矿井通风机安全监测数据传输系统设计研究

霍晋保

（大同煤矿集团有限公司忻州窑矿，山西 大同037001）

引言

我国是煤炭能源生产大国，煤炭在我国能源消耗形式榜单中占据前茅。随着我国经济社会的快速发展，需要加快对煤炭的开采力度，提高生产效率，才能满足国民社会的需要[1]。因此，目前煤矿企业应用现代化、智能化设备与矿井工作面提高开采的自动化程度，减少人工参与，减小了作业人员的安全风险。尽管如此，煤炭生产过程中还是会时常发生安全生产事故，其中最为常见的安全事故是由矿井内瓦斯爆炸所造成的。矿井通风机作为关键的安全设备，是驱散瓦斯气体的专属设备，是防范矿井重特大事故发生的关键设备[2]。因此需要对矿井通风机工作过程进行安全监测，对通风机每一个工况参数数据进行实时掌握，确保能够及时解决通风机所存在的工作故障，使矿井内瓦斯气体处于安全界限范围以内[3]。为了保证通风技术传回的安全数据的准确性，目前安全监测系统传回数据的方式主要分为无线和有线传输。但是由于矿井工作面复杂的地质环境和恶劣条件对于有线传输造成了极大的困难，通常以无线传输作为数据传输方式。为了提高数据传输的抗干扰能力以及无损程度，通过查阅相关资料，得出采用无线扩频传输系统应用于通风机安全监测数据的传输能有效提升数据应用的可靠程度，对于提高矿井通风机安全运行具有重要的意义[4]。研究成果为无线扩频传输技术应用于矿井其他设备的数据传输提供了思路。

1 通风机安全监测数据扩频方案

1.1 安全监测原理

目前煤矿企业大多采用的是轴流式通风机作为通风机的结构形式，以轴流式通风机作为研究对象，设计出该类型安全监测数据扩频方案，首先分析其安全监测原理。

轴流式通风机的测风测压截面是测试环节的一个关键点，每一个测试卷都要设置在层流处，因为该处的风速分布比较均匀，确保了通风机测试的精确性。在通风机每一个测试截面的两端，即上下游位置都要设置有直线段，并且不小于风硐直径的3倍[5]。

通风机安全监测系统在执行工作时应对测得的电流电压进行转换，通过变送器转换为标准数字信号。在进行无线方式传输的时候，应通过上位机进行数据处理，并将历史监测数据汇聚成曲线进行储存，方便后期查阅。通过对上述安全监测原理的分析，得出矿井通风机安全监测的总体框架设计图如图1所示。

图1 通风机安全监测总体框架示意图

1.2 安全监测数据传输要求

由于通风机在矿井工作面需注意环境的特殊性，结合实际工况条件，对其安全监测数据的传输有以下几点基本要求[6]：

1）由于通风机在矿井内长时间作业，对运转时的单位时间成本有着较高的要求，尤其采用无线数据传输方式时，是对通风机数据传输成本应较低原则的响应，通过不铺设电缆等基础设施达到了降低成本的目的；

2）由于通风机作业环境恶劣，需对其数据传输过程中抗干扰能力有较高的要求，目前无线安全数据监测系统存在抗干扰能力较弱的短板，而有线传输方式虽然抗干扰能力较强，但不适宜矿井下的工程环境。

3）目前无线安全数据监测系统传输方式的传输速率普遍在5～30 kbps范围内，远远达不到通风机安全监测数据的传输速率要求，应提高传输速率高；

4）由于煤矿分布地点距离企业中心控制室较远，对无线安全监测系统的有效传输距离有了性能要求，应满足实际工况条件下作业的传输距离要求，应尽量使传输距离更远。

1.3 传输方案的确定

根据通风机数据无线传输方式的工作要求，需要对通风机工作的环境压强、通风量大小、电流电压等关键参数数据进行采集，并转化为标准的数字信号，对每一个采集到的信号进行扩频调制，实现安全监测数据的扩频传输，具体传输方案设计图如图2所示。

图2 通风机安全监测数据扩频传输框架示意图

2 无线扩频传输系统仿真分析

2.1 仿真模型建模

采用MATLAB软件中的Simulink模块建立起无线扩频传输系统的仿真模型，整体模型主要由信源接收器、伪随机码产生器、调制模块组成。对模型各类仿真参数进行设置，其中传码率设置为90 kbps，确保数据传输速率；数据调制的方式采用BPSK进行调解，每一段的扩频码长度为255，通过20 db扩频增益结合AWGN信道，对无线扩频传输系统的仿真模型进行完善，设计出仿真模型图如图3所示。

图3 通风机安全监测数据无线扩频传输系统模型示意图

2.2 扩频信号效果对比分析

在分析无线扩频传输系统的抗干扰能力之前首先对扩频前后信号功率谱图进行对比分析，判断在扩频后信号的频谱是否相比于原始方案有了明显提高。

由图4分析可知，扩频前的信号的频谱宽度为0.1 kHz（图4-1中横坐标值），而在扩频后的信号频谱宽度达到2 kHz（图4-2中横坐标值），相比于原始方案的频谱增大了20倍，说明扩频后的数据经过PN码调制后得到了更加高效的解析，频谱图能够更便于技术人员读取辨识，提高对安全监测数据的决策判断能力。

图4 扩频前、后信号频谱示意图

3 无线扩频传输系统抗干扰能力测试

无线扩频传输系统在保证数据传输准确性的前提下，最关键的性能是抗干扰能力。在面对矿区恶劣作业环境时能够不受外界自然条件的干扰，能够将数据无损地由初始端传至末端。

3.1 抗单频正弦干扰性能

如下页图5所示，仿真结果给出了由3个不同的正弦干扰振幅干扰下的误码率，由仿真结果可知，在无干扰（即A4=0曲线）的情况下信噪比为3 dB时，系统的误码率小于10-3，在信噪比4 dB时误码率就可达到0；在有干扰（即：A1=3、A2=7和A3=12曲线）的情况下，当信噪比达到一定值后，弯曲部分就比较弯，信噪比只要增加一点，误码率则呈现急剧下降趋势。可见无线扩频传输系统对单频正弦干扰有较强的抑制作用。

3.2 抗其他扩频信号干扰能力

仿真结果曲线如下页图6所示，当信噪比S/N大于等于8 dB时，系统的误码率低于了10-3，可见其比其他扩频信号干扰要求的信噪比要大，系统的抗干扩频信号能力达到了要求；同时，曲线下降也呈弯曲变形趋势，也说明了信噪比的一点增加即可使误码率出现较大的下降变化趋势。当信噪比在12 dB时，误码率接近为0。可见DS扩频系统同样对其他扩频信号有一定的抑制作用。

图5 正弦干扰下的误码率数据曲线示意图

图6 其他扩频信号干扰下的误码率数据曲线示意图

4 结语

矿井通风机作为煤矿的关键安全设备，其工作的可靠性关系到井内作业人员的生命安全，是确保瓦斯气体在安全浓度范围内的安全装置。专业技术人员应及时地把控通风机的运行状态，对各类传回的安全监测数据进行决策判断。以通风机的工作原理以及安全监测工作要求为依据，设计出了无线扩频传输系统，通过MATLAB数据仿真软件对设计出的无线扩频传输系统进行了数据分析。测试结果显示设计出的无线扩频传输系统抗干扰能力相比于原始方案更强，频谱解析更加清晰，便于专业技术人员读取判断。研究成果提升了通风机安全监测数据的传输效率及准确性。