鄭煜，馬新春

（新疆電子研究所有限公司研發(fā)中心，新疆烏魯木齊830013）

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基于評(píng)價(jià)模型的煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鄭煜，馬新春

（新疆電子研究所有限公司研發(fā)中心，新疆烏魯木齊830013）

摘要：由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，惡劣并伴隨安全隱患，給井下工作人員帶來(lái)很多不便。現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境影響因素進(jìn)行分析，選取可信指標(biāo)建立煤礦環(huán)境評(píng)價(jià)模型。系統(tǒng)應(yīng)用了GIS地理信息技術(shù)、研華工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信、模型評(píng)價(jià)等技術(shù)，通過(guò)在煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝以太網(wǎng)采集節(jié)點(diǎn)和傳感器，利用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、組態(tài)顯示和數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，從而使用戶更直觀的對(duì)分布在不同地域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和綜合評(píng)價(jià)。有效的預(yù)防安全隱患。

關(guān)鍵詞：礦井環(huán)境；評(píng)價(jià)模型；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；研華；數(shù)據(jù)采集

我國(guó)的煤礦生產(chǎn)主要來(lái)源于地下開(kāi)采，在礦山井下生產(chǎn)過(guò)程中，隨著多種生產(chǎn)作業(yè)不斷推進(jìn)，對(duì)地質(zhì)力學(xué)條件的不斷擾動(dòng)，必然會(huì)造成井下生產(chǎn)條件惡劣，對(duì)勞動(dòng)者安全和健康造成危害?？茖W(xué)管理不斷發(fā)展的今天，對(duì)空氣質(zhì)量和熱環(huán)境同時(shí)分析，切實(shí)體現(xiàn)井下實(shí)際情況。本文對(duì)其主要危害因素，如溫度，溫度，礦塵和有毒有害氣體等，導(dǎo)致勞動(dòng)者喪失勞動(dòng)能力的主導(dǎo)因素進(jìn)行研究。做出合理分析，為礦井安全生產(chǎn)管理和事故救援提供可靠的技術(shù)支持［1］。

1　研究方法

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)等多個(gè)元素組成。一個(gè)監(jiān)測(cè)站可以包含多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)包含多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)都有各自的多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以分布在各井下，作業(yè)點(diǎn)之間，各采集節(jié)點(diǎn)存在于分布在不同作業(yè)點(diǎn)之間的井下作業(yè)區(qū)［2］。采集節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧?，采用研華ADAM以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，設(shè)備由8個(gè)模擬量輸入，2個(gè)數(shù)字量輸出，滿足了節(jié)點(diǎn)對(duì)于多個(gè)變量的采集要求。采集節(jié)點(diǎn)對(duì)井下作業(yè)區(qū)環(huán)境里存在的CH4，2O2等有害氣體，溫濕度等指數(shù)通過(guò)高精度氣體傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各采集節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，減少了各采集節(jié)點(diǎn)之間的布設(shè)成本和拓?fù)鋸?fù)雜度，易于分布和擴(kuò)展。上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)依托于評(píng)價(jià)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組態(tài)顯示，圖標(biāo)呈現(xiàn)和智能評(píng)價(jià)。

2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1硬件結(jié)構(gòu)

?硬件部分由數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組成，如下圖1所示。選用的傳感器為4-20ma電流型，工作電壓10～24 V，以太網(wǎng)采集模塊選用8路模擬量輸入，采樣分辨率為16位，輸入類型支持4-20ma和0～5 V，工作電壓范圍9～24 V。傳感器和采集模塊較寬的工作電壓便于兩者可以使用同一電源作為輸入，減少設(shè)備集成的復(fù)雜度，模塊支持支持Modbus TCP，TCP/IP，UDP，HTTP，DHCP等多種協(xié)議，可適用于多種傳輸環(huán)境。

1）服務(wù)器負(fù)責(zé)將鏈接到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、轉(zhuǎn)儲(chǔ)和分析。

