基于信息技术的煤矿综合自动化实时监测系统设计

王 浩，王亚栋，贾俊伟，史友庆，贾灿灿

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048000）

0 引言

煤炭资源的消耗量一直占总能源消耗极大的比重，而每年煤矿开采过程中的安全事故也频繁发生。据不完全统计，近1 a 时间，仅上半年发生的煤矿事故就超过50 起，造成了百人以上的伤亡。因此，针对煤矿的综合自动化监测系统的研究对于降低煤矿安全事故而言具有十分重要的现实意义。基于此，相关领域研究人员针对这一问题，开展了深入探究，并设计出了针对煤矿安全事故的监测系统[1]。但当前，大部分的煤矿监测系统无法实现自动化运行，并且获取到的监测数据也存在着时效性差的问题，严重影响着煤矿产业的安全发展。同时，在现有工业监控网络当中，煤矿监测系统在对监测数据的共享和利用等方面仍然存在较大缺陷，并且系统在运行的过程中，各个单元结构都是相互独立的，无法实现协调运行。在实际开展煤矿开采的过程中，需要能够实现对煤矿监测数据进行综合利用的监测系统[2]。信息技术是一种用于管理和处理信息数据的各类技术总称，当前信息技术在计算机领域、科学领域以及通信领域当中的应用十分广泛。选择合理的信息技术进行实际应用，能够实现对信息数据更好的处理，并在一定程度上达到更好的效果。因此，综合信息技术的应用优势，在实现对信息技术合理选择的同时，开展对煤矿综合自动化实时监测系统设计研究。

1 系统硬件设计

由于煤矿开采环境较为特殊，因此，综合考虑到监测系统的运行需要，在结合信息技术的基础上，将监测系统按照信息采集电路、各个监测分站、CAN 总线、监测主站以及上位机的结构进行组合，并得到如图1 所示的设计方案。

图1 基于信息技术的监测系统设计方案Fig.1 Design scheme of monitoring system based on information technology

此文将用于对煤矿监测数据进行采集的传感器和识别装置与各个监测分站进行连接，实现对煤矿监测数据以及射频识别信号的人员位置信息传输到各个监测分站当中，并对其进行处理，将所有获取到的监测数据与事先设置的预测数值进行比较，从而对其是否超限进行判断，实现对煤矿开采现场的安全报警[3]。根据上述系统的整个运行过程，首先从硬件层面，对其RFID 读写器和传感器装置进行选型设计。

1.1 RFID 读写器选型设计

RFID 读写器主要用于对监测信息数据进行无线射频识别的装置，通过射频识别信号传输的方式，利用RFID 读写器实现对目标监测数据的获取。在这一过程中，引入RFID 读写器后，不需要通过人工干预的方式，即可实现对数据更加快速的识别和获取，方便为后续煤矿安全事故发生时作出更快、更及时的报警提供更可靠的数据依据[4]。针对本文监测系统的应用性能以及运行环境需要，此文选择C72UHF165-40 型号的智能读写器，该型号RFID 读写器与同功能装置相比具有超高频读写效果，能够满足更高强度的煤矿监测系统应用需要。C72UHF165-40 型号RFID 读写器具备8000 mAh 大容量电池，可实现4 G 全网通/双频WIFI条件下的通信需要，摄像头像素为1300 万高清，同时装置本身具备5.2" IPS 高清大屏能够实现对监测信息数据的可视化。除此之外，C72UHF165-40型号RFID 读写器具备强劲UHF 读写（Impinj E710/R2000） 功能、条码扫描功能、全功能NFC功能、虹膜识别功能等。由于C72UHF165-40 型号RFID 读写器具备支持圆极化4 dBi 天线的功能，因此在进行识别时不需要对被识别对象标签进行调整，可实现更宽广的扫描范围以及更长距离的扫描[5]。在实际应用到煤矿综合实时监测当中实现更加灵活的应用效果，同时这一特点也使得该装置具备了超900 标签/s 的群读速率，能够为监测系统运行效率提供更有力的保障。

