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LORA无线技术在KJ616(A)煤矿顶板动态监测系统中的应用

一、LORA无线技术在KJ616(A)煤矿顶板动态监测系统中的应用概述：
    针对现有矿井无线通信系统在上隅角等环境恶劣,数据传输速率要求不高的区域应用效果不理想的状况,通过分析LoRa技术特点,提出了将LoRa技术应用于矿井无线通信的方案,分析了其应用架构,并讨论了LoRa技术在煤矿井下的适用场景:工作面设备运行状态数据和环境参数无线传输,矿压监测系统多种传感器数据,工作面上隅角瓦斯监测传感器数据,采空区测温传感器数据等的无线传输,矿井机电设备监测数据无线传输。LoRa技术作为物联网低功耗远程通信技术,采用扩频调制等多项技术,实现低功耗下的远距离通信,具有远距离组网,低功耗,低成本,低速率和大规模的特点。它可以透传,私有协议和LoRaWAN协议等多种方式组网,实现远程组网通信|特别是针对远距离低速率组网方面,LoRa技术是目前十分理想的解决方案。
综上所述：将LORA技术应用到矿山压力监测系统中具有以下优点：
1.传输距离更远，从而在监测测点分布不变的情况下，传输更加稳定。
2.大系统容量，目前可以达到单个系统采集4000个传感器能力。
3.电池寿命更长，在电池型号不变的情况下，使用寿命比原来提高1倍以上。
4.系统维护工作量降低，测点分布优化的情况下，一个工作面中途不需要更换电池。
5.更低的硬件成本，由于传输距离变远，已经不需要配置中继器。
6.安装传感器不需要布线，安装简便，个别传感器故障不影响其他系统运行，在线监测传感器故障需要排查线路，很繁琐。

二、LORA无线技术在KJ616(A)煤矿顶板动态监测系统中的应用结构与组成：
   本系统将计算机检测技术、无线数据通讯技术和传感器技术融为一体。实现了复杂环境条件下对煤矿顶板的自动监测和分析。系统由八大部分组成：1、计算机及数据处理软件；
2、KJ616(A)-J矿用本安型数据传输接口  3、KJ616(A)-F1矿用本安型传输主站；4、KJ616(A)-F2矿用本安型监测分站 ；5、GPD60(A)矿用压力传感器 ；6、GUW150(A)矿用
围岩移动传感器 ；7、GPD450（A）矿用本安型锚杆（索）应力传感器 ；9、GZY60(A)矿用本安型钻孔应力传感器 ； 10、KDW28-18（A）矿用隔爆兼本安不间断电源，另外还包括：
通讯线缆、接线盒等本安型部件组成。

煤矿顶板动态系统监测分析的内容
1、  监测研究的主要内容
1）巷道监测
①在巷道内主要通过离层位移传感器监测顶板下沉量、顶板下沉速度变化，两帮内显著变形区域，用于判断顶板及两帮破坏范围，对巷道稳定性进行识别，对巷道所处的安全等级进行评价。
②采用锚杆载荷应力传感器通过对巷道顶板、两帮锚固力以及锚固力沿着锚杆长度变化规律进行监测，达到对锚杆的工作状态、顶板安全性等进行评价，实现信息反馈，为锚杆支护参数设计优化提供基础。
2）回采工作面监测
①监测端头支架的工作阻力变化规律，为保障端头支护稳定性和安全性提供依据，并为确定最优的端头方式及参数提供基础。
②分区监测工作面内支架的工作阻力变化规律，为评价支架支护效果、支架对该类顶板的适定性以及顶板来压规律提供依据。
3）超前支承压力监测
通过超前顺槽内中深钻孔埋设传感器，监测随着开采的不断推进，超前支承压力的显著影响范围、支承压力高峰值、支承压力高峰位置以及前移速度等，为超前支护范围和有重点地预防冲击地压的发生提供依据。

2、  监测布点方式与数据的分析解释
(1) 监测布点方式
