由各矿井监测点把其矿井的信息传输到监控中心层, 由监控中心把所有矿井监测点的数据进行汇聚、处理, 并对它们进行监控, 同时, 监控中心通过Internet开启对外监控服务, 最后Internet层的监控用户就可以进行远程监测与监控了。

从数据采集层到监控中心采用C/S工作模式, 从监控中心到Internet层采用B/S工作模式。

(1) 数据采集层

数据采集层是整个系统的底层, 负责所有监测数据的采集与传输, 是整个系统的核心层。数据采集层主要的部件包括:气体测量传感器、温度测量传感器、湿度测量传感器、粉尘测量传感器、压力测量传感器、水位测量传感器和监控摄像头。

a) 气体测量传感器:负责对矿井内的各类气体浓度进行测量, 这里主要包括对瓦斯气体、一氧化碳、二氧化碳和氧气等进行监测, 其中瓦斯气体监测是煤矿矿井气体监测首要任务, 因为瓦斯浓度过高时可能会引起爆炸, 后果非常严重。

b) 温度测量传感器:负责对矿井内的温度进行测量, 温度对矿井环境来说也是非常重要的;

c) 湿度测量传感器:负责对矿井内的环境湿度进行测量;d) 粉尘测量传感器:负责对矿井内的粉尘浓度进行测量;e) 压力测量传感器:负责对矿井内的气体压力进行测量;f) 水位测量传感器:在很多大型煤矿中, 由于矿井深度很深, 所以就会有大量的地下水流入矿井中, 当水深达到一定的高度时可能会引起矿井塌陷等危险情况, 所以在系统中我们专门设置水位测量传感器进行矿井内水深的测量;

g) 监控摄像摄像头:负责对矿井的各个现场进行实时监控, 让远在监控中心, 甚至更远地方的有关人员都能及时的查看矿井内各个现场的真实情况。

(2) 矿井监测点层

矿进行监测点层是最底层的监测和监控部门, 它负责对本矿井的情况进行监测和监控, 在这一层一般包括采集数据处理模块、监控机、监控屏幕、数据库服务器等。

a) 数据处理模块:负责从把各传感器和摄像头采集的数据进行分类和处理, 如对占用资源较大视频数据进行压缩编码处理等, 然后将处理后的数据传送到矿井监测点;

b) 监控机:负责对矿井的各种数据进行监控, 可以提供曲线图、最大最小值、直方图、数据列表等形式的数据显示, 同时还具有对现场一些设备的控制操作等功能;

c) 监控屏幕:将各种采集来的数据通过特定的形式在其上进行显示, 便于监控操作。

d) 数据库服务器:它首先将底层传感器和摄像头等设备采集的各种数据进行存储, 同时可以向更高层的监控部门提供基础数据。

(3) 监控中心层

监控中心层是对整个煤矿情况进行总体的监测和监控部门, 它同时要负责多个矿井的监测和监控工作。在监控中心层主要的部件包括总控服务器、矿井监控机、矿井报警机、煤矿数据库服务器以及对外服务器等。

a) 总控服务器:负责对整个监测和监控系统各个部件的统一管理和控制, 一般设立在总工程师办公室处;

b) 矿井监控机:按矿井进行分列, 负责对具体矿井情况的实时监控;

c) 矿井报警机:当各矿井中出现险情时, 进行报警, 直到险情消除或强制停止为止。矿井报警机是一个综合的报警系统, 它同时可以实现声光报警和短信报警;

d) 煤矿数据库服务器:负责存储整个矿井监测出的各种数据, 是所有数据的汇集地, 同时它向其他的相关部件提供数据支撑服务;

e) 对外服务器:主要是将各种数据通过Internet向外界传播, 实现让处于任何地方, 只要能上网的用户都可以进行远程的监测和监控。

(4) Internet层

是出于整个系统的最顶层, 主要是实现基于Internet的远程监测和监控, 这里基本不需要什么特殊的部件, 只要有能上网的计算机就可以了。

2.3 系统功能模块

通过对基于Internet的远程煤矿矿井监测系统总体结构和部件功能的描述, 这里将其进行具体的模块化。在本文设计的系统中主要的模块包括:用户管理、参数配置、通信模块、视频监控模块、编解码模块、瓦斯抽放模块、短信报警模块、实时数据显示模块、历史数据显示模块、报表生成模块、控制命令模块等。

3 结束语

纵观现有的各种煤矿矿井监测系统, 可将其分为四个阶段, 即单功能监测阶段、多功能监测阶段、综合监测阶段以及基于网络的远程监测阶段。这四个阶段代表了煤矿矿井监测系统的发展趋势, 尤其是随着Internet技术的发展基于网络的远程监测系统必将成为未来的主要趋势。

摘要：煤矿矿井监测系统是一个集计算机、网络、数据库、自动监测与自动控制、传感器等技术为一体的多学科综合性自动化监测系统, 其主要用于对矿井的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、矿尘浓度、风速、风压湿度、温度、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停等环境参数和排水监测系统主要监测水仓水位、水泵开停、阀门状态、流量、压力等安全生产参数的状态进行监测, 用计算机对采集的数据进行数据处理, 对设备、局部生产环节或过程进行控制, 以便能够及时、准确地反映各类所需要的监测信息, 实现在生产中对全矿井的综合监测, 为决策做支撑。

关键词：煤矿安全,互联网,计算机技术,远程监控,安全保障,和谐矿区,信息技术,本质安全

参考文献

[1]卞长弘, 宁培松, 王晓滨, 等.矿井监测监控系统综述[J].煤炭企业管理, 2005.

[2]李长青, 朱世松, 赵建贵.煤矿安全和生产监控系统的现状与未来发展趋势[J].焦作工学院学报, 2000.

[3]廖俊.基于B/S模式的远程监控系统的研究与软件实现[D].四川:西南交通大学, 2006.

煤矿安全监测监控系统管理制度 篇5

一、安全监测监控系统管理制度

二、安全监测监控系统设备、设施管理制度

三、安全监测监控系统技术资料管理制度

四、安全监测监控系统值班制度

五、安全监测监控系统监测日报制度

六、安全监测监控系统设备和传输设备定期检修制度

七、安全监测监控系统故障报告制度 4 5 7 8 8 9

一、安全监测监控系统管理制度

一、建立健全安全监测机构。配备足额的监测队伍。负责安全监测装置的使用、维护、调试工作。

二、监测监控队伍，都必须经过安全监测和通风专业技术的培训。经考试合格取得特种作业资格证后，方可上岗工作，安全监测人员不得随意调动，不得兼职，如需调动必须经公司分管领导同意。

三、根据《矿井通风安全监测装置使用管理规定》的规定，安装使用各类型传感器，并有一定数量的备品备件，新工作面如安全监测监控系统不健全，不准验收投产。

四、凡应安设安全监测装置的地点，必须在作业规程或安全技术措施中对传感器的安设种类、数量、位置、主机和声光箱，动力开关的开设地点，控制电缆和电源线的铺设，控制区域作出明确规定，并绘制监测系统图报分管领导批准，对不具备安设装置的地点，由通风队提出安全技术措施，报矿总工程师批准。

五、应安设监控装置的采掘工作面及其它作业地点，开工前必须由使用单位，根据已批准的作业规程或安全技术措施提出安装申请表，报送信息化办公室。

六、相关监测人员接到安装申请表后，负责监控装置的安

装，调试和使用维护工作，使用单位和机电队负责提供接通井下电缆和控制线、电源线，进行连接时，必须要有井下监控负责人现场监护。

七、井下装置定期维护调试，每隔10天进行一次巡回检查调试，调试的各项技术指标应符合规定。

八、井下装置发生故障，必须立即进行处理，在井下无法处理时，应在24小时内更换井下装置。如8小时内修好，并投入使用，可继续生产，否则必须停产处理。

九、井下处理故障时，必须严格执行规程规定，严禁擅自甩掉装置不用，如确需暂时停止装置运行时，制定安全技术措施报公司总工程师审批。

十、如装置监测与人工监测出现误差时，在测值误差范围（0.2%）内时应以测值大的瓦斯浓度为准，以确保安全，如人工监测与装置监测误差超过0.2%时，应及时对传感器调试，在此期间不得擅自停用装置。

十一、监测装置在井下连续使用六个月至十二个月后，应升井做全面的检修、清理、调试和校正。

十二、监控系统地面机房值班人员要认真监视电脑屏幕显示的各种信息，详细记录各种记录。

二、安全监测监控系统设备、设施管理制度

一、建立健全瓦斯监控系统。瓦斯监控系统必须具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能，必须具备防雷电保护和断电状态以及馈电状态监测、报警、显示、储存和打印报表功能，具备不少于两个小时的不间断电源，中心站主机不少于两台，一台工作，一台在线备用。