1.2 传感器装置选型设计

为实现对煤矿综合自动化实时监测，引入的传感器装置包括针对烟雾数据信息、温湿度数据信息、CO 含量数据信息以及CH4含量数据信息进行采集的传感器。由于需要进行采集的数据信息种类较多，因此综合考虑后，选用Z3N 系列传感器，根据不同监测数据的需要，对该系列当中不同功能传感器进行选型设计，并将其各个型号传感器的应用性能指标绘制成表1。

表1 多种监测数据采集传感器应用性能指标记录Table 1 Application performance index record of multiple monitoring data acquisition sensors

结合表1 中的内容，完成对多种监测信息数据的传感器选择后，将各个传感器与对应的监测分站进行连接。通过监测系统当中的STM546-550 型号单片机微控制器对所有传感器进行运行控制[6]。对于煤矿综合监测现场的各个传感器进行布置时，可按照如下方案完成：首先，针对气敏传感器（Z3N-46530 传感器、Z3N-56501 传感器和Z3N-34420传感器） 应当将其安装在煤矿开采的巷道、回采区域和工作面等各个工作区域当中；其次，温湿度传感器（Z3N-98620 传感器和Z3N-46501 传感器）安装在煤矿开采工作面以及煤矿各个关键点上，实现对煤矿的实时监测。

2 系统软件设计

2.1 基于信息技术的被监测对象标签自动化实时定位

在上述硬件条件的基础上，为实现对煤矿环境中各项可能影响煤矿安全事故发生的信息进行监测，结合RFID 标签和信息技术以及上述硬件中选择的C72UHF165-40 型号RFID 读写器，完成对被监测对象标签自动化实时定位[7]。在进行煤矿生产作业的过程中，用户可携带存储着对应编码信息的被监测标签，通过C72UHF165-40 型号RFID 读写器根据已知位置的信息对被监测对象的标签进行定位。在定位过程中，引入信息技术当中的LANDM ARC 算法实现待定位被监测对象标签和参考标签的RSSI 值，并通过欧几里得计算得出2 个标签的位置距离，其计算公式为：

式中：E为待定位被监测对象标签位置与已知位置的标签位置之间的距离；R 为C72UHF165-40 型号RFID 读写器数量；Sm为第m 个已知位置标签在读写器装置当中的RSSI 值；Sn为第n 个未知定位位置的被监测对象标签在读写器装置当中的RSSI 值。

根据上述公式计算可以更加准确地获取到被监测对象的位置信息，从而实现对其运行情况的初步监测。同时，在定位过程中，综合上述论述可知，此文选用的C72UHF165-40 型号RFID 读写器能够良好的适应煤矿复杂的生产作业环境，可实现对环境中干扰信号的抵御，因此获取到的定位信息数据可靠性更高，在对信息数据进行传输时，其稳定性也更加理想。

2.2 煤矿地层控制设备综合设置与监测管理

完成对标签的定位后，将进行煤矿地层控制设备在区域内位置设置。在此过程中，对于设备控制子端，考虑到原有的通讯模块需要进行各组态软件的接入，因此，需要在布置此设备时，定位设备通讯端的子网掩码与IP 地址，将相关信息下载到PLC 终端，通过对信息的集中分析，进行OPC 数据的集成，以此种方式，确保对设备位置初步判定的准确性[8]。对于此过程中无法识别PLC 的设备而言，可以采用对其进行串口设置的方式，进行通信端与服务器端的对接，采用集中控制的方式，进行设备之间的互联与通信，确保通信状态保持良好后，进行控制设备的对接，确保监控设备在地层中安装位置可以满足监测需求。

完成对控制设备的安装后，使用系统中网络传输层，进行底层设备的监测管理。为了确保监测结果符合要求，在此过程中，使用防爆交换机作为软件监控的主要设备，对接交换机与OPC 服务端，进行数据通信产生信息的统一管理。在此基础上，通过登录系统交换机的方式，在终端Web 界面进行MAC 地址的获取，定位网络中不同节点的连接方式，根据节点的连接进行故障的诊断与识别，对于此时发生的故障，可采用调节故障节点的方式，进行系统停运时间的控制。综上所述，通过对上述过程中地址信息与节点信息的获取，实现对煤矿综合自动化的实施监控，并通过对获取信息的集中导入与导出、PLC 型号的匹配与IP 地址调用，实现对监控信息的有效管理。以此种方式，实现对系统软件功能的完善，完成对实时监控系统的开发。