2）以太網(wǎng)采集模塊下接各種類型傳感器，負(fù)責(zé)將接入的傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器。

（3）傳感器通過(guò)內(nèi)部變送模塊將采集到的數(shù)值進(jìn)行0-5V/ 4-20ma等信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，并將電信號(hào)提供給以太網(wǎng)采集模塊進(jìn)行處理。

圖1　硬件總體結(jié)構(gòu)

2.2軟件設(shè)計(jì)

礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具為Mjcrosoft Vjsua1 Studjo，是美國(guó)微軟公司的開(kāi)發(fā)工具包系列產(chǎn)品。Vjsua1 C# 2010（版本號(hào)：4.0）是微軟開(kāi)發(fā)的一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，它是為生成在.NET Framework上運(yùn)行的多種應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的。C#憑借它的許多創(chuàng)新，在保持C樣式語(yǔ)言的表示形式和優(yōu)美的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)接口開(kāi)發(fā)采用研華提供的ADAM. Net C1ass Ljbrary，ADAM. Net C1ass Ljbrary是研華基于ADAM系列采集模塊開(kāi)發(fā)的二次接口組件，通過(guò)訪問(wèn)組件函數(shù)可以方便的獲取相應(yīng)采集模塊各通道上的數(shù)據(jù)以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可以方便的將有害氣體，溫濕度等數(shù)值顯示在自己開(kāi)發(fā)的應(yīng)用上。

軟件由接口控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、地理信息模塊、綜合分析模塊、數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模塊和輔助控制模塊組成。接口控制模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)各監(jiān)測(cè)站下的采集節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一配置和管理，如節(jié)點(diǎn)IP、節(jié)點(diǎn)TCP端口、輸入類型等。數(shù)據(jù)采集模塊作為通訊控制模塊，主要用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)群進(jìn)行配置，可視化的增加節(jié)點(diǎn)和刪除節(jié)點(diǎn)。地理信息模塊則負(fù)責(zé)將各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)下的采集節(jié)點(diǎn)的空間分布情況進(jìn)行三維展示，將節(jié)點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)給予直觀的展示。綜合分析模塊將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)的年均值、月均值、日均值、小時(shí)均值等變化情況利用甘特圖，曲線圖等圖表展示方式予以展示，清晰的顯示環(huán)境數(shù)據(jù)的變化量。環(huán)境評(píng)價(jià)模塊依據(jù)評(píng)價(jià)模型對(duì)采集到的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)。輔助控制模塊主要用于對(duì)數(shù)據(jù)指標(biāo)超標(biāo)的預(yù)警控制，如對(duì)井下的排風(fēng)機(jī)繼電器的驅(qū)動(dòng)和聲光報(bào)警等，支持互聯(lián)網(wǎng)和GPRS等方式發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3　數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)

3.1采集模塊

根據(jù)礦井環(huán)境的構(gòu)成和特點(diǎn)，按照科學(xué)性、客觀性、系統(tǒng)性、可行性及可比性的原則，對(duì)人體影響最為重要的空氣環(huán)境質(zhì)量、熱環(huán)境作為一級(jí)指標(biāo)，具指標(biāo)體系如表1所列。［3］可在煤礦的進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、綜采區(qū)及大巷4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，每天8點(diǎn)，10點(diǎn)，15點(diǎn)，16點(diǎn)半對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)一次。

圖2　系統(tǒng)功能模塊圖

表1　礦井環(huán)境評(píng)介指標(biāo)

