朱海峰 楊 銳
(1.棗莊王晁煤礦有限責(zé)任公司,山東 棗莊 277100;2.山東精誠(chéng)致和信息科技有限公司,山東 濟(jì)南 250000)
王晁煤礦之前采用機(jī)械式頂板離層設(shè)備,由人工目測(cè)采集數(shù)據(jù),然后根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析。為了提高轄區(qū)煤礦頂板管理水平,利用信息化手段,采用支持物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線連接的頂板離層在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式離層儀,實(shí)現(xiàn)頂板離層的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè),從而達(dá)到強(qiáng)化頂板安全管理、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的。山東精誠(chéng)致和信息科技有限公司提供一套基于LoRa技術(shù)的礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用LoRa無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)頂板離層數(shù)據(jù)的采集,并采用配套的大容量電源箱,解決頂板離層儀的供電問(wèn)題,避免了繁瑣的布線過(guò)程,大大簡(jiǎn)化了安裝以及后期的維護(hù)工作。
頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)王晁煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求,結(jié)合LoRa無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn),提出的兼顧成本和使用方便性的解決方案。整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成:一是傳感層,由若干個(gè)數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成,每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元由一個(gè)礦用圍巖移動(dòng)傳感器和一個(gè)礦用本安型電源箱組成,完成對(duì)頂板深部和淺部離層值的采集;二是傳輸層,包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)、工業(yè)以太網(wǎng)傳輸三部分,礦用本安型傳輸分站通過(guò)LoRa無(wú)線信號(hào)獲取數(shù)據(jù)采集單元間發(fā)送的數(shù)據(jù),接收完成后,進(jìn)行存儲(chǔ)和處理,并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器;三是應(yīng)用層,包括數(shù)據(jù)采集、分析和客戶端應(yīng)用,數(shù)據(jù)采集服務(wù)接收傳輸分站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)后送至頂板離層分析系統(tǒng)進(jìn)行分析,報(bào)警信息推送服務(wù)會(huì)及時(shí)將各種報(bào)警信息通過(guò)Web客戶端、手機(jī)APP、聲光任務(wù)提醒器發(fā)送給相關(guān)人員[1]。頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖1。
圖1 頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架
頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由井下和井上兩部分組成,其中井下部分由礦用圍巖移動(dòng)傳感器、礦用本安型電源箱、傳輸分站、直流穩(wěn)壓電源、手持終端、井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)組成,井上部分由地面交換機(jī)、監(jiān)控大屏、Web監(jiān)控機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)、路由器以及聲光任務(wù)提醒器組成,服務(wù)器中運(yùn)行著數(shù)據(jù)采集服務(wù)和頂板離層分析系統(tǒng)軟件等。頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖2。
圖2 頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖
(1)利用離線巡檢和在線監(jiān)測(cè)兩種工作模式實(shí)現(xiàn)更靈活的系統(tǒng)部署
礦用圍巖移動(dòng)傳感器中內(nèi)置了BLE數(shù)據(jù)采集模塊和LoRa射頻通信模塊,借助于兩種射頻通信手段的加持,設(shè)備具備離線巡檢和在線監(jiān)測(cè)兩種工作模式切換的能力。離線巡檢模式借助于BLE數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn),模塊可按照設(shè)定的時(shí)間周期性獲取頂板離層信息并存儲(chǔ),待巡檢人員攜帶手持終端經(jīng)過(guò)時(shí),對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。離線巡檢模式適用于巖層穩(wěn)定頂板離層變化緩慢和傳輸分站部署困難的巷道。在線監(jiān)測(cè)模式借助于LoRa射頻通信模塊實(shí)現(xiàn),模塊周期性獲取頂板離層信息后,通過(guò)LoRa射頻信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送給傳輸分站,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)后送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。在線監(jiān)測(cè)模式適用于圍巖移動(dòng)傳感器安裝密集、頂板監(jiān)測(cè)信息上報(bào)實(shí)時(shí)性要求高的巷道。