二、安全监控系统必须在市局审查允许准入的厂家内购置安装、使用。安全监控设备必须具有“三证一标志”（生产许可证、产品出厂检验合格证、防爆合格证、MA标志），计量产品还必须有计量合格证，按要求购置安装、使用。

三、井下监控分站应安设在便于人员观察、调试、检验及支护良好、无淋水、无杂物的进风巷道或硐室中，距底板不小于300mm，瓦斯传感器应垂直悬挂，距顶板不得大于300mm，距巷道边侧不小于200mm，风速、负压、温度传感器应悬挂在能正确反应该点测值的地方。

四、传感器的安设数量、种类，甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、断电范围必须符合《规程》要求、采掘作业规程和安全技术措施，必须对瓦斯监控设备的种类、数量、位置、信号电缆和电源电缆的敷设，控制区域等做出明确规定，并绘制布置图。

五、安全监测人员入井必须携带便携式甲烷检测报警器。

六、各种传感器、分站等安全监控设备的备用量不得小于在用量的20%。

七、配备监控设备校验议，建立安全仪表计量检验制度，配足安全监测人员、仪器仪表检验维护人员，定期对安全监控系统进行调校，监控系统值班人员每班不得少于1人。

八、安全监控设备每月至少调校一次，甲烷传感器等采取载体催化元件的检测设备，每七天必须使用标准气样调试一次，其它传感器按使用说明书要求定期调校。

九、认真填写监控系统运行日志，及时填写校验检修记录，发现瓦斯超限按程序及时报告并处理，如瓦斯浓度超过规定切断控制开关电源后，严禁自动复电，只有当瓦斯浓度降到《规程》允许范围以下时，方可人工复电。

十、安全监控设备的供电电源必须取自被控制开关的电源侧，严禁接在被控制开关的负荷侧。

十一、甲烷传感器及其分站，使用前通电试运行不得少于48小时，并调试合格后方可入井使用。

三、安全监测监控系统技术资料管理制度

一、监控系统按质量标准化要求和有关规定建立健全以下帐卡和报表，并认真填写，不得弄虚作假。

设备、仪表台帐 监控故障登记表 检修记录 巡检记录 中心站运行日志 安全监控日报表 安全监控系统图

二、监控中心站必须有“装置”布置图，图上标明井下安设的分站或主机，传感器的位置及传输路线等，按季绘制，按月修改。

三、监控中心站所获得的各种技术资料均需定期保存，对井下事故记录长期保存。

四、监控中心站必须实时监控全部采掘工作面瓦斯浓度变化及被控设备的通、断电状态，每日将监测日报表报总工程师和总经理审阅签字。6

四、安全监测监控系统值班制度

一、值班人员必须经上级部门专业培训，经考试合格后持证上岗。

二、值班人员必须监守工作岗位，严禁脱岗，严格执行现场交接班制度，交接班时要对所有监控系统进行检查和交接。

三、值班人员必须禁止闲杂人员进入机房，对于前来检查和参观的人员，必须填写“来人登记记录”。

四、值班人员不得随意更改主机设备的属性，操作过程中禁止添加、拷贝、删除和卸载任何文件。

五、值班人员不得随意使用回收站回收程序，以防有用文件回收。

六、严禁值班人员自带光盘和软件上机操作。

七、严禁值班人员在主机上进行游戏操作，确保系统正常远行。

八、值班人员有权制止其他人员在主机上进行操作，经常保持机房及设备的整洁、卫生。

九、负责瓦斯超限报警、系统不正常运行、上级监控中心的指示请示汇报矿领导工作。

五、安全监测监控系统监测日报制度

为了提高矿井防灾能力，及时准确地将井下有害气体及环境参数反馈至矿领导，特制定本制度：

每班必须认真监控矿井瓦斯异常信息、实时数据与图像。

监控员必须熟悉整个系统的操作和程序，及时打印当日监测日报表。

调度室要将每日打印的监测日报表报总工程师、总经理审阅签字，对反映出的问题要批注审核意见，并负责督促、协调问题的处理，及时掌握问题处理进展情况，直到问题彻底处理完毕。

对监测日报的打印、上报、管理必须尽职尽责。

六、安全监测监控系统设备和传输设备定期检

修制度

一、安全监控设备以及传输设备投入使用前要在地面经48小时的通电运行，调试合格方可安装。安装后要进行运行前的调试，各项指标合格后方可使用。

二、安全监控设备以及传输设备投入运行前要进行一次调试、校正。以后安全监控设备必须定期进行调试、校正，每月至少1次。甲烷传感器每7天必须用校准气样和空气样

调校一次，每7天必须对甲烷传感器超限断电功能进行测试。甲烷传感器的调校项目包括：零点、灵敏度、报警点、断电点、复电点和指示值等。

三、安全监控设备以及传输设备在井下连续运行6个月至12个月，必须将井下部分全部运到井上进行全面检修。

四、升井检修设备期间，必须使用校验合格的安全监控设备进行更换，并保证能够正常使用。

七、安全监测监控系统故障报告制度

为了保证监控系统正常运行，为矿安全生产保驾护航。特制定本制度：

一、安全监测监控系统一旦发生故障，值班人员应立即向值班领导报告，积极组织厂家和系统维修人员进行抢修，尽可能在短时间内恢复正常，并做好故障发生的时间、地点、现象、原因以及处理办法和恢复正常的记录，留档备查。

三、值班人员平时要注意系统的运行状况，系统运行中的一切不正常状态都要一一记录在《故障报告登记表》中，做到有备可查，并及时报告值班领导。

四、监控员只要发现系统有瓦斯超限报警，包括瓦斯超限，零点偏移等情况，及时向监测监控负责人报告。

五、监控人员在维护和处理超限情况时，不得弄虚作假，以免留下安全隐患。

六、在传感器的运行过程中，监控值班人员发现传感器报警，要及时通知维修人员进行处理。

煤矿环境监测系统设计 篇6

关键词：煤矿 安全监测监控系统 对策

我国煤炭资源丰富，但开采条件复杂，自然灾害严重，47%的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井。在当前煤炭市场的推动下，部分煤矿存在突击生产或盲目超产现象，造成近几年矿井安全事故发生率居高不下。为保障煤矿的安全生产，除进一步加强煤矿安全管理意识外，关键是建立煤矿井下安全监测监控系统，形成煤矿井上、井下可靠的安全预警机制和管理决策信息通道。所以当前现代化矿井的生产不仅要解决煤矿生产过程中存在的安全问题、生产自动化的问题、又要了解各种与生产经营相关的信息。建立安全生产、调度和管理网络系统，对井上、井下安全生产全面了解，靠及时准确的信息指挥生产和防止各种事故的发生，已成为煤矿设计工作必须解决的问题。

一、 煤矿安全监测监控系统的作用

矿井安全监测监控系统是传感器技术、信息传输技术、计算机应用技术、电气防爆技术和控制技术等多种技术在矿井安全生产监控领域应用的产物，对保障煤矿安全生产，提高生产效率和机电设备的利用率都具有十分重要的作用。

矿井安全监控系统一般由三部分组成：①中心站（包括应用软件、计算机及外围设备）；②信息传输装置（包括传输接口、分站、传输线、接线盒等）；③传感器和执行装置。具体来讲，煤矿安全监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度等环境参数和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控制，用计算机分析處理并取得数据的一种系统。安全监控系统可以为各级生产指挥者和业务部门提供环境安全参数动态信息，为指挥生产提供及时的现场资料和信息，便于提前采取防范措施。另外通过对被测参数的比较和分析，系统可以实现自动报警、断电和闭锁，便于制止事故的发生或扩大；在发生事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材，提供决策信息。

二、 安全监测监控系统存在的几个问题

①诊断功能有待加强，系统的可维护性低

现场设备在线故障诊断、报警、记录功能不强，现场设备的远程参数设定困难，影响系统的可维护性。作为管理维护监控系统的辅助手段，部分系统只能对系统的通讯状况诊断，不能详细地判断故障的性质和故障点。但实际工作中要求能迅速判断出分站、传感器或电缆故障之间，或短路报警与真实超限之间的区别，为维护人员提供故障的类型和方位，以便于迅速处理故障地点。

② 现场管理和维护水平欠缺

尽管我国各省市煤炭管理部门都强制性要求各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统，而且近几年再次加大了对矿井安全生产的管理力度，但一些地方国有煤矿，特别是乡镇小煤矿，多数由于缺乏专业技术人员而不能正常使用和维护已装备的系统，甚至对系统配接的传感器根本不进行调校。另外，在大多国有煤矿还存在着监测监控方面的管理制度不够健全、对已经存在的监测监控管理制度执行不严、对监测监控系统的监督管理不到位等问题，严重地制约着安全监测监控系统的正常运行。