這里采集用的是CH4有毒有害氣變送器，其采用現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度液晶顯示；高精度、長(zhǎng)壽命的電化學(xué)、紅外進(jìn)口傳感器；適用于幾十種氣體檢測(cè)，可選擇顯示幾十種常見(jiàn)氣體名稱；氣體單位名稱PMM、%LEL、%VOL，可任意設(shè)定；程序運(yùn)算采用了三位浮點(diǎn)技術(shù)，保證了運(yùn)算的精度；在全量程范圍內(nèi)任意設(shè)置上、下限報(bào)警點(diǎn)；布線簡(jiǎn)單方便；強(qiáng)大的軟件設(shè)置支持，滿足客戶任意量程調(diào)整和目標(biāo)點(diǎn)標(biāo)定；2組常開(kāi)無(wú)源觸點(diǎn)輸出，用于控制風(fēng)機(jī)或電磁閥的交流接觸器；精巧的電源設(shè)計(jì)、精湛的防雷設(shè)計(jì)、純SMT元件貼片工藝，使得產(chǎn)品性能穩(wěn)定；巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探測(cè)器接線免上螺絲，安裝極為簡(jiǎn)便。

為防止相互干擾，氣體采集還用到了氧氣變送器，其利用O2在工作電極上發(fā)生的還原反應(yīng)和陰極材料發(fā)生的相應(yīng)還原反應(yīng)產(chǎn)生電流，電流的大小和氧氣的濃度成正比，通過(guò)測(cè)試電流的大小即可判定氧氣濃度的大小。此傳感器低功耗、高精度和高靈敏度的特性，適合工業(yè)、礦下等領(lǐng)域中氧氣的檢測(cè)。

溫度采用KSW系列溫濕度傳感檢測(cè)儀，其傳感、變送一體化設(shè)計(jì)，適用于暖通級(jí)室內(nèi)環(huán)境溫濕度測(cè)量。采用專用溫度補(bǔ)償電路和線性化處理電路。傳感器性能可靠、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快。多種型號(hào)滿足RoHS無(wú)鉛化要求。

上述產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（煤礦井下的實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x器在檢測(cè)到井下氣體、溫度等超標(biāo)時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)，并要求立即停產(chǎn)檢修、排氣，因此測(cè)量數(shù)據(jù)不存在超標(biāo)現(xiàn)象）如表2所列［3］。

例如瓦斯爆炸，礦井瓦斯爆炸是一種熱---鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（也叫鏈鎖反應(yīng)）。當(dāng)爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源給予的熱能）后，反應(yīng)分子的鏈即行斷裂，離解成兩個(gè)或兩個(gè)以上的游離基（也叫自由基）。這類游離基具有很大的化學(xué)活性，成為反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行的活化中心。在適合的條件下，每一個(gè)游離基又可以進(jìn)一步分解，再產(chǎn)生兩個(gè)或兩上以上的游離基。這樣循環(huán)不已，游離基越來(lái)越多，化學(xué)反應(yīng)速度也越來(lái)越快，最后就可以發(fā)展為燃燒或爆炸式的氧化反應(yīng)。所以，瓦斯爆炸就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，是一定濃度的甲烷和空氣中度作用下產(chǎn)生的激烈氧化反應(yīng)［4］。

表1　《煤礦安全規(guī)程2012》中規(guī)定值

瓦斯爆炸的條件是：一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在瓦斯爆炸和充足的氧氣。方程式為CH4+2O2→CO2+2H2O條件點(diǎn)燃，預(yù)防需要先開(kāi)窗，不能有明火或者任何火花。

基于使用S系列有毒有害氣體檢測(cè)儀，其計(jì)算公式為：

（量程最大-量程最?。?（當(dāng)前測(cè)得電流值-4）/16+測(cè)量最小值=當(dāng)前實(shí)際值

現(xiàn)在知道量程為（如表3所列）：

表1　甲烷量程

假定當(dāng)前測(cè)得電流值為8mA

100%VOL=10000PPM，

（10 000-0）*（8-4）/16+4=3 504PPM

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

這樣可得氧氣含量大于20%VOL，是安全的，要是小于20%VOL就要停工通風(fēng)。

溫度檢測(cè)如表5所示。

表1　溫濕度指標(biāo)均值

溫濕度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3.2采集節(jié)點(diǎn)通道寄存器存取測(cè)試