根据煤岩层的赋存特点和物理力学性质，进行布点方式研究，提出能够满足工程安全与技术要求、经济上最省布点方式，给出针对不同类型围岩的布点方式、布点参数、测点间距等的参照表。
(2) 数据的分析解释
提炼出由不同类型监测数据所反映出围岩稳定状态或支护体工作状态的数学力学模式，通过监测数据，由计算机进行分析与解释，达到自动识别判定：巷道围岩安全性，或端头支护的稳定性和可靠性，
或锚杆及支架的工作状态，或超前支承压力分布及转移特征等。
3、系统结构与组成
煤矿顶板安全网络监测系统的主要特点是采用环行总线结构，可涵盖全矿井多类型矿压参数监测。系统以计算机网络为主体，兼容井下通讯电缆、光缆专线、以太网络多种数据传输模式。
 系统的监测功能组成
监测系统由井下和井上两大部分组成。监测测系统有4个不同监测功能的子系统组成。4 个监测子系统从功能上加以区分，硬件结构使用统一的总线地址编码，系统的实际布置上分站可以混合排列，监测服务器
通过通讯协议区分数据类型。井上检测服务器（计算机）可接入矿区局域网络，支持网络在线监测和信息共享。
4、 井上监测信息与报警网络
井上监测信息与报警网络包括：1）数据接收单元、监测服务器；2）矿井办公局域网和客户端。井下监测网络通过井下的监测主站接入矿井工业以太环网交换机或光纤
或通讯线缆将数据传送到井上。当使用工业以太环网时传输数据，选用主站的RJ45 接口并将主站设置成NPORT（以太网联网服务器）模式。当选用电话通讯线路时将主站配置成RDS（基带差分传输）通讯模式。
监测服务器采用工业级PC，扩展了RDS 数据接发通讯单元。工业PC 配置Earthnet 以太网网接口（RJ45）与局域网交换机连接。监测服务器获取井下以太环网NPORT 接口监测数据时需保证与环网相通的物理链路。
系统监测分析软件CMPSES 运行Windows 2003 server 平台，数据库采用SQL server，采用C/S 和B/S结构，支持矿井局域网客户端模式和Web访问模式。CMPSES 监测分析软件支持GPRS/CDMA 公用数据传输网络的
图文短信群发信息和报警功能。监测服务器连接GPRS/CDMA数据接发单元，根据软件的配置信息，授权的手机用户可接收不同的数据信息和报警服务。报警信息分2级：预警信息和紧急报警信息。
5、井下部分硬件组成
顶板动态监测系统井下部分包括：通讯主站、测区通讯分站、测区压力监测分机、顶板离层监测传感器、锚杆/锚索应力监测传感器、钻孔应力传感器以及防爆型供电电源和通讯电缆组成。
井下部分采用两级隔离485总线，通讯主站下位总线连接测区通讯分站，最大可连接16 个测区分站。测区通讯分站承担不同的监测功能，一般一台通讯分站负责监测一个开采工作面及回采巷道，测区内总线
连接压力分机、离层总线式传感器、锚杆总线式传感器、钻孔应力总线式传感器。每个通讯分站最大可采集255个监测站点（分机或传感器），可满足国内大型矿井多采区布置的矿压监测需要。不同类型的监测
站点采用统一编码。通过通讯协议中的标志符区分参数类型。通讯主站内置RDS-100、PTS485、DE311 通讯接口，分别支持电话线、单膜光纤、以太网（TCP/IP协议）数据传输。井下通讯主站可通过电话线路、
单模光纤或以太环网与井上的监测服务器连接连接。
三、使用环境 
1、系统中用于机房调度室的设备在下列条件下正常工作：
a)环境温度：15℃～30℃；
b)相对湿度：40%～70%；
c)温度变化率：小于10℃/h，且不得结露；
d)大气压力：80kPa～106kPa；
e)GB/T 2887规定的尘埃、照明、噪声、电磁场干扰和接地条件。
   系统中用于煤矿井下的设备在下列条件下正常工作：
a）环境温度：0℃～40℃；
b）不大于95%（+25℃）；
c）大气压力：80kPa～106kPa；