③ 通信协议不规范，可集成性差

因为没有一个符合矿井电气防爆等特殊要求的总线标准，所以现有生产厂家的监控系统的通信协议几乎都采用各自专用的，互不兼容。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差，不易于系统功能扩展。在使用中，个别系统虽经多次升级改造，仍不能实现系统资源的有效共享，形成了一个个独立的“信息孤岛”，严重阻碍了矿井安全生产管理水平的进一步提高。

④ 传感器质量和性能差

与安全监测监控系统配接的甲烷传感器和CO传感器已成为矿井瓦斯综合治理和监测煤炭自燃发火灾害预测的关键技术装备，并越来越受到使用单位和研究人员的普遍重视。但在现场使用中，虽然系统主机、分站以及软件已经不断进行升级，但国产安全检测用的传感器几乎全部采用载体催化元件，长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁、灵敏度漂移以及制作工艺水平低等缺点，严重制约着矿井有害气体的正常检测。另外《煤矿安全规程》中对甲烷传感器的调校有严格的规定，调校工作需要专用器具和标准气样，对调校人员的技术水平有一定的要求。很多煤矿往往由于缺乏专业技术人员等原因而不能按时对系统进行维护和调校，甚至从不调校，严重制约了矿井有害气体的正常检测。

三、 提高安全监测监控系统良好运行的措施

① 规范监控系统统一通信协议

通信协议不规范将造成设备重复购置、系统补套受制于人和不能随意进行软硬件升级改造等后果。为了改变标准不统一的局面，国家出台了很多规范性规程和标准对监控系统及信息传输协议等进行规范，如《矿井安全监控新标准、新规程汇编及矿井安全监控系统设计与选型手册》等。建议各监控系统统一通信协议，统一采用SQL数据库，采用统一数据格式，这样可以很方便对系统进行维修、补套、升级，也可以很方便的建立矿、公司（矿务局）两级数据存储中心，并与上级监管系统联网，实现系统资源共享。

②发展专家诊断、专家决策系统软件

科研院所应开发专家诊断、专家决策系统软件。专家诊断应具有对故障的智能分析、判断功能，改变系统自检功能单一、简单的情况。在发生事故的情况下，能正确指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材提供决策。

③研究和开发出高品质的传感器

国产安全检测用甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，与国外同类传感器比较差距较大。所以国家科研院所应加大科研投入力度，进一步提高传感器应用的可靠性。

④加强技术培训，完善管理制度

监测监控系统维护要求非常严格，所以在日常监测管理工作中采取多种形式提高维修人员的维修技术和操作水平，每月应组织理论和实践的学习，对新调入的安全监测员，重点加强对其基础知识的学习和培养，合理利用售后服务和兄弟矿井相互指导的便利条件，确保矿井监测系统维护的顺利进行。另外要建立细致严谨的管理制度，及时完善有关监测监控管理的规定和制度，有效提高相互监督、相互预警的能力。

四、总结

安全监测系统是生产、安全及管理方面的一个实时监控系统，通过本系统可以使管理层快速、及时、准确地获取生产相关数据，提高决策的科学性，从而避免或减少因决策失误而造成的安全事故和财产损失。

参考文献：

[1] 搞好矿井安全监测监控系统确保煤矿安全[J].山东煤炭科技.2008年第3期.

煤矿环境监测系统设计 篇7

目前, 煤矿井下环境的监测和人员定位系统基本上都是基于有线通信的形式实现的, 依靠在矿井下铺设电缆来监测井下环境, 了解作业员工的位置。但是, 铺设电缆的成本很高, 而且维护费用不菲, 维护难度很大。此外, 在目前大多数的矿井中, 井下环境监测设备与定位设备不是同一套系统, 没办法确定相关参数超标的具体位置。

物联网技术是继计算机、互联网之后的第三次信息技术革命。物联网这个概念是在1999年提出来的, 其英文名是Internet of things (IOT) 。关于物联网的定义, 学术界迄今没有完全统一的意见, 其定义目前已经超过千种。总体而言, 物联网是解决物品与物品、人与物品、人与人之间的互连。简而言之, 物联网是通过各种传感技术 (RFID、传感器、摄像头、GPS等) 、通讯手段 (无线、有线、长距离、短距离等) , 将物体与互联网相连, 从而实现自动控制、远程监控等功能的一种网络。

在煤矿中引入物联网技术, 对矿井井下环境进行实时监测、对人员进行准确定位, 是实现对矿井进行实时监管的重要举措, 也将掀起矿井安全管理的一次技术革命。

1 系统总体架构

煤矿井下环境监测及人员定位系统的总体架构, 见图1。在整个系统当中, 主要由三部分组成, 从下到上分别是定位模块及瓦斯传感器、Zig Bee通信网络和地面监控中心。其中定位模块及瓦斯传感器相当于物联网系统中的感应层, Zig Bee通信网络属于物联网系统中的网络层, 而地面监控中心则属于应用层。

2 各个模块及其功能

2.1 定位模块及瓦斯传感器

定位模块及瓦斯传感器模块结构, 见图2。

在本系统当中, RFID定位模块采用的是NRF 24 LE1, 定位模块由RFID读写器和有源电子标签组成, 有源电子标签由矿工随身携带, 每个RFID读写器都会对应一个Zig Bee路由器节点。读写器会分布在矿井下面的各个点, 当矿工随身携带有源电子标签进入读写器的读写范围之后, 读写器便会对电子标签进行数据读取, 读取完成后会把这些数据传输给Zig Bee路由器, Zig Bee路由器又会通过Zig Bee网络传输给上层的地面监控中心。有源电子标签平时处于休眠状态, 当电子标签进入读写器的能量场之后, 就会被唤醒, 这个时候有源电子标签会把自身携带的数据信息及矿工想要发出的相关信息发送给读写器, 当发送完成之后有源电子标签又会进入休眠状态。因此, 除了在发送信息时处在正常功耗状态, 有源电子标签基本上处于休眠状态, 功耗很低, 这种低功耗的方式非常适合矿井下复杂的环境。

在煤矿井下环境监测及人员定位系统中, 其对环境参数的监测主要是瓦斯含量的监测, 瓦斯定义广泛, 不单指某一种东西, 包括一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、硫化氢、二氧化碳和氮等。在整个系统中, 瓦斯传感器采用的是MQ-4气体传感器, MQ-4采用的气敏材料是二氧化锡, 二氧化锡的电导率很低。当气体传感器处在含有可燃气体的环境中时, 可燃气体含量越高, 传感器的电导率就会随之升高。传感器会将检测到的电导率数据传送给读写器, 读写器会将电导率数据转换成可燃气体含量, 即瓦斯体积分数。读写器会根据这个瓦斯体积分数来确定是否发出警报。由于瓦斯传感器是与读写器连接在一起的, 因此, 这也可以让监控中心对瓦斯超标区域进行定位。

2.2 Zig Bee 网络

在煤矿井 下环境监 测及人员 定位系统 中, 使用Zig Bee来搭建网络, 实现物联网的数据传输。Zig Bee网络即是物联网的网络层, 其主要功能是进行数据的传输。在整个系统网络中, 各个模块和设备都具有不同的网络功能。具体而言, RFID读写器会把接收到的有源电子标签信息、瓦斯传感器数据和自身数据传输给Zig Bee路由器节点, 另外, 还会接收来自Zig Bee路由器节点发过来的控制信号;Zig Bee路由器节点之间会进行相互的通信, 其会把从RFID读写器收到的数据以多级续传的方式最终传输至Zig Bee协调器节点, Zig Bee路由器节点也会接收来自Zig Bee协调器节点的控制信号;Zig Bee协调器节点则会把从RFID读写器经由Zig Bee路由器节点传输过来的数据发送给地面监控中心, Zig Bee协调器节点也会接收来自地面监控中心发来的控制信号。

2.3 RFID 读写器的分布

RFID读写器在煤矿井下环境监测及人员定位系统中非常关键, 其不但需要读取有源电子标签的信息, 从而对矿工进行定位, 还需要接收来自MQ-4型瓦斯传感器的信息, 从而判断瓦斯含量是否超标, 是否需要报警。

在实际的煤矿井下, 其环境十分复杂, 通道极不规整, 而且极为曲折, 因此, 如果RFID读写器没有得到合理的分布, 那么其读取范围会被限制, 无法达到理想的读取范围, 不但影响瓦斯含量的监测, 也会影响矿工的定位, 一旦发生灾害, 后果不堪设想。在环境复杂的煤矿井下, 蜿蜒曲折的通道的拐弯部分会成为读写器的盲区, 因此, 在进行RFID读写器的设置和分布时, 一定要讲究科学的方法, 只有分布科学合理, 才能进行精准定位, 确保其读取范围能够覆盖整个矿井。

具体而言, 在对RFID读写器进行分布时, 需要遵循以下几个原则:第一, 在每个通道的路口, 都要安装一个RFID读写器;第二, 如果是一条单通道的路线, 每隔50米就要安装一个RFID读写器;第三, 如果出现交叉路口, 则要根据实际情况适当增加RFID读写器的数量, 避免出现读取盲区;第四, 为让路由器进行正常的续传, 要尽可能的让相邻的两个RFID读写器之间没有障碍物阻挡。

3 结 语

本设计利用物联网技术构建一个煤矿井下环境监测和人员定位系统, 主要使用了射频识别技术、传感器技术、Zig Bee网络技术和计算机技术, 从而实现了对矿井

中瓦斯情况的实时监测和矿工的定位。通过对瓦斯情况的监测, 可以有效预防瓦斯爆炸的发生, 避免引起矿难;而且一旦发生矿难, 地面监控中心也能够确定井下被困人员的位置, 为营救提供便利。此外, 本系统具有低功耗、低成本和易拆装的特点, 十分有利于在煤矿企业进行推广应用。

参考文献

[1]李贤功, 路娟, 浩佳.煤矿应用水平评估[J].工矿自动化, 2015, 43 (1) :1-5.

