路 萍

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039）

煤礦地面井瓦斯抽采管網(wǎng)鋪設(shè)于野外空曠處，地理位置偏僻，距離煤礦安全監(jiān)控中心距離遠(yuǎn)，管線布線范圍廣，進(jìn)行分布式系統(tǒng)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了煤礦地面井瓦斯抽采系統(tǒng)的集中管控。地面井監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)供電及無線傳輸技術(shù)，避免了遠(yuǎn)距離鋪設(shè)電源線及信號(hào)線線纜，節(jié)能環(huán)保，系統(tǒng)容量擴(kuò)充簡單方便，節(jié)省安裝和維護(hù)成本[1-3]。在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域，無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備一般基于GPRS，ZigBee，WiFi，藍(lán)牙，LoRa，NB-IoT 等無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee，WiFi 及藍(lán)牙等屬于短距離通信技術(shù)，短距離通信技術(shù)功耗、成本均相對(duì)比較低，網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)簡單，便于操作?；贕PRS，LoRa 和NB-IoT 等無線技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離遠(yuǎn)、可靠安全、覆蓋面廣、成本低，一般是滿足低速率數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用，不適合傳輸視頻數(shù)據(jù)。本文基于4G 無線聯(lián)網(wǎng)，適用于高速率的視頻數(shù)據(jù)傳輸，國家現(xiàn)階段鼓勵(lì)深化4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，4G 技術(shù)發(fā)展多年比較成熟，組網(wǎng)便捷，安全性和可靠性高[4-6]。本文利用4G 無線智能終端應(yīng)用于地面井瓦斯抽采系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)管道參數(shù)監(jiān)測和防入侵環(huán)境安全監(jiān)測，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，采集報(bào)警信號(hào)與實(shí)時(shí)視頻實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)功能，有利于節(jié)省4G流量，節(jié)省視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

1 煤礦地面井瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)

地面鉆井抽采瓦斯是在不影響工作面回采的情況下進(jìn)行的，是瓦斯抽采方法的一種新途徑，為礦井井下通風(fēng)與抽采減輕了負(fù)擔(dān)，消除了安全生產(chǎn)隱患，同時(shí)也提高了礦井生產(chǎn)能力[7-9]。

地面井瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備供電由風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)提供，風(fēng)光蓄電互補(bǔ)供電裝置整體結(jié)構(gòu)成熟，應(yīng)用范圍廣。分布式地面抽采監(jiān)測系統(tǒng)一方面實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采管道參數(shù)采集和傳輸，另一方面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境安全防入侵監(jiān)測。地面井瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 地面井瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Gas drainage monitoring system for surface wells

風(fēng)光互補(bǔ)自供電系統(tǒng)包括控制器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板和蓄電池等組成。太陽能板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能一方面供給負(fù)載，另一方面對(duì)蓄電池充電，蓄電池充滿電后，控制器斷開太陽能和風(fēng)機(jī)，控制蓄電池不被過充。當(dāng)太陽能和風(fēng)機(jī)的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能供給負(fù)載。風(fēng)光互補(bǔ)自供電系統(tǒng)整體效率高，抗壓能力和穩(wěn)定性高，可以為現(xiàn)場設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源。

管道監(jiān)控設(shè)備包含有瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、管道流量傳感器、本安液晶顯示屏等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采計(jì)量中管道流量、管道濃度、管道壓力、管道溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，實(shí)時(shí)瓦斯抽采管道的安全性監(jiān)測。

地面井瓦斯抽采管道架設(shè)于野外空曠處，地面井抽出的瓦斯?jié)舛韧ǔＪ歉邼舛韧咚?，為保障系統(tǒng)安全，管道周邊禁止煙火和非工作人員靠近。為方便監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境、避免事故，安裝了防入侵監(jiān)測設(shè)備，包括紅外微波探測器、門禁開關(guān)、報(bào)警主機(jī)和攝像儀。

紅外微波探測器和門禁開關(guān)輸出信號(hào)給報(bào)警主機(jī)。無線傳輸智能終端與報(bào)警主機(jī)、管道監(jiān)控設(shè)備和風(fēng)光互補(bǔ)自供電系統(tǒng)的控制器實(shí)現(xiàn)RS485 通訊，最后無線智能終端完成采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無線遠(yuǎn)程傳輸。無線傳輸智能終端與攝像儀之間通過以太網(wǎng)網(wǎng)口通訊，實(shí)現(xiàn)視頻圖像的無線傳輸。

