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LORA無線技術在KJ616(A)煤礦頂板動態監測系統中的應用

一、LORA無線技術在KJ616(A)煤礦頂板動態監測系統中的應用概述：
    針對現有礦井無線通信系統在上隅角等環境惡劣,數據傳輸速率要求不高的區域應用效果不理想的狀況,通過分析LoRa技術特點,提出了將LoRa技術應用於礦井無線通信的方案,分析了其應用架構,並討論了LoRa技術在煤礦井下的適用場景:工作面設備運行狀態數據和環境參數無線傳輸,礦壓監測系統多種傳感器數據,工作面上隅角瓦斯監測傳感器數據,采空區測溫傳感器數據等的無線傳輸,礦井機電設備監測數據無線傳輸。LoRa技術作為物聯網低功耗遠程通信技術,採用擴頻調製等多項技術,實現低功耗下的遠距離通信,具有遠距離組網,低功耗,低成本,低速率和大規模的特點。它可以透傳,私有協議和LoRaWAN協議等多種方式組網,實現遠程組網通信|特別是針對遠距離低速率組網方面,LoRa技術是目前十分理想的解決方案。
綜上所述：將LORA技術應用到礦山壓力監測系統中具有以下優點：
1.傳輸距離更遠，從而在監測測點分布不變的情況下，傳輸更加穩定。
2.大系統容量，目前可以達到單個系統採集4000個傳感器能力。
3.電池壽命更長，在電池型號不變的情況下，使用壽命比原來提高1倍以上。
4.系統維護工作量降低，測點分布優化的情況下，一個工作面中途不需要更換電池。
5.更低的硬件成本，由於傳輸距離變遠，已經不需要配置中繼器。
6.安裝傳感器不需要布線，安裝簡便，個別傳感器故障不影響其他系統運行，在線監測傳感器故障需要排查線路，很繁瑣。

二、LORA無線技術在KJ616(A)煤礦頂板動態監測系統中的應用結構與組成：
   本系統將計算機檢測技術、無線數據通訊技術和傳感器技術融為一體。實現了複雜環境條件下對煤礦頂板的自動監測和分析。系統由八大部分組成：1、計算機及數據處理軟件；
2、KJ616(A)-J礦用本安型數據傳輸接口  3、KJ616(A)-F1礦用本安型傳輸主站；4、KJ616(A)-F2礦用本安型監測分站 ；5、GPD60(A)礦用壓力傳感器 ；6、GUW150(A)礦用
圍岩移動傳感器 ；7、GPD450（A）礦用本安型錨杆（索）應力傳感器 ；9、GZY60(A)礦用本安型鑽孔應力傳感器 ； 10、KDW28-18（A）礦用隔爆兼本安不間斷電源，另外還包括：
通訊線纜、接線盒等本安型部件組成。

煤礦頂板動態系統監測分析的內容
1、  監測研究的主要內容
1）巷道監測
①在巷道內主要通過離層位移傳感器監測頂板下沉量、頂板下沉速度變化，兩幫內顯著變形區域，用於判斷頂板及兩幫破坏範圍，對巷道穩定性進行識別，對巷道所處的安全等級進行評價。
②採用錨杆載荷應力傳感器通過對巷道頂板、兩幫錨固力以及錨固力沿着錨杆長度變化規律進行監測，達到對錨杆的工作狀態、頂板安全性等進行評價，實現信息反饋，為錨杆支護參數設計優化提供基礎。
2）回采工作面監測
①監測端頭支架的工作阻力變化規律，為保障端頭支護穩定性和安全性提供依據，並為確定最優的端頭方式及參數提供基礎。
②分區監測工作面內支架的工作阻力變化規律，為評價支架支護效果、支架對該類頂板的適定性以及頂板來壓規律提供依據。
3）超前支承壓力監測
通過超前順槽內中深鑽孔埋設傳感器，監測隨着開採的不斷推進，超前支承壓力的顯著影響範圍、支承壓力高峰值、支承壓力高峰位置以及前移速度等，為超前支護範圍和有重點地預防衝擊地壓的發生提供依據。

2、  監測布點方式與數據的分析解釋
(1) 監測布點方式