軟件通過(guò)IP地址訪問(wèn)采集節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)讀取采集節(jié)點(diǎn)各通道上的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的工程量轉(zhuǎn)換，單位標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換等過(guò)程將數(shù)據(jù)顯示到軟件上，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

4　測(cè)試總結(jié)

實(shí)踐證明，具有爆炸危險(xiǎn)性的氣體或蒸汽與空氣中的氧氣混合物濃度的爆炸極限，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得［5］。當(dāng)空氣中的氧氣濃度降低時(shí)，瓦斯爆炸界限隨之縮小，當(dāng)氧氣濃度減少到12%以下時(shí)，瓦斯混合氣體即失去爆炸性。這一性質(zhì)對(duì)井下密閉的火區(qū)有很大影響，在密閉的火區(qū)內(nèi)往往積存大量瓦斯，且有火源存在，但因氧的濃度低，并不會(huì)發(fā)生爆炸。如果有新鮮空氣進(jìn)入，氧氣濃度達(dá)到12%以上，就可能發(fā)生爆炸。因此，通過(guò)兩種氣體檢測(cè)儀和溫濕度檢測(cè)儀就可以對(duì)火區(qū)嚴(yán)加管理，在啟封火區(qū)時(shí)更應(yīng)格外慎重，必須在火熄滅后才能啟封。

圖3　采集節(jié)點(diǎn)寄存器讀取

我們通過(guò)上述設(shè)備有能有效的預(yù)防瓦斯爆炸，采取有的效措施，防止瓦斯積聚和消除火源。

5　結(jié)論

由于礦井環(huán)境復(fù)雜惡劣等眾多因素的影響，本文采用了研華基于ADAM系列采集模塊的二次開(kāi)發(fā)，在眾多的數(shù)據(jù)中，能夠在比較宏觀的層面上綜合考慮多項(xiàng)指標(biāo)，并且弱化主觀因素在評(píng)價(jià)中造成的偏差的評(píng)價(jià)模型方法［6］。

分析考慮了井下環(huán)境的特點(diǎn)，以空氣質(zhì)量和熱環(huán)境為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)分析一級(jí)指標(biāo)包含的多指標(biāo)因素，并以此建立評(píng)價(jià)模型，應(yīng)用結(jié)果與目前主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)符合度較高。

評(píng)價(jià)模型用于礦井環(huán)境評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，該評(píng)價(jià)方法合理、有效，豐富并改進(jìn)了對(duì)井下評(píng)價(jià)的現(xiàn)在方法，為科學(xué)評(píng)價(jià)和分析井下環(huán)境提供了新的思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］高文玲.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.網(wǎng)友世界，2012，8（229）：37-38.

［2］李金鳳，劉沁，張治國(guó)，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］儀表技術(shù)與傳感器。2013，9（368）：73-76.

［3］王磊，陸剛，吳斌，等.煤礦井下環(huán)境馬田系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型及應(yīng)用［J］.礦山機(jī)械，2013，7（41）：138-141.

［4］徐梓銘，劉然，劉志堅(jiān).煤礦瓦斯爆炸的條件與預(yù)防措施［J］.煤炭科技，2007（3）：67-70.

［5］李潤(rùn)之，司榮軍，張延松，等.煤礦瓦斯特性研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.煤炭技術(shù)，2010，4（29）：4-6.

［6］環(huán)境保護(hù)部.HJ 663-2013環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)書號(hào)［S］.出版地不詳，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

中圖分類號(hào)：TN312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-6236（2016）07-0157-03

收稿日期：2015-06-01稿件編號(hào)：201506003

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（2014531072）

作者簡(jiǎn)介：鄭煜（1982—），女，新疆烏魯木齊人，軟件工程師。研究方向：軟件工程。