煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳興明 岳 鵬 邢 冬

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272069）

2016年12月30日，《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)〈煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案〉的通知》（煤安監(jiān)函〔2016〕5號(hào)文）指出，目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中存在的主要問題是傳感器性能、供電不穩(wěn)定，傳輸線路易受干擾，系統(tǒng)技術(shù)水平有差異，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善等[1]。主要通過新技術(shù)、新裝備的應(yīng)用，提高安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)性能和安全可靠性，適應(yīng)煤礦安全生產(chǎn)的需要，促進(jìn)安全監(jiān)測監(jiān)控多元融合和信息共享，提高礦井安全預(yù)測預(yù)警水平，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測監(jiān)控信息的深度分析和綜合利用。

1 濟(jì)寧三號(hào)煤礦原有監(jiān)控系統(tǒng)的不足

濟(jì)寧三號(hào)煤礦原KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)已累計(jì)運(yùn)行多年，系統(tǒng)總體運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足煤礦的安全生產(chǎn)需要，但與《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》的要求相比尚存在如下不足：

（1）部分傳感器防護(hù)等級(jí)未達(dá)到IP65要求。

（2）系統(tǒng)具有預(yù)警、報(bào)警功能，但未達(dá)到升級(jí)改造方案所要求的多級(jí)要求。

（3）系統(tǒng)多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合程度低，未實(shí)現(xiàn)井下多系統(tǒng)設(shè)備共纜通信，即井下設(shè)備級(jí)數(shù)據(jù)融合。

（4）部分性能指標(biāo)不滿足升級(jí)改造要求。

2 升級(jí)改造方案設(shè)計(jì)

在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井實(shí)際，依據(jù)《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)〈煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案〉的通知》（煤安監(jiān)函〔2016〕5號(hào)文）、《山東煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)》（魯煤監(jiān)技裝〔2017〕70號(hào)文）等系列文件要求，在原有KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)升級(jí)改造方案，全面升級(jí)改造為KJ95X型安全監(jiān)控系統(tǒng)。通過組建安全監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)、更換監(jiān)控分站、電源和部分傳感器等，對(duì)支持總線的傳感器進(jìn)行程序更新，系統(tǒng)軟件進(jìn)行全新升級(jí)，使系統(tǒng)具有更高的安全性、可靠性。

2.1 主干傳輸網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造設(shè)計(jì)

升級(jí)后的系統(tǒng)傳輸采用典型工業(yè)環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場總線傳輸架構(gòu)，采用目前煤礦應(yīng)用比較成熟的RS485總線。該總線抗干擾能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞厦旱V現(xiàn)場應(yīng)用，系統(tǒng)工作原理采用多主結(jié)構(gòu)、事件主動(dòng)上傳、傳輸壓縮算法機(jī)制，縮短系統(tǒng)的巡檢周期和異地?cái)嚯姇r(shí)間，實(shí)現(xiàn)窄帶優(yōu)先傳輸和斷線續(xù)傳。濟(jì)寧三號(hào)煤礦利用礦井原有光纜，在井下各變電所安裝環(huán)網(wǎng)接入器，組建一套百兆環(huán)網(wǎng)，來滿足新安全監(jiān)測系統(tǒng)使用，減少費(fèi)用投入。

2.2 現(xiàn)場分站、電源升級(jí)改造設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站是監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分，無論在功能上還是安裝位置上，在系統(tǒng)中都起到了承上啟下的作用。它主要完成數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、邏輯控制輸出和與上下級(jí)設(shè)備通訊的功能。為了滿足新一代監(jiān)控系統(tǒng)的要求，滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家文件的要求，本次改造需更換全新分站和電源，確保監(jiān)控分站數(shù)字化傳輸、斷點(diǎn)續(xù)傳等功能，保證電源信息在線監(jiān)測、電池供電不小于4h。

2.3 傳感器升級(jí)改造設(shè)計(jì)

將傳感器（模擬量）更換為數(shù)字傳感器。風(fēng)門狀態(tài)傳感器直接在分站中接入開關(guān)量接口，無需更換。安裝部分GJG100J礦用激光甲烷傳感器、多參數(shù)傳感器滿足國家對(duì)推廣應(yīng)用先進(jìn)傳感技術(shù)及裝備的要求。對(duì)近兩年供應(yīng)的KGA5礦用一氧化碳傳感器、KGJ16B低濃度甲烷傳感器固件程序進(jìn)行升級(jí)，滿足數(shù)字化改造要求。

2.4 多系統(tǒng)融合與聯(lián)動(dòng)

系統(tǒng)升級(jí)后實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控、人員位置監(jiān)測、應(yīng)急廣播、工業(yè)視頻等系統(tǒng)的地面信息融合，并將各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過圖形顯示實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“一礦一圖”信息展示，即在一張圖上實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合顯示，從而方便煤礦用戶更直觀、便捷的了解井下情況，并實(shí)現(xiàn)井下聯(lián)動(dòng)報(bào)警、應(yīng)急救援與指揮等。