根據煤岩層的賦存特點和物理力學性質，進行布點方式研究，提出能夠滿足工程安全與技術要求、經濟上最省布點方式，給出針對不同類型圍岩的布點方式、布點參數、測點間距等的參照表。
(2) 數據的分析解釋
提煉出由不同類型監測數據所反映出圍岩穩定狀態或支護體工作狀態的數學力學模式，通過監測數據，由計算機進行分析與解釋，達到自動識別判定：巷道圍岩安全性，或端頭支護的穩定性和可靠性，
或錨杆及支架的工作狀態，或超前支承壓力分布及轉移特征等。
3、系統結構與組成
煤礦頂板安全網絡監測系統的主要特點是採用環行總線結構，可涵蓋全礦井多類型礦壓參數監測。系統以計算機網絡為主體，兼容井下通訊電纜、光纜專線、以太網絡多種數據傳輸模式。
 系統的監測功能組成
監測系統由井下和井上兩大部分組成。監測測系統有4個不同監測功能的子系統組成。4 個監測子系統從功能上加以區分，硬件結構使用統一的總線地址編碼，系統的實際佈置上分站可以混合排列，監測服務器
通過通訊協議區分數據類型。井上檢測服務器（計算機）可接入礦區局域網絡，支持網絡在線監測和信息共享。
4、 井上監測信息與報警網絡
井上監測信息與報警網絡包括：1）數據接收單元、監測服務器；2）礦井辦公局域網和客戶端。井下監測網絡通過井下的監測主站接入礦井工業以太環網交換機或光纖
或通訊線纜將數據傳送到井上。當使用工業以太環網時傳輸數據，選用主站的RJ45 接口並將主站設置成NPORT（以太網聯網服務器）模式。當選用電話通訊線路時將主站配置成RDS（基帶差分傳輸）通訊模式。
監測服務器採用工業級PC，擴展了RDS 數據接發通訊單元。工業PC 配置Earthnet 以太網網接口（RJ45）與局域網交換機連接。監測服務器獲取井下以太環網NPORT 接口監測數據時需保証與環網相通的物理鏈路。
系統監測分析軟件CMPSES 運行Windows 2003 server 平台，數據庫採用SQL server，採用C/S 和B/S結構，支持礦井局域網客戶端模式和Web訪問模式。CMPSES 監測分析軟件支持GPRS/CDMA 公用數據傳輸網絡的
圖文短信群發信息和報警功能。監測服務器連接GPRS/CDMA數據接發單元，根據軟件的配置信息，授權的手機用戶可接收不同的數據信息和報警服務。報警信息分2級：預警信息和緊急報警信息。
5、井下部分硬件組成
頂板動態監測系統井下部分包括：通訊主站、測區通訊分站、測區壓力監測分機、頂板離層監測傳感器、錨杆/錨索應力監測傳感器、鑽孔應力傳感器以及防爆型供電電源和通訊電纜組成。
井下部分採用兩級隔離485總線，通訊主站下位總線連接測區通訊分站，最大可連接16 個測區分站。測區通訊分站承擔不同的監測功能，一般一台通訊分站負責監測一個開採工作面及回采巷道，測區內總線
連接壓力分機、離層總線式傳感器、錨杆總線式傳感器、鑽孔應力總線式傳感器。每個通訊分站最大可採集255個監測站點（分機或傳感器），可滿足國內大型礦井多采區佈置的礦壓監測需要。不同類型的監測
站點採用統一編碼。通過通訊協議中的標誌符區分參數類型。通訊主站內置RDS-100、PTS485、DE311 通訊接口，分別支持電話線、單膜光纖、以太網（TCP/IP協議）數據傳輸。井下通訊主站可通過電話線路、
單模光纖或以太環網與井上的監測服務器連接連接。
三、使用環境 
1、系統中用於機房調度室的設備在下列條件下正常工作：
a)環境溫度：15℃～30℃；
b)相對濕度：40%～70%；
c)溫度變化率：小於10℃/h，且不得結露；
d)大氣壓力：80kPa～106kPa；
e)GB/T 2887規定的塵埃、照明、噪聲、電磁場干擾和接地條件。
   系統中用於煤礦井下的設備在下列條件下正常工作：
a）環境溫度：0℃～40℃；
b）不大於95%（+25℃）；
c）大氣壓力：80kPa～106kPa；