煤矿环境监测系统设计 篇8

针对现有煤矿井下环境监测系统存在的弊端,设计了基于无线传输技术、嵌入式技术、网络技术相结合的煤矿井下环境实时监测预警系统。该系统可以监测井下空气的温湿度及CO、O2、CH4浓度。

无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)是由随机分布的集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点通过自组织方式构成的网络,融合了传感器技术、信息技术和网络通信技术,是一种全新的网络化信息获取与处理技术。节点之间通过无线方式自组网,动态性强,可实现多路径传输等功能[4]。节点的特点正好满足煤矿井下大范围环境监测的需要。

1 系统设计

1.1 监测系统的总体结构

基于WSN和ARM7的煤矿井下环境监测预警系统由井下无线采集系统和井上监控系统两部分组成,其总体结构如图1所示。

井下无线采集系统由采集节点、汇聚节点和网关节点组成。采集节点主要负责整个监测区域的空气温湿度及CO、O2和CH4浓度数据的采集和发送;汇聚节点是监测区域数据的中转站,主要负责接收采集节点发送过来的数据,然后发送至网关节点;网关节点主要负责汇聚各个汇聚节点发送来的数据并通过以太网传输至井上监测系统。大量采集节点随机部署在井下各监测区域,以自组织方式构成簇状网络,某个节点出现故障也不影响网络运行,保证了数据传输的可靠性和系统的安全性。为保证系统的扩展性和易操作性,整个井下监测系统采用模块化设计,根据需要选择不同的传感器模块与采集母板连接。

井上监测系统主要是实时采集、存储、监视和处理来自远程终端设备节点的各种环境信息,并且能够随时设定基本阈值、超限报警阈值等参数,实现对井下开采环境的有效监控和管理。

1.2 无线传感器网络的构建

系统层次型网络:采集节点和汇聚节点组成第一层无线网络,汇聚节点和网关节点构成第二层无线网络,网关节点和上位机构成第三层网络。将每一个区域的节点划分为1个簇,作为网络的基本单元,采集节点负责采集该区域内的各个环境变量;区域出口放置汇聚节点,其主要负责簇网络的管理、采集节点采集信息的汇聚与转发。在升井口放置协调器节点(网关节点),通过网线将其和井外上位机相连,发送网络控制命令,汇聚各个汇聚节点转发的信息,同时,S3C44B0X对信息处理后通过网口将信息传输给井外的上位机。

2 系统的硬件设计

传感器节点由低功耗无线单片机MC13213、信息采集模块、无线网关、电源管理模块等部分组成,系统节点集成度高、功耗低、体积小、抗干扰能力强、灵敏度高,发射功率为4 dBm,通信距离为30～100 m[5]。

2.1 采集节点硬件设计

系统无线单片机采用飞思卡尔公司推出的MC13213,其内部集成了HCS08 MCU和符合ZigBee技术的2.4 GHz无线收发器,采用SIP系统单封装,内含60 kB FLASH及4 kB RAM,并自带嵌入式闪存,工作电压为2.0～3.4 V,集成8位外部中断、8通道10位模数转换、低压检测LVD和看门狗定时器,具有优良的无线接收灵敏度(-94 dBm)和强大的抗干扰性能。另外,集成收发/接收(Tx/Rx)开关,外围电路简单,可编程引脚丰富,并包含CAN、UART、I2C等常用接口[5]。

无线传感器网络在应用中存在的最大问题就是能量问题,一旦节点的能量耗尽,节点就将退出无线传感器网络,影响整个系统的正常运行。要保证在煤矿井下恶劣环境下传感器能够正常工作,在传感器的选型上,综合考虑了成本、精度和稳定性等因素,采用一氧化碳传感器NAP-505、瓦斯传感器KGS-20、氧气传感器O2-A2和温湿度传感器SHT10。

2.2 电源管理模块

电源管理模块为其他模块提供能量,是保证系统正常运行的前提条件。系统中采用了3种节点,为了满足其不同供电需求,设计了2种供电方式:外部直流供电方式和内部电池直流供电方式。由于传感器采集节点是移动的,可以随机放在井下的任何位置采集环境信息,因此可采用电池供电;由于汇聚节点和网关节点是固定在巷道内不需要移动,正常情况下用外部直流电源供电,当发生意外情况导致外部直流电源不能够供电时,电源管理模块会自动切换到电池供电方式,以保证节点和网络的正常运行。

2.3 网关节点设计

网关节点处理器模块采用Samsung公司生产的S3C44B0X ARM微处理器,其片内集成了ARM7 TDMI核,芯片内部集成了LCD控制器、SDRAM控制器、2个串行接口控制器、PWM控制器、I2C控制器、IIS控制器、实时时钟、AD转换等丰富的外围控制模块,提供Thumb16位压缩指令集和JTAG软件调试方式,有4 种电源管理模式,支持省电模式,完全能满足系统要求[6,7]。

3 系统的软件设计

3.1 通信传输协议

在无线传输过程中,由于受传输距离、噪声、现场状况等因素的影响,采集节点和汇聚节点之间、各汇聚节点之间、汇聚节点和网关节点之间通信常常会发生无法预测的错误,影响数据的传递。要保证系统能够可靠地通信,通信传输协议的制订变得尤为重要。

为了减少能量的损耗,提取有效数据,通过测试和试验发现,0XAA后跟0X55在噪声中不易发生能量损耗,所以协议规定只接收以0XAA+0X55开头的数据包[8]。

采集节点到监控中心的帧有2种:数据帧和状态帧。

数据帧的格式:

状态帧格式:

监控中心到采集节点的帧有2种:查询与控制工作状态命令帧和应答确认帧。

查询与控制工作状态命令帧格式:

应答确认帧格式:

3.2 节点程序设计

3.2.1 节点工作方式

为了保证系统监测的实时性,一方面需要网络对煤矿井下环境进行长期监测,按照设定的周期将采集到的信息送到网关节点,同时,系统必须考虑无线传感器网络的节能问题,由于无线通信能耗是整个无线传感器网络能耗的主要部分,因此着重考虑无线收发系统的能耗管理。另一方面,在有紧急事件发生(如CH4浓度超限、温度超限或者CO浓度超限)的情况下,网关节点需要通过采集节点在尽可能短的时间内得到紧急信息,及时将井下环境信息发送到上位机。基于上述原因,设计了煤矿井下环境监控系统的2种工作方式:定期巡检工作方式和唤醒工作方式,分别实现井下各个监测信息的周期性监测和紧急事件监测。

在定期巡检工作方式下,网络的各节点完成部署并形成网络之后,先由网关节点广播1个睡眠命令,通过各汇聚节点中继转发至各采集节点,采集节点收到之后转入睡眠状态;经过1个睡眠周期后各端节点醒来,等待汇聚节点的数据收集命令;当汇聚节点广播数据收集命令后,不同的传感器采集节点进行数据采集,并将采集到的环境信息传送至汇聚节点;汇聚节点将收集到的数据传输给网关节点,这样便完成了1个工作周期。网关节点将收集到的数据处理完毕后会再次广播睡眠命令,以控制各簇节点再次进入睡眠状态[7]。

在唤醒工作方式下,无线传感器网络的网关节点和汇聚节点一直处于侦听状态,而采集节点绝大部分时间处于睡眠状态,但传感器将不间断地监测环境信息。当传感器监测到某一数据超限时,例如CH4浓度超过设定的阈值,传感器就以中断的方式唤醒采集节点,然后采集节点立即将采集的数据传向汇聚节点,汇聚节点再经过网关节点将数据传输到井上监测系统,供相关工作人员进一步处理[7]。