2.5 升級(jí)方案實(shí)施

系統(tǒng)升級(jí)改造實(shí)施過程，本著經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、分步實(shí)施最終實(shí)現(xiàn)平滑過渡的原則，分步進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)改造，采用新舊兩套系統(tǒng)并行運(yùn)行的方式進(jìn)行升級(jí)改造，確保新舊系統(tǒng)的無縫交割。先組建百兆監(jiān)測環(huán)網(wǎng)，再進(jìn)行示范采區(qū)升級(jí)試點(diǎn)，再次對(duì)其他地點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)，其次進(jìn)行系統(tǒng)多系統(tǒng)地面融合與聯(lián)動(dòng)，最后進(jìn)行測試、驗(yàn)收，不同的實(shí)施階段，逐一在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成升級(jí)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

（1）巡檢周期明顯縮短。礦井使用專用光纜，組建獨(dú)立環(huán)網(wǎng)，分采區(qū)接入監(jiān)控分站，傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生變化后立即上傳，單位時(shí)間內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)采集更密集，更便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與快速斷電。

（2）系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。示范采掘工作面使用低功耗激光甲烷傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)變化采集，傳感器周期穩(wěn)定性更長；高溫高濕等復(fù)雜環(huán)境下，誤報(bào)警頻次大幅降低。

（3）實(shí)現(xiàn)多級(jí)報(bào)警。根據(jù)礦井煤層發(fā)火情況，按照瓦斯?jié)舛却笮　⑼咚钩蕹掷m(xù)時(shí)間設(shè)置甲烷傳感器報(bào)警值等，設(shè)置不同的報(bào)警級(jí)別如圖1，實(shí)施分級(jí)響應(yīng)；系統(tǒng)具有邏輯報(bào)警功能。

圖1 分級(jí)報(bào)警配置

（4）傳感器實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化。低功耗數(shù)字傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，多臺(tái)傳感器電源供電、信號(hào)傳輸共用一根電纜，大幅減少井下布線數(shù)量，減少系統(tǒng)維護(hù)量。傳感器、電源等設(shè)備即插即用、智能識(shí)別，傳感器地址重復(fù)檢測及傳感器與分站接通報(bào)警，簡化了設(shè)備安裝調(diào)試過程。

（5）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)診斷、斷點(diǎn)續(xù)傳功能。傳感器、電源、分站遠(yuǎn)程信息診斷功能，幫助維護(hù)人員快速判斷故障原因，縮短排查、解決問題時(shí)間。系統(tǒng)斷點(diǎn)續(xù)傳功能的應(yīng)用，提高了停電、檢修等分站網(wǎng)絡(luò)不通情況下數(shù)據(jù)連續(xù)性。

（6）異地?cái)嚯姇r(shí)間大幅縮短。異地?cái)嚯姴捎梅植际娇刂品椒ǎ瑹o需系統(tǒng)主備機(jī)參與實(shí)現(xiàn)可靠異地?cái)嚯姡蠓s短斷電控制時(shí)間。以53下16膠順異地?cái)嚯姙槔?018年7月28日風(fēng)機(jī)切換異地?cái)嚯姇r(shí)間為1秒536毫秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于異地?cái)嚯姇r(shí)間不超過40秒要求。

4 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）新系統(tǒng)采用的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及具備的自診斷功能，減少了故障 處理時(shí)間和維護(hù)人員，提高了工作效率；采用的激光甲烷傳感器，降低了標(biāo)校維護(hù)工作量。

（2）數(shù)字信號(hào)傳輸減少了線纜的重復(fù)敷設(shè)，降低了礦井生產(chǎn)成本。數(shù)字化傳感器的使用，減少了甲烷誤報(bào)警次數(shù)和斷電次數(shù)，降低了停電事故影響時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

4.2 社會(huì)效益

（1）新技術(shù)和新裝備的使用，使安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)更加真實(shí)可 靠，促進(jìn)了礦井安全技術(shù)裝備水平的提升，為礦井安全生產(chǎn)提供了科學(xué)有效的數(shù)據(jù)。

（2）多系統(tǒng)融合、報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的綜合分析和利 用，為應(yīng)急救援提供了參考依據(jù)，進(jìn)一步提高了礦井的災(zāi)害預(yù)防能力及應(yīng)急救援水平。

5 結(jié) 語

本文介紹了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造方案設(shè)計(jì)，隨著升級(jí)方案的現(xiàn)場實(shí)施，證明了方案的正確性。系統(tǒng)測試運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了升級(jí)改造的技術(shù)性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)融合與聯(lián)動(dòng)的目的，保證了礦井作業(yè)人員的安全。