d）有爆炸性氣體混合物，但無顯著振動和衝擊、無平衡絕緣的腐蝕性氣體。
2、供電電源
2.1地面設備交流電源：
a) 額定電壓：AC127V/220V/660V，允許偏差-10%～+10%；
b) 諧波：不大於5%；
c) 頻率：50Hz，允許偏差±5%。
2.2井下交流電源：
a) 額定電壓：AC127V/660V，允許偏差-25%～+10%；
b) 諧波：不大於10%；
c) 頻率：50Hz，允許偏差±5%。
3、軟件配置
a) 操作系統：Windowsxp、Windows7。
b) 數據庫：SQL Server 2000。
d) 監測軟件：KJ616（A）煤礦頂板動態監測軟件。
四、主要技術指標
4.1模擬量輸入傳輸處理誤差
模擬量輸入傳輸處理誤差應不大於1.0%。
4.2最大巡檢週期
系統最大巡檢週期應不大於30s。
4.3畫面響應時間
調出整幅畫面85%的響應時間應不大於2s，其餘畫面應不大於5s。
4.4誤碼率
誤碼率應不大於10-8。
4.5 Z大傳輸距離
a) 計算機至RS485/USB轉換器、轉換器至接口的Z大傳輸距離為2m。
b）接口至主站的Z大傳輸距離為10km（使用MGTSV(2～96)B通信光纜）；
c) 主站至分站的Z大傳輸距離為2km（使用MHYV 1×4（7/0.37mm）通信電纜，單芯芯線截面積為0.75mm2）；
d）分站至傳感器的Z大無線傳輸距離為100m（無遮擋）。
4.6最大監控容量
系統最多可接入8台分站，每台分站最多可接入64台配套傳感器。
4.7雙機切換時間
從工作主機故障到備用主機投入正常工作時間應不大於5min。
4.8備用電源工作時間
在電網停電后，備用電源應能保証系統連續監控時間不小於2h。
4.9存儲時間
重要監測點模擬量的實時監測值存盤記錄保存7d以上。模擬量統計值、報警/解除報警時刻及狀態、設備故障
/恢復正常工作時刻及狀態等記錄保存1年以上。當系統發生故障時，丟失上述信息的時間長度不大於5min。
4.10統計時間
模擬量統計值應是5min的統計值。
4.11 Z大組合負載及本安供電距離
KDW28-18(A)礦用隔爆兼本安不間斷電源,1路18V（ib等級，開路）：可給1台KJ616（A）-J礦用本安型數據傳輸接口
或KJ616（A）-F1礦用本安型傳輸主站或KJ616（A）-F2礦用本安型監測分站供電，Z大供電距離為5m
（使用MHYV 1×4×7/0.37mm）通信電纜，單芯芯線截面積為0.75mm2）。
五、傳輸性能
5.1計算機與RS485/USB轉換器的傳輸
1)傳輸方式：USB；
2)接口數量：計算機2個，RS485/USB轉換器1個。
5.2 RS485/USB轉換器與接口之間的傳輸
1)傳輸方式：主從式、半雙工、RS485；
2)傳輸速率：115200bps；
3)接口數量：轉換器1個，接口2個。
5.3接口與主站之間的傳輸
1)傳輸方式：以太網光信號（波長1310nm）；
2)傳輸速率：100Mbps；
3)光發射功率：（-20～0）dBm；
4)接口數量：接口1個、主站1個；
5.4主站與分站之間的傳輸
1)傳輸方式：主從式、半雙工、RS485；
2)傳輸速率：4800bps；
3)接口數量：主站1個，分站1個。
5.5分站與配套傳感器之間的傳輸
1)傳輸方式：GFSK無線傳輸；
2)中心工作頻率：450MHz±2MHz；
3)發射功率：-20dBm～20dBm。
六、故障分析與排除 
1)在進行數據通訊時，週圍不得有強磁場干擾或搖動正壓傳感器和通訊子站。
2)防爆電源輸入電壓指示燈不亮，保險絲燒斷，更換保險絲。
3)電纜與電纜連接時，不得用簡單的膠布包接。
七、售后服務 
本廠產品如因本廠原因出現質量問題，一月內包換，一年內保修。