3.2.2 数据传输过程

根据所定义的传输协议,首先,采集节点采集环境信息,包括空气的温湿度及CO、O2和CH4浓度,按照自定义的数据格式形成信息数据包。采集节点发送该数据包,汇聚节点接收到数据包后,修改其中的下一目的节点的ID,之后再转发数据包,直至到达网关节点,完成环境数据信息的无线传输和网关节点对信息的汇聚。数据信息传输过程如图2所示。

4 井上监控系统的实现与监测试验

4.1 井上监控系统的实现

井上监控中心以Microsoft Visual Studio 2008作为开发平台,采用C#语言对系统进行开发,使用Microsoft SQL Server 2005数据库对数据进行管理,系统要同时完成接收数据、存储数据、处理数据等多项任务,通过调用System.Threading命名空间里的Thread类来实现多线程。数据的实时动态显示是通过第三方Chart控件实现的。井上监控中心根据功能划分,主要包括数据接收、数据存储、数据显示、预警四大功能模块。

1) 数据接收模块。

井上监控系统通过网线和井下的网关相连接,计算机只需要实时监听本地IP地址的固定端口,基于socket编程技术,根据自定义的数据包格式,接收并提取采集的井下环境信息。

2) 数据存储模块。

当计算机监听并接收到数据后,在对数据处理之前,需要先对数据包进行解析,把数据按采集时间和种类进行分类,分别存储在数据库中对应的数据表中。

3) 数据显示模块。

为了更直观地观测到井下环境数据的变化情况,从数据库中读取对应的环境信息数据,通过第三方Chart控件,将数据动态实时地显示在系统主页面上。

4) 预警功能模块。

井下的工作环境很重要,对超出阈值的节点,对应的节点类型和节点号显示在监测系统超出阈值的节点列表中,以便井上工作人员及时通知井下人员撤离不安全区域。

4.2 监测试验

在模拟矿井中进行现场试验,用不同的传感器节点和母板相连,在试验中使用了一氧化碳传感器节点、瓦斯传感器节点、温湿度传感器节点、氧气浓度传感器节点。同时这些节点与网关节点构成监测网络,负责对井下监测区域环境信息的实时采集,并传输到井外的监测中心。由井上监控中心对数据进行存储、处理及实时显示。试验过程中,使用传感器节点30个,汇聚节点5个,网关节点1个。各种环境参数的阈值是通过井上监控中心系统来设置的,当监测结果超过设定的相应最佳参数阈值时,则将所采集的参数类型和节点的编号显示在阈值节点列表中。由于数据都存储在后台的数据库中,调用时比较麻烦,为此设计系统时可以选择需要的参数数据导出到Excel表中,供煤矿专家进行研究。

为安全起见,在测试系统的性能过程中,只选取了温湿度传感器,在试验过程中人为地对温湿度传感器进行了加热,试验结果表明:温度变化能够及时地在监测系统中反映出来,系统性能稳定,并能实现对CH4、CO、O2浓度以及空气温湿度的实时监测。煤矿安全监测预警系统查询界面如图3所示。

5 结语

将无线传感器网络应用到煤炭开采环境监测中,具有传统的井下环境监测无法比拟的优势。基于WSN的煤矿安全监测预警系统是以ARM控制器为核心,以无线传感器网络和Internet技术为支撑的集监测、显示、通信和预警等多功能于一体的煤矿环境实时监测预警系统,该系统充分发挥了两种网络的优点,为煤矿井下开采环境的监测提供了一种有效的解决方案,可提高煤矿井下生产的安全性。

摘要：针对煤矿生产环境监测问题,设计了一种基于无线传感器网络的实时煤矿安全监测预警系统,给出了系统的总体结构。该系统以MC13213为无线传感器节点核心,对煤矿井下的CO、O2、CH4气体浓度及矿井空气温湿度进行实时采集和监测;以ARM微处理器S3C44B0X为控制核心,利用以太网将数据传输到井上后台系统,后台系统对数据进行分析并对井下环境进行评价,当有危险情况发生时,系统能提前发出报警信息。试验表明,该系统结构简单、运行稳定,可以准确进行煤矿的安全预警预报工作。

关键词：无线传感器网络,煤矿,安全监测,层次型网络

参考文献

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[3]Park C,Xie Q,Chou P,Shinozuka M,Duranode.WirelessNetworked Sensor for Structural Health Monitoring[C]//IEEE Sensors,2005:277-280.

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[7]鲜晓东,常超,胡颖,等.基于WSN和GSM的室内环境监测预警系统设计[J].传感器与微系统,2011(6):141-144.

煤矿环境监测系统设计 篇9

“安全为天”是煤矿常见的口号,由于煤矿企业的特殊情况,安全问题十分突出,开滦(集团)在各个生产矿井都安装了安全监测系统,用于探测井下瓦斯、重要设备开停等,保证安全生产。

多年的实践表明,现有的安全监测系统存在一些问题,其中最突出的就是无法实现远程实时报警,领导和管理人员不能及时掌握监测系统状况。同时,开滦集团共拥有的11套监测系统,由于历史原因,分别选择了4个厂家的产品,不利于系统集成。

开发的这套软件着眼于上述问题的解决,该系统能够实现实时接收监测系统的监测数据,并将监测系统报警信息实时传送到相关人员,达到报警目的,以便及时排除不安全因素,保证安全生产。同时能够对监测数据进行日常维护和历史数据维护,实现数据和各类报表的显示、打印、分析等。

1 系统需求分析

1.1 系统要求

1)全系统主要是瓦斯报警,但其他项目如开关量等也要监控报警。

2)的数据库是access数据库,可以进行读取操作。为了实现网络化管理,需要转换成MS SQL server数据库。

3)行短信报警前要对数据进行严格的过滤,排除掉错误的报警数据,有的情况有过滤算法,有的情况需要进行人工判断。短信发送要和具体情况进行结合:

(1)和数据的结合。能用程序判断确定是报警信息的,自动进行短信发送,不能确定的由人工判断是否发送。

(2)和短信接收人员进行结合。对接收人员分出级别,普通级的不受限制,可随意接收报警信息,特殊级的要受到限制,有人工干预是否进行短信发送。

4)发布范围

瓦斯浓度达到1.0%---<1.5%,矿总工程师、安全副总、通风区长、监测队长。

瓦斯浓度达到1.5%---<2%,矿总工程师、生产副经理、安全副经理、安全副总、通风区长、监测队长;通风部主任、副主任工程师、科长。

瓦斯浓度达到或超过2.0%,矿经理、总工程师、生产副经理、安全副经理、安全副总、通风区长、监测队长;集团公司安全副经理、安全副总;煤业公司总经理、总工程师;通风部主任、副主任工程师、科长。

5)监测系统每20秒更新的数据进行实时的接收。

6)发布信息格式:

xxx矿,xxxx工作面,xx时xx分,瓦斯达到x.x%

7)可显示实时报警数据,并给予声音提示。

1.2 实时数据设计

包括文件头和数据记录格式。

1.2.1 文件头

煤矿编码:煤矿的唯一识别码

时间:本数据产生的时间

个数:传感器的个数,实际上就是数据记录的条数

修改标志:表示设备安装情况是否发生变化,当此数据有效时,应重新传输设备安装情况

其他:其他需要说明的数据

保留:为兼容、扩充以后的数据保留的空间

1.2.2 数据记录格式

数据:实时数据。

数据状态:按位来表示数据状态,如表1所示。

下面对表1中各状态位进行了说明。

传感器故障:由于传感器故障的原因,导致的数据不正常

暂停:人为的设置,传感器处于暂停的状态

不巡检:由于分站不巡检而导致的传感器数据不正常

分站故障:由于分站故障的原因,导致的数据不正常

超量程:被测对象已经超过了传感器的测量范围

调校:正在对传感器进行调校,数据是虚拟的

断电:传感器的测量值超过了设定的断电值

报警:传感器的测量值超过了设定的报警值

为提高数据传输的效率,监控设备安装情况和实时数据应分别传输。通过和监控厂家协商,设定了数据交换标准,本标准包括设备交换和实时数据交换标准,文件通过网络文件共享的方式提供给不同的主机使用,文件格式采用纯文本方式。

2 系统设计

2.1 总体思路

系统分为两部分,一是分布到11个矿业子公司的进行数据实时接收、处理、上传并进行短信报警的数据处理子系统。一是安装在集团服务器上的对全集团的监测数据进行接收、分析、汇总的汇总分析子系统。采用C/S模式与B/S模式相结合的技术路线,充分利用了C/S的直观、高效和B/S的先进、灵活的特点。同时,开滦集团具有的高速、稳定的光纤系统为两个子系统的结合提供了有力的保障,是监测数据实时上传功能设计与实现的前提。