2 無線智能終端遠(yuǎn)程連接

隨著各種智能設(shè)備功能的提升，監(jiān)控系統(tǒng)智能化要求越來越高，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆炸式增長，這對(duì)傳輸數(shù)據(jù)速率也提出了更高的要求。4G 無線通訊技術(shù)在電子消費(fèi)類領(lǐng)域、安防領(lǐng)域及一般工業(yè)過程控制領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟。無線傳輸智能終端種類繁多，本文選用的4G 無線傳輸智能終端不僅需要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)傳輸功能，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸。經(jīng)過市場調(diào)研，本文選用深圳宏電公司開發(fā)的一款H8504V20 無線智能終端進(jìn)行無線傳輸。

H8504V20 無線智能終端具有高穩(wěn)定性、高可靠性、低成本、無線通訊等核心優(yōu)勢，基于4G 無線聯(lián)網(wǎng)，支持高清IPC 行業(yè)監(jiān)控、有線無線網(wǎng)絡(luò)備份，組網(wǎng)便捷，適用于分布式的行業(yè)應(yīng)用。H8504V20 無線智能終端采用高性能的工業(yè)級(jí)32 位通信處理器和工業(yè)級(jí)無線模塊，以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，利用TD-LTE 或FDD-LTE 的4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線長距離數(shù)據(jù)傳輸，與遠(yuǎn)程公網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

本文應(yīng)用無線智能終端，一方面實(shí)現(xiàn)DTU 功能，采用全網(wǎng)通進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳，支持TCP 和UDP 兩種報(bào)文格式，多SOCKET 接口。遠(yuǎn)程接收軟件與無線傳輸終端建立連接，接收地面井設(shè)備采集的管道數(shù)據(jù)和探測及門禁報(bào)警信號(hào)，通過寫入中心站SQLserver 數(shù)據(jù)庫，與煤礦中心站建立聯(lián)系，將礦井地面井瓦斯抽采現(xiàn)場數(shù)據(jù)和井下監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)合在一起，形成有線與無線相結(jié)合的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯抽采的安全、有效監(jiān)控。無線智能終端另一方面通過網(wǎng)口與網(wǎng)絡(luò)攝像儀進(jìn)行連接，采集視頻信號(hào)后，通過4G 遠(yuǎn)程傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器，視頻客戶端軟件通過視頻服務(wù)器獲取到地面井網(wǎng)絡(luò)攝像儀視頻圖像。無線智能終端遠(yuǎn)程連接如圖2 所示。

圖2 無線智能終端遠(yuǎn)程連接Fig.2 Remote connection of wireless intelligent terminal

3 系統(tǒng)應(yīng)用

煤礦一般建有地面永久抽采系統(tǒng)和井下臨時(shí)抽采系統(tǒng)，為減輕礦井井下通風(fēng)與抽采負(fù)擔(dān)，消除安全生產(chǎn)隱患，提高礦井生產(chǎn)能力，很多煤礦也會(huì)建立多個(gè)地面鉆井抽采點(diǎn)。本文針對(duì)地面井瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)供電和4G 無線智能終端遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)地面井抽采數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控，現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備安裝如圖3 所示。

圖3 抽采監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場Fig.3 Site map of monitoring points for pumping

監(jiān)控箱放置于監(jiān)測平臺(tái)上，監(jiān)控箱中包含蓄電池、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、澆封兼本安直流電源、PH24（E）本安型液晶顯示器、門禁開關(guān)和4G 無線智能終端等設(shè)備。抽放管道中安裝有瓦斯?jié)舛葌鞲衅骱土髁總鞲衅鳌Ｆ脚_(tái)立柱上安裝了紅外微波探測器，在高處太陽能支架背面安裝了網(wǎng)絡(luò)攝像儀。

地面抽采監(jiān)測點(diǎn)設(shè)備完成現(xiàn)場抽采管道瓦斯?jié)舛?、管道流量、管道壓力、管道溫度等管道參?shù)采集以及風(fēng)光互補(bǔ)自供電電源參數(shù)采集，同時(shí)完成防入侵監(jiān)測的紅外微波探測信號(hào)、門禁信號(hào)和視頻信號(hào)的采集功能。現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)通過4G 無線傳輸終端傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收軟件。遠(yuǎn)程接收軟件運(yùn)行于具有公共IP 地址和端口的電腦上，與各個(gè)分布式地面抽采點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。遠(yuǎn)程接收軟件具有抽采點(diǎn)分組功能、報(bào)文顯示功能以及故障判斷識(shí)別功能，如圖4 所示。