(2)利用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸
LoRa具有較低的功耗水平、較遠(yuǎn)的通信覆蓋面,在物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。LoRa憑借其采用的一種線性擴(kuò)頻調(diào)制方式,增加了信號(hào)在傳輸過(guò)程中抗多徑和抗衰落的能力,較高的接收信號(hào)靈敏度和發(fā)送功率增加了其通信距離[2-4]。
(3)利用大容量電源供電實(shí)現(xiàn)設(shè)備的簡(jiǎn)便安裝和維護(hù)
礦用本安電源箱是一款用于煤礦下低壓設(shè)備供電的便攜式電源,采用本安電路設(shè)計(jì),在力保本質(zhì)安全的條件下,實(shí)現(xiàn)最大容量。與傳統(tǒng)供電方式相比,采用本產(chǎn)品供電,可大大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的難度和復(fù)雜程度,顯著增加部署的靈活和便利性。內(nèi)置8000 mA/h錳酸鋰電池,可為礦用圍巖移動(dòng)傳感器供電,供電時(shí)間為6個(gè)月以上。
(4)利用聲光任務(wù)提醒器實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的及時(shí)提醒
聲光任務(wù)提醒器采用WiFi模塊,內(nèi)部集成音頻模塊和RGB三色燈,產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)后,接收?qǐng)?bào)警信息推送服務(wù)發(fā)送的消息,改變?cè)O(shè)備燈光并播放音頻,實(shí)現(xiàn)聲光任務(wù)提醒。本產(chǎn)品放置在相關(guān)部門和領(lǐng)導(dǎo)的辦公室中,實(shí)現(xiàn)任務(wù)的及時(shí)提醒,提高工作效率,防止關(guān)鍵以及緊急事件的遺漏和延誤。
(1)借助于礦用本安型電源箱的使用,省去了在傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署中長(zhǎng)距離電纜的工作量,并簡(jiǎn)化了后期維護(hù)和拆除的相關(guān)工作。
(2)采用各類手持設(shè)備終端廣泛支持的BLE技術(shù)進(jìn)行離線巡檢模式下的數(shù)據(jù)傳輸,無(wú)需采用專用的巡檢設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)離線巡檢,提高了設(shè)備的重復(fù)利用率,減少了項(xiàng)目投入。
(3)基于Web技術(shù)構(gòu)建頂板離層儀數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),可同時(shí)滿足在煤礦端、移動(dòng)端查看調(diào)取煤礦井下頂板離層儀的相關(guān)數(shù)據(jù)的要求。
(4)借助于LoRa無(wú)線射頻技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)頂板離層數(shù)據(jù)采集、上傳、匯總到信息分析等進(jìn)行全方位管理,為煤礦頂板安全管理工作提供依據(jù)。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有入網(wǎng)礦用圍巖移動(dòng)傳感器離層值監(jiān)測(cè)以及功能狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能;對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的安裝、使用狀態(tài)、拆除、報(bào)廢的記錄管理;對(duì)系統(tǒng)內(nèi)分區(qū)域、分地點(diǎn)頂板圍巖位移歷史記錄分析,并及時(shí)對(duì)超限地點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警;按地域、時(shí)間等分類查詢、顯示、打印等功能。
系統(tǒng)投入使用后,井下巷道中頂板離層傳感器數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī),并借助于Web技術(shù)架構(gòu)構(gòu)建頂板離層數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),滿足煤礦職能科室和生產(chǎn)管理相關(guān)管理者通過(guò)PC、手機(jī)等終端查閱實(shí)時(shí)的頂板離層數(shù)據(jù),同時(shí)借助于聲光任務(wù)提醒器和手機(jī)APP將系統(tǒng)的報(bào)警及時(shí)推送,實(shí)現(xiàn)了信息的及時(shí)提醒,提高工作效率,防止關(guān)鍵以及緊急事件的遺漏和延誤。
隨著LoRa技術(shù)在井下頂板監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)的應(yīng)用,LoRa技術(shù)憑借其表現(xiàn)優(yōu)異的低功耗、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn),越來(lái)越受煤礦企業(yè)和解決方案服務(wù)商的青睞,并得到廣泛的應(yīng)用。由于煤礦巷道的特點(diǎn)對(duì)LoRa星形網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)部署和使用不友好[5],導(dǎo)致LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍變得很小,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,可通過(guò)級(jí)聯(lián)、級(jí)跳等mesh相關(guān)技術(shù)增大LoRa信號(hào)覆蓋范圍,提高LoRa技術(shù)在煤礦井下的競(jìng)爭(zhēng)力,更好地為煤礦設(shè)備的信息化提供服務(wù)。