数据处理子系统。此子系统共分为基本信息模块、数据处理模块、短信模块、业务功能模块。基本信息模块包括管理人员设置、短信接收人员设置、系统基本信息设置、接收人员组别设置等子模块;数据处理模块包括实时数据的接收、分析、上传子模块;短信模块包括短信装置的设置、报警短信的发送子模块;业务功能模块包括报警短信的控制、报警信息查询、报表处理等子模块。

硬件:采用工业级多通道短信发送装置,通过串口与服务器相连。

开发工具:PowerBuilder8.0

数据库系统:SqlServer 2000

操作系统:Win2000 Server

汇总分析子系统。接收各个数据处理子系统的上传数据,进行汇总、分析,供集团领导进行宏观管理,并提供各种查询、分析报表。

编程语言:JAVA语言。利用JAVA技术在网络编程上的优越性,编写Jsp、Servlet、Java Bean等程序。

开发工具:Jbuilder

2.2 数据库设计

数据库共有6个表。

1)设备配置表:监测系统所包括的所有的监测点、设备的情况。

2)报警数据表:报警的数据

3)短信发送记录表:记录短信的发送。

4)短信发送基本设置表。

5)短信接收人员表。

6)管理人员表。

3 功能设计

3.1 按功能划分基本模块

系统功能划分如图1所示。

3.2 系统功能设计

1)登陆模块。需要有管理人员的记录,包括用户名,密码,权限等,其中管理员具有登录功能;修改密码功能;注销功能;手动发送短信功能,可灵活的设置接收人员;短信发送明细报表,可分时查询,可打印;管理员增加、删除、修改;短信接收人员增加、删除、修改;自主设置矿名,数据路径,报警间隔时间等信息;自主设置报警声音;每天定时发送固定信息,时间、内容可自定。

2)实时数据接收模块。此模块主要实现对监测系统的实时数据接收和保存到数据库等前期处理功能。

基本设置:根据监测系统提供的数据接口进行设置,如:数据文件的所在位置、名称、数据格式、密码等设置信息

数据接收:根据基本设置进行监测信息的数据接收

数据前期处理:对接收到的数据进行前期处理,如将数据分类别保存到数据库中,同时设置接收时间,接收地点等信息安全监测系统的监测信息的实时数据接收到服务器,存放到指定的数据库。

3)数据处理模块。对设备文件的数据进行更新操作,并及时的将更新内容反映到程序的其他模块;对数据文件的处理需要和业务进行详细的结合。两种数据都需要相应的表进行记录。

4)短信发送模块。对于发送的信息进行转换并发送,每次的发送都要进行记录,要有成功与否的反馈。

5)数据上传模块。对报警信息上传到集团服务器上进行处理,并进行相应的记录。

6)报表模块。对一些记录进行报表打印。

4 系统主要功能

系统主界面主要包括以下几部分:

1)程序运行状态显示。

2)实时数据显示。

3)报警数据显示。

4)报警短信发出后是否接收的反馈信息显示。

5)菜单区,包括文件、功能、数据字典等内容。

系统每5秒钟程序检测一次数据,例如窗口中显示,“11:16:03:正在检索文件”和“11:16:08:正在检索文件”,若检索到设备文件(即dev.txt),则显示“开始处理设备数据。。。。”。首先查看文件生成的日期,如是最新的文件,则进行处理,如不是,则显示“不是新的设备文件,设备文件处理完毕”。同样,对数据文件(即rtdata.txt)进行同样的处理。

第2部分显示得到的实时数据和实时数据产生的时间。

在窗口菜单区点击“功能”选择发送短信,在手机号码框中输入对方的手机号码(注意要以“;”结束)。如果要发给多人,可连续输入,每个手机号码都要以“;”结束。输入短信内容后点击“发送”按钮即可发送。也可选择已有人员进行发送,可以按单人、按组发送。

5 结论

1)通过本系统的实施,使实时报警达到规范化。

通过具体实施,数据处理子系统的处理完成时间在5秒中以内,在各监测系统传送监测数据的时间范围以内,达到了规范要求。数据采集格式遵循“瓦斯监控系统数据接口规范”,将不同的监测系统进行了统一规范。同时报警速率达到了1条短信/1秒的速率,准确率达到了100%。通过对每一步操作的规范化处理,使系统实现了整体规范化运行,为全集团的监测报警系统走向规范化奠定了基础。

2)使实时报警走向科学化

此次系统的实施在技术上和管理上均采用了先进的科学技术。硬件上采用了4通道循环检测短信发送装置,使报警信息的传送速度和准确率达到了国内先进水平。软件技术上使用了目前流行的编程工具powerbuilder和jsp技术,采用大型数据库sqlserver,科学的将c/s技术和b/s技术结合了起来。

在管理上采用了先进的精细管理、双向控制(RMDC)管理思想,在现代精益管理理论指导下,结合实际构建出有效的管理实体,融入了以精细管理为重点,以量化、细化管理为标志的管理体系。

3)真正实现了安全系统的移动办公

对实时接收到的安全监测数据处理后,通过集团公司网络平台远程上传到集团的服务器上,做到接收实时、处理实时、上传实时,每位领导、技术人员可以在企业内部任何地方上网查询,在外地可以通过CDMA虚拟网上开滦内部网查询;可以通过手机短信随时把有关情况通知到每名相关的领导和技术人员,起到了远程报警和宏观调控的作用,提高了生产过程中报警的及时性和准确性,为开滦集团的安全生产再上一个新的台阶提供了技术保障。

参考文献

[1]Bill Venners著.曹晓钢,等译.深入Java虚拟机[M].机械工业出版社,2003.

[2]柯建勋.PowerBuilder8.0基础篇[M].清华大学出版社,2002.

煤矿环境监测系统设计 篇10

在望条件差的煤矿铁路无人道口两侧设计安装一套监控报警系统, 可有效避免或减少事故发生。当列车接近道口时, 道口报警装置向公路方向发出声光报警, 并将道口环境和捕捉到公路上的动态信息无线传输至机车驾驶室内, 使列车司机可以提前掌握前方道口的车辆、行人通行情况, 从而采取相应措施, 确保无人道口行车安全。

1 矿区铁路道口环境特点

(1) 矿区铁路无人看守道口较多。由于矿区铁路建设时投资不足, 设计标准低, 铁路路基高度较低, 铁路与公路基本上都是平面交叉, 形成了较为密集的矿区铁路道口, 设置有人看守道口需要投入大量的设备和人员。受铁路运输成本限制, 矿区铁路运输企业仅限于将路面较宽、公路通车量较大的道口设置为有人看守道口, 无人看守道口仍大量存在。

(2) 矿区铁路无人看守道口望条件差。矿区铁路小半径曲线多, 且一般处于人口较为密集的市区或集镇, 铁路沿线建筑物、树木较为密集, 铁路道口受建筑物、树木影响, 望条件非常差。如果采取清理铁路沿线影响望的建筑物和树木方法来解决望条件问题, 清理难度和成本非常大, 且清理过几年后沿线村民可能还会植树、修建房屋, 无法彻底解决无人看守道口望条件差的问题。

(3) 道路机动车辆多、速度快, 机动车抢越道口隐患凸显。近几年, 由于经济社会的快速发展, 铁路沿线原来泥泞的乡村道路渐渐发展为水泥路面、柏油路面的村村通公路, 路面条件大大提升, 公路上机动车辆也大量增加, 铁路道口机动车辆通过量大幅提高, 经常出现机动车辆、行人在无人看守道口处不避让火车抢越道口情况, 给铁路行车带来巨大安全隐患。

2道口环境远程监控预警系统设计要求

(1) 该系统采用目前成熟可靠的COFDM无线通信技术, 并综合使用应答器、传感器和嵌入式系统, 实现测算车辆位置、实时无线视频监控和传输。

(2) 道口系统整体划分为3个子系统, 即:智能道口控制子系统、无线视频监控子系统、车载控制子系统。

(3) 该系统可准确向机车提供道口两方向各1.5 km范围内的道口安全状况, 人机结合可最大限度地确保行车安全、高效运行, 防止重大设备和人员伤亡事故的发生。

3 道口环境远程监控预警系统设计方案

道口环境远程监控预警系统设备配置包括地面设备和车载设备2部分, 系统总体布置如图1所示。

3.1 地面设备布置方案

道口地面设备主要包括地面设备控制模块、道口公路信号机、高清摄像机、视频发射天线、数传电台、太阳能供电系统、复原传感器等 (图2) 。 (1) 在望条件差的无人看守道口, 机车司机和公路机动车辆无法相互掌握对方通过道口的情况, 在道口两侧距离铁路20 m处各安装一套高清摄像机和视频发射天线, 录制道口环境、捕捉道口附近动态信息, 将信息传送至机车上[1,2,3]。 (2) 在道口两侧距外股钢轨不少于5 m处、公路右侧各安装一套声光报警设备, 铁路来车时为公路方向发出声光报警。 (3) 由于无人看守道口附近没有电源, 在道口处安装一套太阳能供电装置为道口地面设备供电。 (4) 为节约用电, 实现道口环境远程监控预警系统在列车接近、通过道口时短时间启动监控、报警功能, 在道口处安装一套数传电台, 在道口处钢轨下安装一套机车到达复原传感器, 以控制设备启动、停止时间。

