煤礦安全監控系統升級改造探究與實踐

王福峰 張 乾 徐洪澤

（山東能源棗礦集團高煤公司，山東 棗莊 277000）

為符合煤礦行業的發展趨勢，2016年底國家和行業均對煤礦安全監控系統提出了新的要求，尤其是《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（煤安監函〔2016〕5號）和山東煤礦安全監察局《關于印發〈山東煤礦安全監控系統升級改造技術方案實施標準〉的通知》（魯煤監技裝〔2017〕70號）文件的相繼出臺，為系統的升級改造明確了方向，對原有煤礦安全監控系統的升級換代勢在必行。高煤公司結合國家安監部門要求和自身多年來的技術積累，對現有的安全監控系統進行了全方位的優化設計。

1 升級改造前情況分析

高煤公司安全監測監控系統采用江蘇三恒科技股份有限公司生產的KJ70N系統，該系統采用RS485總線傳輸，TCP/IP傳輸，中心站位置在礦生產調度指揮中心，是集環境安全、監測監控、信息管理、工業圖像等多種系統為一體的新型綜合監控系統。由于主傳輸線遍布井下各處，當任一地點線路老化漏電或短路時，就會造成整個系統的故障，系統巡檢周期長，達不到《關于加強煤礦井下生產布局管理控制超強度生產的意見》（發改運行〔2014〕893號）要求的抗干擾四級。安全監控系統部分設備反復使用，老化嚴重，系統運行性能可靠性降低，不利于礦井的安全生產預測預報。高煤公司在原系統基礎上進行升級改造，對原有部分設備進行更新，為滿足行業規定，還對原有系統進行擴充，采用礦用本安型網絡交換機組建先進1000M環網平臺進行系統信號傳輸，對部分傳感器進行補充，提升系統穩定性及抗干擾能力。通過分析研究，高煤公司主要存在以下幾點不足：

（1）監測分站及各類監測傳感器均為模擬傳輸方式，不符合要求。

（2）未推廣使用先進傳感技術及裝備，各類監測設備的防護等級為IP54。

（3）系統未實現根據瓦斯濃度大小、瓦斯超限持續時間、瓦斯超限范圍等設置不同的報警級別、實施分級響應以及邏輯報警功能。

（4）系統未具有自診斷、自評估功能及異常數據分析功能、瓦斯涌出、火災等預測預警功能。

（5）監測分站后備電源方面，KJ70N安全監控系統中為監測分站、交換機供電的電源備用時間均能達到2h，未達到斷電后備用電源能維持正常供電4h的要求。

2 升級改造原則及目標

2.1 升級改造原則

根據高煤公司實際，本次系統改造設計為滿足《煤礦安全規程》（2016版）、《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（煤安監函〔2016〕5號）和山東煤礦安全監察局《關于印發〈山東煤礦安全監控系統升級改造技術方案實施標準〉的通知》（魯煤監技裝〔2017〕70號），系統由KJ70N升級為KJ70X，依據以下原則進行設計：

（1）規范性原則。滿足現行規程、標準及規范要求；

（2）穩定、可靠、成熟的原則。采用先進成熟的技術及產品；

（3）投資最優化原則。充分利用已有系統設備實現投資最優化，在原有傳感器的基礎上，更換芯片、探頭等硬件，節約資金。

2.2 升級改造目標

高煤公司安全監控系統升級后，預期達到的目標如下：

（1）傳感器到分站數據傳輸實現數字化，使用RS485總線傳輸技術，通信速率2400bps，確保數據傳輸的可靠性。

（2）升級的分站及傳感器通過監控系統及組成設備達到靜電抗擾度3級、電磁輻射抗擾度2級、脈沖群抗擾度3級、浪涌抗擾度3級等抗干擾認證，且系統取得抗干擾安標認證，高于國家標準。

（3）升級的分站、傳感器防護等級均達到IP65，滿足在惡劣環境中能正常工作。

（4）增設多參數傳感器、激光甲烷傳感器等先進技術裝備。

（5）系統軟件可設置4級報警，傳感器的報警響度達到85dB，聲光報警頻率可實現4級，用不同頻率進行區分。

（6）KJ70X系統支持地面、井下的數據融合，軟件提供融合接口及協議規范：支持人員定位系統、應急廣播系統、視頻監控系統等系統融合，方便實現融合及應急聯動，聯動參數可設置。

（7）設計系統傳輸平臺采用工業以太環網+總線技術，環網切換時間不大于50ms，實現多路數據并行快速傳輸。

（8）智能傳感器實現標校提醒及故障診斷功能。

（9）軟件實現自診斷功能，根據操作系統運行環境、設備布置及監測數據，對系統軟件、分站、傳感器等異常情況進行診斷，出具診斷報告，以便于系統維護。

（10）軟件實現雙機熱備，當主機出現異常時，備機可自動切換為主機進行工作，實現無縫切換。

（11）實現了數據分析及應用：傳感器標校數據分析、異常數據分析及大數據分析等。

（12）數據存儲采用RSA加密算法，防止數據被破解篡改。

（13）系統性能指標得到大幅提升，巡檢周期不超過10s，異地斷電時間縮至5s，備用電源斷電后正常供電時間提升到8h，雙機熱備實現自動切換，模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%，分站本安電源實現分級管理。