d）有爆炸性气体混合物，但无显著振动和冲击、无平衡绝缘的腐蚀性气体。
2、供电电源
2.1地面设备交流电源：
a) 额定电压：AC127V/220V/660V，允许偏差-10%～+10%；
b) 谐波：不大于5%；
c) 频率：50Hz，允许偏差±5%。
2.2井下交流电源：
a) 额定电压：AC127V/660V，允许偏差-25%～+10%；
b) 谐波：不大于10%；
c) 频率：50Hz，允许偏差±5%。
3、软件配置
a) 操作系统：Windowsxp、Windows7。
b) 数据库：SQL Server 2000。
d) 监测软件：KJ616（A）煤矿顶板动态监测软件。
四、主要技术指标
4.1模拟量输入传输处理误差
模拟量输入传输处理误差应不大于1.0%。
4.2最大巡检周期
系统最大巡检周期应不大于30s。
4.3画面响应时间
调出整幅画面85%的响应时间应不大于2s，其余画面应不大于5s。
4.4误码率
误码率应不大于10-8。
4.5 Z大传输距离
a) 计算机至RS485/USB转换器、转换器至接口的Z大传输距离为2m。
b）接口至主站的Z大传输距离为10km（使用MGTSV(2～96)B通信光缆）；
c) 主站至分站的Z大传输距离为2km（使用MHYV 1×4（7/0.37mm）通信电缆，单芯芯线截面积为0.75mm2）；
d）分站至传感器的Z大无线传输距离为100m（无遮挡）。
4.6最大监控容量
系统最多可接入8台分站，每台分站最多可接入64台配套传感器。
4.7双机切换时间
从工作主机故障到备用主机投入正常工作时间应不大于5min。
4.8备用电源工作时间
在电网停电后，备用电源应能保证系统连续监控时间不小于2h。
4.9存储时间
重要监测点模拟量的实时监测值存盘记录保存7d以上。模拟量统计值、报警/解除报警时刻及状态、设备故障
/恢复正常工作时刻及状态等记录保存1年以上。当系统发生故障时，丢失上述信息的时间长度不大于5min。
4.10统计时间
模拟量统计值应是5min的统计值。
4.11 Z大组合负载及本安供电距离
KDW28-18(A)矿用隔爆兼本安不间断电源,1路18V（ib等级，开路）：可给1台KJ616（A）-J矿用本安型数据传输接口
或KJ616（A）-F1矿用本安型传输主站或KJ616（A）-F2矿用本安型监测分站供电，Z大供电距离为5m
（使用MHYV 1×4×7/0.37mm）通信电缆，单芯芯线截面积为0.75mm2）。
五、传输性能
5.1计算机与RS485/USB转换器的传输
1)传输方式：USB；
2)接口数量：计算机2个，RS485/USB转换器1个。
5.2 RS485/USB转换器与接口之间的传输
1)传输方式：主从式、半双工、RS485；
2)传输速率：115200bps；
3)接口数量：转换器1个，接口2个。
5.3接口与主站之间的传输
1)传输方式：以太网光信号（波长1310nm）；
2)传输速率：100Mbps；
3)光发射功率：（-20～0）dBm；
4)接口数量：接口1个、主站1个；
5.4主站与分站之间的传输
1)传输方式：主从式、半双工、RS485；
2)传输速率：4800bps；
3)接口数量：主站1个，分站1个。
5.5分站与配套传感器之间的传输
1)传输方式：GFSK无线传输；
2)中心工作频率：450MHz±2MHz；
3)发射功率：-20dBm～20dBm。
六、故障分析与排除 
1)在进行数据通讯时，周围不得有强磁场干扰或摇动正压传感器和通讯子站。
2)防爆电源输入电压指示灯不亮，保险丝烧断，更换保险丝。
3)电缆与电缆连接时，不得用简单的胶布包接。
七、售后服务 
本厂产品如因本厂原因出现质量问题，一月内包换，一年内保修。