3.2 车载设备布置方案

车载设备主要包括车载设备控制模块、硬盘录像机、视频显示器、数传电台、视频接收装置等 (图3) 。 (1) 在机车上安放硬盘录像机、视频接收装置和视频监视器, 使机车接近道口时, 自动接收、保存道口摄像机录制的道口环境信息和捕捉的动态信息, 机车乘务员通过视频监视器观察道口情况。 (2) 在机车上安装数传电台和指令天线, 控制道口环境远程监控预警系统设备启动的时机[4,5,6]。

4 系统工作原理

4.1 太阳能供电系统

太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池 (组) 组成。 (1) 太阳能电池组件是太阳能供电系统的核心部分, 其作用是将太阳的辐射能量转换为电能; (2) 太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态, 并对蓄电池起到过充电、过放电保护的作用; (3) 蓄电池可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池, 其作用是在有光照时将太阳能电池组件所输出的电能储存起来, 需要时再释放出来供设备使用。

太阳能供电系统电能由蓄电池储存, 其储电量有限, 如果遇到连续阴雨天气、电量不足, 将影响监控、报警设备的运用。为节约使用电能, 在无列车通过道口时, 道口监控报警设备处于断电状态, 此时不消耗蓄电池储存的电能, 当列车运行至距离道口1km时, 机车数传电台通过指令天线向道口数传电台发送指令, 道口数传电台接到列车接近道口的指令后, 打开太阳能控制器供电开关, 启动道口太阳能供电系统, 开始向地面设备供电, 列车压上道口后, 安装在道口处轨道下面的复原传感器向太阳能控制器发送指令, 关闭太阳能控制器供电开关, 这样每趟列车从接近道口到通过道口, 整个道口环境远程监控预警系统工作时间约3 min, 大大缩短了设备耗电时间, 避免地面设备24 h不间断耗电造成的电能短缺问题。

4.2 道口报警

道口没有列车通过情况下, 报警继电器 (BJ) 处于吸起状态, 列车到达后通知继电器 (BTJ) 处于吸合状态, 道口两侧安装的公路信号机处于灭灯状态, 按照灭灯停用原则, 公路上的车辆、行人应加强铁路列车的观察, 缓慢通过道口。列车运行至距离道口1 000 m时, 机车上的数传电台通过指令天线向地面数传电台发送指令, 地面数传电台接到列车接近道口的指令后, 打开太阳能控制器开关, 报警继电器 (BJ) 吸合, 道口公路信号机开始两个红灯交替闪烁, 并发出“火车来了, 请停车避让”的语音提示, 公路行人、车辆应立即停车避让。列车压上道口后, 安装在道口处轨道下面的复原传感器向太阳能控制器发送指令, 断开太阳能控制开关, 使到达通知继电器 (BTJ) 吸起, 道口信号机停止报警, 列车压上复原传感器60 s后, 报警继电器 (BJ) 恢复吸起状态, 到达通知继电器 (BTJ) 恢复吸合状态。

4.3 监控预警

道口两侧安装的高清摄像机正常情况下处于关闭状态, 列车运行至距离道口1 km, 机车上的数传电台通过指令天线向地面数传电台发送指令, 地面数传电台接到列车接近道口的指令后, 打开太阳能控制器开关和2个高清摄像机, 高清摄像机录制道口两侧公路上车辆、行人情况, 并将图像通过视频发射天线传送到机车上, 然后再通过2.4 G图像信息接收模块, 传送到图像编辑模块, 再传送到监视器上, 机车乘务员可以通过观看机车驾驶室内的监视器了解前方道口公路情况。

如果道口公路上的车辆、行人向道口方向移动, 高清摄像机可以自动捕捉动态信息, 并将动态信息通过视频发射天线、视频接收天线、2.4G图像信息接收模块、图像编辑模块, 再传送到监视器上, 监视器会发出“嘀嘀”报警声音, 提醒机车乘务员前方道口有机动车辆抢越, 乘务员可以提前减速或停车。

列车压上道口后, 安装在道口处轨道下面的复原传感器向太阳能控制器和高清摄像机发送指令, 关闭太阳能控制器开关, 道口摄像机和发射装置停止工作。

5 应用效果

道口环境远程监控预警系统投入使用后, 列车接近道口, 道口公路信号机发出红色灯光交替闪烁的报警和“火车来了, 请停车避让”的语音提示, 公路车辆、行人势必会提高警惕, 停车观察列车运营情况, 及时避让列车。如果少数机动车司机在道口公路信号机声光报警后不停车避让列车而抢越道口, 道口高清摄像机可以将机动车运行情况通过图像和语音提示方式传送至机车, 乘务员可采取非常制动措施, 将列车停于道口前方, 防止铁路交通事故。

6 结语

永煤集团矿区铁路有无人看守道口106座, 望条件不良的无人道口有65座, 道口环境远程监控预警系统投入使用前, 每年出现铁路机车与机动车辆相撞、刮碰事故不少于4起, 该系统投入使用后, 永煤矿区铁路已经连续2年实现零事故, 确保了人民财产安全, 安全效益和社会效益十分显著。

参考文献

[1]饶云涛, 邹继军, 郑勇芸.现场总线CAN原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

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[5]彭明鑫.铁路道口安全管理探讨[J].江苏交通, 2000 (9) :39-41.

煤矿环境监测系统设计 篇11

关键词煤矿安全监测系统物联网传感器网络

1前言

煤炭作为我国重要的能源之一，在国民经济发展中有着至关重要的地位。然而，在我国煤矿企业管理过程中，安全问题尤为突出。安全与生产的关系是相辅相成的，只有创造一个稳定、安全的生产环境，才能保障更高的生产效率，才能带来更多的经济效益。

安个与生产的问题不只是煤矿企业高度重视的对象，所有的矿山开采企业都必须认真考虑。传统的人工苦力开采己经不再存在，智能化开采技术已经实现部分环节由机器设备代替人工，这也是减少矿一山事故人员伤亡的措施之一。随着矿山开采深度的增加，高地应力、高温等问题也随之而来，使开采作业遇到一系列难题，这就要求智能技术必须不断的提高。现如今，基于数字化、信息化与集成化，对井下部分作业过程和环境状况进行实时监测、分析，实现了计算机网络管理智能化。

引入物联网技术，应用到矿山安全管理过程中，通过嵌入在各种设备中的传感器采集其运作信息，并对这些信息进行处理和共享，实现煤矿企业所有工作人员之间、工作人员与运转设备之间及所有运转设备之间的智能化管理，打造一个先进的智慧矿山。

物联网在矿山方面的应用发展正处于初级阶段。2010年3月，徐州市提出基于矿区智能化的“感知矿山”的概念，政府与中国矿业大学合作建立了感知矿山工程研究中心，成为物联网应用的一个重要研究领域。它通过物联网技术，实现对真实矿一山的可视化、智能化和数字化。其目的在于将矿山的地理、地质、生产、安全管理、产品加工、运销等各种综合信息进行数字化，将感知、传输、信息处理及智能云计算等物联网技术与现代采矿、矿物加工等技术相互紧密结合，以实现详尽地动态地描述并控制矿山生产与运营的安全过程，解决矿山瓦斯爆炸、透水事故等各种灾害预防的难题。

“感知矿山”不仅能够提高矿山的安全管理水平，它更多的是能够增加生产，利用信息、网络等技术感知并监控矿区运煤皮带、煤仓、变电站等各个生产相关系统，很大程度上提高了矿区的自动化生产水平。实施“感知矿山”的重点是将与安全生产相关的感知层设备接入网络。在矿区建设生产过程中，所使用的传感器生产厂商不一，协议接口也就不一致，更甚者，在早期建设的项目中，有些设备是没有智能接口的。总之，全而感知矿山的基础就是将设备全面接入传感网络对矿区进行多层次实时监测。

2系统组成

系统总体采用分布式架构，如图1所示，将视频监控与语音对讲等数据采集和通信系统结合，实现系统内预警、报警与视频监控、数据采集及控制系统的联动，提高矿井的安防水平和快速反应能力。整个远程监测系统采用井下分控、矿区总控、各级安全监管机构三级构架组成的多层监测模式。各级安全监管机构可实时查看所辖矿区的安全生产情况数据。每个矿区设一个总控室对各矿井进行管理，各矿井设分控室对应矿井内各种传感数据进行分析和管理。