3 升級改造步驟

（1）成立安全監控系統升級改造專項領導小組，任務分解落實，制定工作任務清單，明確責任歸屬。

（2）為確保升級改造期間監控系統穩定有效運行，制定《高煤公司安全監控系統升級改造期間應急處置措施》。

（3）建設一套千兆工業以太環網用于安全監控系統專業傳輸。

（4）為了不影響老安全監測系統的運行，在地面監控室利用新主備機、服務器等搭建一套新安全監控系統，兩套系統并行運行。同時新系統的上傳軟件，應將數據上傳至上級集團公司。

（5）分階段、分主次、分重點進行分站與電源的更換，優先把非重點區域的分站及傳感器（如避難硐室）進行更換，接入新系統。

（6）安裝重點采區的分站和傳感器并接入新系統，實現新老系統的平滑過渡。

4 安全監控系統升級要點

4.1 系統組網方式升級

系統主干網應采用工業以太網，分站至主干網之間宜采用工業以太網，也可采用RS485、CAN、LonWorks、Prof i bus。“十三五”末應采用工業以太網，系統巡檢周期不超過20s。地面中心站增加核心交換機，用于監控系統內網和連接外網的管理；增加井下環網交換機，和地面核心交換機形成一體式冗余環網方式；安裝環網交換機管理軟件平臺1套，用于工業以太網實時對網絡設備的配置。

4.2 提升傳感器防護等級

高煤公司升級改造前使用的分站為KJ70N-F型分站，分站與傳感器通信采用頻率/電流模式。為滿足RS485智能傳感器的接入，提高設備抗干擾能力、信號傳輸可靠性及穩定性，并增加傳感器自識別功能，需要將KJ70N-F型分站升級為KJ770-F5礦用智能型本安型分站。分站升級后，與傳感器之間全部采用數字信號進行數據通訊。可實現對傳感器遠程參數設置、遠程查看設備狀態信息等功能，有效提升傳感器、斷電器等設備數據傳輸的抗干擾能力，解決了安全監控系統的“誤報、誤控”現象。

4.3 電源箱升級

備用電源能維持斷電后正常供電時間由2h提升到4h；更換電池要求由僅能維持1h時必須更換，提高到僅能維持2h時必須更換；分站的最大遠程本安供電距離（在設計工況條件下）實行分級管理，分別為2km、3km、6km。電源箱具備通信網絡的工作狀態顯示。

4.4 推廣應用先進技術及裝備

推廣使用架構簡單系統以及激光、紅外等低功耗傳感器、自診斷型傳感器，鼓勵使用多參數傳感器。突出礦井的采煤工作面進、回風巷、煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌出的巖巷掘進工作面回風流中，采區回風巷、總回風巷瓦斯傳感器推薦使用激光、紅外等全量程傳感器。高煤公司在采煤工作面和掘進工作面分階段、分批次更換GJG100J激光甲烷傳感器，利用甲烷特征氣體對應的獨立的吸收波長進行測量，本身不受水汽的影響，利用光路可分特性，實現了傳感器實時自校準功能，調校周期長，適于井下工作面或含有硫化氫氣體的礦井使用。

4.5 支持多網多系統融合、應急聯動

多系統采用地面融合方式，由于各系統屬于不同廠家，需要各廠家共同配合，對各自軟件進行統一協議，開放數據庫端口，增加部分設備，并在公司調度指揮中心建立多系統融合平臺，從而達到系統多網、多系統融合及應急聯動的功能。

工控機共計2臺，型號：研華工控610/i7/8G/1T/1G獨立顯卡；2×1000網卡；數字轉接板；24寸顯示器（2臺）。

軟件接口：定制版，內含報警電話聯動模塊(實現區域報警電話聯系)、人員定位聯動模塊(實現區域報警時人員收到信息雙向緊急呼叫功能)、應急廣播聯動模塊(實現區域報警時廣播播放通知)。

安裝輔材：硬件防火墻一套（信息中心要求增加硬件防火墻(華為USG6308)；鎧裝尾纖60根、MHYVR1×4×7/0.52電纜300m。

5 升級改造效果分析

高煤公司利用光纖環網將井下各采掘頭面及主要巷道所有監測點數據正常傳輸至地面監控中心站，系統運行穩定可靠，達到效果具體如下：

（1）升級改造后有效地實現新技術、新工藝的應用，實現安全監控系統的全數字化，傳感器的防護等級由IP54提升到IP65，能夠有效抵御礦塵、淋水等對設備性能的影響。構建多主并發、對等通信高速率、冗余數據傳輸平臺，提升安全監控系統的抗電磁干擾能力，增強大數據的分析，具有自診斷、突出報警等功能，提高監控系統的可靠性、穩定性，同時大大縮短系統巡檢周期（由原來23s縮短為11s），提高了工作效率。分站備用電源由2h提升到4h，提高了安全監控系統防護能力。

（2）當瓦斯超限、斷電需立即撤人的緊急情況下，安全監控系統可自動與人員定位系統、報警電話及應急廣播系統聯動。