煤矿安全监测系统硬件设计方案

一、煤矿安全监测系统设计背景

煤炭资源在我国整个能源结构体系中始终占据主力军位置。但由于煤矿开采环境复杂，导致煤炭生产过程中经常出现各类安全事故，对矿井工作人员的身体健康甚至生命构成了严重威胁。当前阶段，对煤矿生产各个环节都提出了更高的要求。基于此矿井中均设置了安全监管系统，作用是对矿井内的各项技术参数进行实时监控，以便及时发现并处理问题，避免小问题引发严重的安全事故。

二、煤矿安全监测系统简介

基于对矿山实际情况的分析，设计研究了煤矿安全监管系统的总体方案：系统主要由人员定位系统、生产设备监管系统和矿区环境监测系统组成。通过煤矿安全监管系统的设计和实际应用，发现该系统可以实时监测和分析矿井内人员、设备和环境参数，以掌握矿井的运行情况。如果地下存在潜在的安全隐患，系统将发出声光报警并采取相应的控制措施。该系统已经取得了良好的实际应用效果，有效保障了矿山的安全生产，并获得了良好的安全效益。

三、煤矿安全监测系统设计方案概述

煤矿生产过程中对安全构成威胁的因素是多方面的，在充分研究煤矿生产实际情况的基础上，可以将这些因素划分成为三大类，分别为人员安全、生产设备完全和环境安全。图 1 所示为设计的煤矿安全监管系统的整体方案示意图。主要是利用各类传感器和视频监控设备，对井下人员活动情况、生产设备状态参数和矿井环境参数进行实时监测，获得对应的文本、语音和视频数据信息，利用工业以太网将采集。得到的数据信息传输到位于地面的测控中心。测控中心获得数据信息后，将其存储到数据库服务器中，同时还需要将这些信息对具有权限的管理人员共享，最重要的是要对这些数据信息进行分析与处理，判断矿井的工作状态，保障煤矿生产安全。

^{图 1 煤矿安全监管系统的整体方案示意图}

四、煤矿安全监测系统介绍

设计的煤矿安全监管系统主要包含三大子系统，分别为人员定位系统、生产设备监控系统和环境参数监测系统，以下对三大子系统分别详细介绍。

1. 人员定位系统

煤矿安全监管系统最重要的是要确保井下人员的安全。因此人员定位系统是所有系统中最为重要的，如图 2 所示为人员定位系统基本原理图。矿井各个位置设置有固定标签，所有工作人员身上携带标识卡。标识卡和固定标签之间通过 AP 无线网络建立联系。通过标签可以获取井下人员的位置信息，并通过工业以太网传输到测控中心，对井下人员的具体位置进行分析判断。除具备有以上功能外，通过人员定位系统，井上监控人员还可以通过对讲机对井下人员进行喊话，以便紧急情况下可以与井下人员进行沟通。系统检测到的人员位置信息会在测控中心监控大屏上实时显示，管理人员可以通过监控大屏实时掌握所有人员的具体位置。日常管理中可以利用人员定位系统开展考勤工作，紧急情况下可以利用系统开展应急救援工作。

^{图 2 人员定位系统基本原理图}

2. 生产设备监控系统

对主要煤矿开采设备进行状态监测是确保煤矿生产设备安全的重要措施和手段。为了确保数据信息传输的可靠性和稳定性，对于位置基本固定的机械装备，比如带式输送机、通风机等，通过有线网络进行数据传输，对于需要不断移动的机械装备，比如采煤机、掘进机等，则通过900M无线网络（ZigBee或者LORA）进行数据传输。需要采集的数据信息主要包含两方面，其一为机械装备的用电数据，比如供电电压、电流及功率等;其二为关键机械零部件的运行状态，比如轴承温度、电机温度等。考虑到矿井机电设备数量较多，需要对每个机电设备设置监控子系统。尤其是对于一些关键的机电设备，比如通风机，必须实现实时监测功能。所有监测得到的数据信息需要传输到地面测控中心进行分析处理，以判断设备的工作状态是否正常。

3. 环境参数监测系统

矿井工作环境非常复杂，内部包含有大量的粉尘、瓦斯、CO 等有毒有害气体，这些气体轻则影响井下工作人员身心健康，重则引发火灾、爆炸等严重的安全事故，威胁工作人员的生命安全。安全监管系统主要是在矿井工作面、巷道、避难硐室等位置设置不同类型的传感器，通过传感器对井下相关的环境参数，比如风速、瓦斯浓度、CO 浓度、气体压力、温度等进行监测。传感器检测得到的数据信息通过井下分站以及工业以太网传输到地面测控中心。测控中心对数据信息进行分析后，如果技术参数发现存在超标现象，则立即发出声光警报，以提示井下及井上工作人员。与此同时，还可以通过远程控制手段，启动瓦斯闭锁、风电闭锁，故障闭锁等保护措施，对井下采煤机械装备进行断电处理。主要环境参数传感器型号及技术参数，所有传感器均为本质安全型设备，能够适应矿井复杂的工作环境。

五、煤矿安全监测系统硬件支持

定位系统应用产品：

通信传输系统应用硬件：

设备	功能	产品图片
WE-AL3CB01-A1	1）支持MQTT协议，modbus TCP/IP协议； 2）上行支持WIFI，NET，全网通4G，支持网络自有切换； 3）下行支持Zigbee拓展接口，可外扩Zigbee设备；
WE-CUW	Zigbee DTU
WE-D280	1）4G DTU 工业品质、稳定可靠、透传加密数据传输； 2）看门狗电路设计保证24小时连续工作； 3）4G全网通； 4）5模13频； 5）独立外挂MCU 6）虚拟串口、远程管理、支持阿里云服务； 7）网络可远程升级固件；
FB-KT900	1）工业级 WiFi/RS485 串口转 900MHz 无线数据通信终端 ； 2）采用进口XBee-PRO 900MHz模块； 3）集成了符合900MHz无线协议的射频收发器和微处理器； 4）通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活，可实现一点对多点及多点对多点之间数据透传； 5）可组成星型和MESH型的网状网络结构；

▲环境监测应用产品研发中…

六、关于海南世电