传输网络：各级安全监管机构和各矿区之间通过监控专网连接；各矿区内分控与总控之间采用专用IP网络连接；

前端系统：分控室前端采取模数结合、集中编码的方法，按自成系统、独立管控（含控制、存储）的要求来构成。前端系统能独立完成安防及数据采集系统的所有基本功能。

总控系统：由于前端系统功能较强大和完善，总控系统就显得相对简单，总控室的任务可根据实际现场情况向更重要的目标转移，使系统更具针对性和实用性。本设计采用网络监控、VGA上墙，屏幕墙采用两个由4×46寸液晶屏的拚屏屏幕墙；

传感器系统：分控部分集成了瓦斯、压力、光纤（用于监测顶板应力、应变、弯曲、裂缝、蠕变及位移等参数变化）、漏电检测传感器、温度、气体、湿度等等多种传感器，实现对井下生产运行数据的全局监控。

对讲系统：总控室与岗楼、门卫值班室、各分区分控室配备相应的对讲系统。系统为总线制的二级网联结构，具备全双工呼叫对讲、任意一点一址监听、任意一点一址（或多址、全址）广播、与视频的联动报警等功能。

2.1硬件系统设计

井下分控单元需要将各个传感器采集的数据进行基本处理和传输，根据这一需求和井下具体环境的影响，本文采用基于ZigBee的无线传感器自组织网络技术，已经不同传感器应用形式和环境，将井下传感器均做成传感器节点的形式实现数据采集与基本处理功能。 基于ZigBee的传感器单元硬件组成如图2所示，包括电源模块、无线收发模块、接口电路、串口模块、传感器、微处理器等。考虑到zigBee模块要需要安装ZigBee协议栈，微处理器需要自带一个一定容量的可编程flash存储器，因此ZigBee模块的微处理器需要采用8位或16位的高性能单片机。

2.2软件系统设计

传感器单元的软件设计主要包括，模块的定义、系统参数初始化设置和模块功能实现三个部分。模块定义主要根据应用要求定义模块是FFD还是RFD，从而确定节点的性质和软件内核的规模。系统参数初始化主要进行协议栈的配置，参数初始化流程如图3所示。首先定义系统的时钟信号，然后定义ZigBee芯片所连接的MCU类型和型号，接下来定义通信模块性质，即通信模块是全功能节点还是精简功能节点，再接着定义模块的工作频率和电源管理方式及ZigBee网络层和MAC层的参数，如网络地址、节点所属接口、集群等。

3安全策略

ZigBee采用了分级的安全性策略：无安全性、接入控制表、32比特AEs和128比特AES。如果系统是用于安全性要求不高的场景，可以选择级别较低的安全措施，从而换取系统成本和功耗的降低；反之，在安全性要求较高的应用场景（如军事），l丁以选择较高的安全级别。这样，厂l衍可以综合考虑功耗、系统处理能力、成木和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。蓝牙协议在基带部分定义了设备鉴权和链路数据流加密所需要的安全算法和处理过程。设备的鉴权是强制性的，所有的蓝牙设备均支持鉴权过程，而链路的加密则是可选择的。蓝牙设备的鉴权过程是基于问询一响应模式和共享的加密方式。为了使蓝牙链路的数据流具有隐蔽性，可以使用1比特的流密码对链路进行加密。密钥大小随着每个基带分组数据单元传输而改变。加密密钥可以从对设备鉴权中得到。这意味着，在使用链路加密之前，两个设备之间至少已经进行了一次鉴权。密钥的最大长度为128比特。

4系统特点

（1）对煤矿进行多部门、多层次立体网络式监管，显著增加各种违规操作的成本，进而提高煤矿安全监管水平；

（2）利用ZIGBEE技术，形成矿区局部自组织传感器网络，实现对矿区各项监控指标的实时立体监管；

（3）考虑国家能源信息的敏感性，建立了多种信息加密机制，提高整个监测网络的安全性能。

5结语

本文面向煤矿，利用物联网技术建立了多部门、多层次的远程安全监测系统，设计并开发了整个系统的软硬件平台，初步对系统的准确性、可靠性和稳定性进行了验证，结果标明达到了精度及稳定性的要求。由于单片机的扩展性，该系统未来还可根据被检测对象的实际需求配置不同的生理数据采集终端，具有很强的灵活性和适应性。

煤矿环境监测系统设计 篇12

1 CAN总线简介

CAN (Controller Area Network控制器局域网) 在国外是发展最快的现场总线之一。CAN总线具有如下特点:目前为止惟一有国际标准的现场总线;数据传输距离远 (最远可达10Km) ;数据传输速率高 (最大可达到1Mbit/s) ;可靠的错误捡错和处理机制;发送的信息遭到破坏后, 可自动重发;节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式发送接受数据;报文采用短帧结构, 传输时间短, 不易受干扰, 数据出错率低;通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤, 选择灵活, 组网方便。

2 CAN智能节点模块结构

CAN总线系统中共有两种类型的节点:不带微处理器的非智能节点和带微处理器的智能节点, 本文中设计的CAN节点是由微处理器和可编程的CAN控制芯片组成的智能节点。该CAN智能节点模块主要由单片机、CAN控制器、CAN总线驱动器组成, 该模块实际上是一个双向通信接口电路, CAN总线数据的接收、发送由“CAN协议控制器+CAN收发器”完成, RS232数据接收、发送由微处理器完成。微处理器负责根据协议实现数据打包、转换、控制。

3 硬件系统设计

3.1 芯片选择

(1) 单片机的选择。CAN智能节点模块中单片机的功能主要是负责完成CAN通信协议, 接收和发送采集到的数据, 在此选择具有ISP编程功能的STC89C516RD+作为该模块的核心控制器件。

(2) CAN控制器的选择。选择Philips公司生产的独立的CAN控制器SJA1000, 它是PCA82C200 CAN控制器的替代产品, 可以与多种类型的单片机、微型计算机的各类标准总线进行接口结合, 主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。

(3) CAN总线驱动器的选择。选择CAN网络中应用比较广泛的CAN总线驱动器PCA82C250, 该器件可以提供对总线信号的差动发送和接收功能。

(4) 其它元器件的选择。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力, 选择高速光耦6N137作为SJA1000与PCA82C250之间的隔离模块;由于光耦部分电路需要采用两个完全隔离的电源, 否则光耦也就失去了意义, 在此选择B0505S-W作为DC/DC电源隔离模块。

3.2 电路设计

SJA1000的AD0～AD7分别与STC89C516RD+的P00～P07相连接;SJA1000作为微控制器的外扩展芯片, 其片选引脚CS接在STC89C516RD+的地址线上, 从而决定了CAN控制器各寄存器的地址, CPU可通过这些地址对SJA1000执行相应的读/写操作;SJA1000的ALE、RD、WR和RESET直接与STC89C516RD+的ALE、RD、WR、RESET引脚相对连接;SJA1000的INT与STC89C516RD+的INT0相连接, 使STC89C516RD+可以通过中断方式对SJA1000进行访问。

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力, SJA1000的TX0和RX0并不是直接与CAN总线驱动器PCA82C250的TXD和RXD相连, 而是通过高速光耦6N137后与PCA82C250相连。不过, 光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离, 否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离采用小功率的电源隔离模块B0505S-1W来实现。

另外, 为了匹配总线阻抗, 确保正常通信, 需要在CAN总线两端接两个120Ω的电阻。

4 软件设计

4.1 CAN智能节点初始化程序设计

(1) 写控制寄存器, 使SJA1000进入复位工作模式。 (2) 对SJA1000的时钟分频寄存器定义, 判断是使用Basic CAN模式还是使用Peli CAN模式;是否使能CLOCKOUT及输出时钟频率;是否使用旁路CAN输入比较器;TX1输出是否采用专门的接收中断。 (3) 写验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器, 对验收滤波器进行设置, 使CAN控制器只允许接收标识码位和验收滤波器中预设值相一致的报文进入RXFIFO中。 (4) 写总线定时寄存器定义总线的位速率、位周期内的采样点和一个位周期的采样数量。 (5) 通过写输出控制寄存器, 定义CAN总线输出管脚TX0、TX1的输出模式和输出配置。 (6) 写控制寄存器, 清除SJA1000的复位请求标志, 进入正常工作模式。

4.2 CAN通信报文发送程序设计

发送子程序负责节点报文的发送。发送时只需将待发送的数据按照特定格式组合成一帧报文, 送入SJA1000发送缓冲区中, 然后启动SJA1000发送即可。当然在往SJA1000发送缓冲区发送报文之前, 必须先做一些判断。发送程序分发送远程帧和数据帧两种, 远程帧没有数据场。

4.3 CAN通信报文接收程序设计