圖4 遠(yuǎn)程接收軟件Fig.4 Remote receiving software

遠(yuǎn)程接收軟件與各煤礦監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫完成交互操作，各煤礦監(jiān)測中心通過瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)中心站軟件可以實(shí)時(shí)觀測到地面抽采點(diǎn)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)以及打印歷史數(shù)據(jù)，用于煤礦瓦斯抽采量分析、瓦斯抽采狀況研究。瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)中心站軟件如圖5 所示，地面井參數(shù)分析曲線如圖6所示。

圖5 瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)中心站軟件Fig.5 Central station software of gas safety monitoring system

圖6 地面井監(jiān)測參數(shù)分析Fig.6 Analysis of surface well monitoring parameters

現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)攝像儀具有紅外夜視功能，網(wǎng)絡(luò)攝像儀傳輸視頻數(shù)據(jù)到無線終端設(shè)備，無線終端設(shè)備內(nèi)部插有64 G CF 卡，全天24 h 循環(huán)錄制現(xiàn)場視頻。同時(shí)視頻信號(hào)通過4G 無線傳輸終端傳輸?shù)竭h(yuǎn)程視頻服務(wù)器，各煤礦運(yùn)行客戶端軟件與遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)控。視頻客戶端軟件具有遠(yuǎn)程控制攝像儀上電和斷電、錄制視頻、預(yù)覽視頻以及聯(lián)動(dòng)控制功能。

地面井設(shè)備采集管道參數(shù)和防入侵報(bào)警信號(hào)，攝像儀視頻信號(hào)采用全天24 h 不間斷采集，如果全部實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸，數(shù)據(jù)量比較大，為節(jié)省流量，需要考慮視頻傳輸?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)，即采用紅外微波探測信號(hào)和門禁開關(guān)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制視頻傳輸，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)與視頻傳輸?shù)穆?lián)動(dòng)功能。當(dāng)紅外微波探測信號(hào)報(bào)警或者門禁開關(guān)信號(hào)報(bào)警，視頻客戶端自動(dòng)進(jìn)行視頻錄制。紅外微波探測器探測到有人員入侵，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。設(shè)備監(jiān)控箱內(nèi)部安裝了門禁開關(guān)，正常運(yùn)行狀態(tài)下，監(jiān)控箱門是關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)有人入侵，打開了監(jiān)控箱門，門禁開關(guān)由常閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為常開狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反轉(zhuǎn)并報(bào)警。報(bào)警信號(hào)通過無線智能終端傳輸?shù)竭h(yuǎn)程接收軟件，再通過中心站與視頻客戶端軟件通訊。視頻客戶端軟件讀取這兩種報(bào)警信號(hào)，依據(jù)現(xiàn)場報(bào)警信號(hào)實(shí)現(xiàn)視頻自動(dòng)傳輸及錄像。當(dāng)錄像10 min 后，再次檢測是否還存在報(bào)警信號(hào)，如果無報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生，客戶端軟件停止視頻傳輸及錄像功能，如果再次檢測到報(bào)警信號(hào)，客戶端軟件將繼續(xù)進(jìn)行視頻傳輸及錄像功能。視頻客戶端軟件如圖7 所示。

圖7 視頻客戶端軟件Fig.7 Video client software

4 結(jié)語

本文利用4G 無線智能終端實(shí)現(xiàn)地面井瓦斯抽采監(jiān)測中管道參數(shù)、防入侵環(huán)境安全參數(shù)及視頻信號(hào)的無線傳輸，通過遠(yuǎn)程接收軟件、中心站軟件、視頻服務(wù)器軟件及客戶端軟件實(shí)現(xiàn)地面井監(jiān)測參數(shù)中心站顯示、查詢以及遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)和視頻信號(hào)的聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)視頻閉環(huán)控制，節(jié)省數(shù)據(jù)流量和視頻存儲(chǔ)空間。本文實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測方法在淮北集團(tuán)臨渙煤礦地面井瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠。4G 無線智能終端應(yīng)用于地面井瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)有力推進(jìn)了抽采信息化進(jìn)步，促進(jìn)了信息化融合技術(shù)在煤礦企業(yè)的應(yīng)用。