根据上述论述实现对煤矿地层控制设备综合设置与监测管理后，为了进一步提高煤矿生产作业的安全，引入报警机制，针对监测过程中出现的参数超过事先设置限制范围的问题进行及时报警。将煤矿生产作业的每一个区域采集模拟量准确变为上位机能够识别的数字量，并通过CAN 总线将获取到的监测数据上传到上位机当中，将收到的数据进行解析处理后，在显示器当中显示，并对该数据是否在预设参数范围内进行判断，若在这一范围内，则不发出报警信号；若不在这一范围内，则发出报警信号。

3 对比实验

通过以上论述，在完成对监测系统的理论设计后，将该系统与传统基于ZigBee 技术的监测系统应用到晋城市华宁天晟机电设备有限公司生产的煤矿自动化监测装置当中，并针对煤矿生产过程中的各项控制内容进行监测。为了实现实验结果的可比较性，选择将此文设计的基于信息技术的监测系统与传统基于物联网的监测系统应用到煤矿综合作业环境当中，通过比较2 种系统的实际应用情况，实现对其应用性能对比。为了实现对真实煤矿作业环境的模拟，选择利用频率干扰装置对2 种监测系统在进行监测数据传输过程中施加干扰条件，已知频率干扰装置的运行频率在80 ～110 MHz，增益大于或等于2.58 db，带宽大于或等于2.5 Mhz。在实验过程中，选择5 台上位机装置配合2 种监测系统完成运行，将5 台上位机看作5 个监测分站，其中1台上位机用于对各个传感器采集到的数据信息进行上传；1 台用于为2 种监测系统提供数据发送请求；1 台用于为2 种监测系统的数据库提供运行服务条件。1 台用于实现对各类数据的实时监测；1台用于实现对煤矿现场安全事故问题的远程监测与报警。为了实现对2 种监测系统在相同复杂环境中运行的效果，选择将监测过程中的信号传输频率作为评价指标，记录60 min 以内，2 种监测系统运行时的信号传输频率变化幅度实现对监测系统运行稳定性的验证，将2 种检测系统实验结果记录见表2。

表2 两种监测系统实验结果记录表Table 2 Records of experimental results of two monitoring systems

表2 中κ 表示为信号传输频率曲线变化幅度偏差数值；τ 值表示为信号传输频率；κ1 表示为本文提出的基于信息技术的监测系统；κ2 表示为传统基于物联网的监测系统。从表2 中记录的实验数据可以看出，本文设计的基于信息技术的监测系统监测过程中信号传输频率均未超过623.3 ～623.7 MHz，而传统基于物联网的监测系统由于受到煤矿运行环境中干扰信号的影响，其信号传输频率呈现出没有规律的变化，且波动幅度较大，最终造成κ1 始终小于κ2 的实验结果产生。因此，通过上述得出的实验结果能够证明，本文提出的基于信息技术的监测系统在实际运行过程中信号传输频率稳定，监测系统的运行具有极高的稳定性，同时也能够在运行过程中进一步提高监测数据采集、传输和记录的精度，实现对煤矿现场监测数据的高精度监测。

4 结语

综合此文上述论述，在结合信息技术应用优势的基础上，提出一种全新的监测系统，并通过实验的方法证明了该系统的应用性能。在设计过程中，将信息技术作为核心，针对煤矿生产作业环境中的环境信息和各个被监测对象的位置进行实时监测，并能够根据监测到的数据信息实现对煤矿安全事故的及时报警，从而进一步提高煤矿生产作业的安全性。在后续的研究当中，还将进一步引入更多的信息技术，对监测系统进行不断优化，实现对煤矿生产作业的动态监测，在提升本文监测系统应用适应性同时，也起到提升煤矿作业安全系数的效果。