安全監控系統網絡傳輸與數字化升級改造分步實施方案的研究與應用

尹經梅 劉 輝 周長超

（山東許廠煤礦有限公司，山東 濟寧 272073）

1 安全監控系統升級改造背景

許廠煤礦于1996年6月5日開工建設，1998年10月10日試生產，1999年10月1日正式投產驗收。礦井原設計生產能力150萬t/a，2006年核定生產能力為320萬t/a。2017年1月,山東煤監局魯西分局對該礦進行安全監察時提出該礦存在“安全監控系統老化，系統反應慢，巡檢周期較長”等問題，同時結合煤安監函〔2016〕5號、安監總廳規劃〔2016〕138號、《山東煤礦安監局關于轉發〈國家煤礦安監局煤礦安全監控系統升級改造技術方案〉的通知》等文件關于“大型礦井、煤與瓦斯突出礦井的在用安全監控系統升級改造工作應在2018年底前完成”的要求，許廠煤礦于2016年定性為衰老去產能礦井，預計2020年完成去產能任務。礦井結合國家文件要求及礦井實際情況、安全監控系統運行情況，制定符合許廠煤礦實際應用的安全監控系統升級改造方案。

2 安全監控系統運行現狀

許廠煤礦2000年安裝使用了KJ76N型安全監控系統，2012年6月根據“六大系統”建設要求對安全監控系統進行了升級改造。系統擴容后，增設了一路傳輸接口，雙路信號傳輸，巡檢周期為30s。該系統監控主機與傳輸接口、傳輸接口與監控分站、監控分站與傳感器間采用通信電纜通訊。監控分站備用電池續航能力不小于2h。傳感器傳輸信號全部為頻率信號，監控分站與傳感器信號單向傳輸，頻率在200～1000Hz之間。這種傳輸方式具有很大的缺陷，信號不需要檢驗，系統抗干擾能力不強，在井下強電磁場環境中易受到干擾，信號頻率發生變化，容易產生虛數據、誤報警、誤動作，造成監測工查找問題困難，降低了系統的準確性。傳感器防護等級為IP54，在井下高溫、高粉塵、高濕環境中，傳感器使用壽命不長，系統在使用過程中容易出現傳感器故障和數據不穩定等問題。為消除安全監控系統存在的缺陷，升級改造安全監控系統刻不容緩。

3 安全監控系統升級改造設計

許廠煤礦為衰老去產能礦井，根據國家相關文件執行標準和行業標準，結合許廠煤礦實際情況、安全監控系統運行情況及服務年限，許廠煤礦決定采取經濟合理的改造方案。因數字傳感器、數字分站證件不全，不適宜對數字傳感器與分站升級。經與系統廠家山東瑞安特自控設備有限公司技術人員共同勘查現場和分析研究，決定盡可能利用現有安全監控系統設備及線纜。安全監控系統升級改造實行總體設計、分步實施的方案（詳見附圖1），系統網絡傳輸改造與數字化傳感器、分站升級改造兩步走。第一步，2017年上半年完成網絡傳輸升級改造，將現有的傳輸接口升級為網絡傳輸接口，主副井監測通信電纜傳輸升級為光纜傳輸，更換主備機服務器，升級監控系統軟件；第二步，2018年各類數字傳感器、分站證件辦理齊全后，組織將井下傳感器全部升級為數字傳感器，監控分站升級為數字分站。

圖1 安全監控系統升級改造結構圖

3.1 地面系統及網絡傳輸改造

（1）為滿足監控系統大數據、多網聯動、多網融合、應急聯動需求，對安全監控系統主備機進行了升級，可滿足以太網平臺高性能的數據查詢和統計需求，采用SQL Server專用數據庫存儲監控數據，設計通用的數據庫接口為綜合自動化平臺提供數據支持。充分利用現有資源，減少費用投入，合理布局服務器安設，在調度室機房增設2臺服務器和1臺網絡交換機，利用現有的網絡避雷器、電源避雷器、穩壓電源、在線不間斷備用電源、報警器、打印機等進行地面系統改造。

（2）根據井下采區及采掘工作面布置，在滿足國家安全監控系統升級改造技術方案的基礎上，本著少花錢、多優化的策略，進行安全監控系統升級改造研究。許廠煤礦與監控系統廠家進行反復論證研究，制定出監控系統主機到網絡傳輸接口間用光纜傳輸，網絡傳輸接口與監控分站間利用現有的通信電纜進行傳輸。在主、副井各敷設一條光纜，在副井底中央變電所內集中安設網絡交換機和網絡傳輸接口；根據礦井采區和采掘工作面分布情況，及監控分站和傳感器使用數量，設計安設1臺網絡交換機和6臺網絡傳輸接口及7臺備用電源箱。為減少接口投入，地面不設網絡傳輸接口，將地面的監控分站使用主副井原有監測通訊電纜傳輸到井下傳輸接口，再通過井下交換機與地面監控系統進行數據傳輸。

（3）安全監控系統軟件升級后，實現分級報警，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，實現分級響應；同時系統設計具有多網融合，多系統聯動功能。

該種方式優化改造體現了整體布局、集中管理設計理念，在滿足國家監控系統升級改造方案的同時，實現了少投入。按許廠煤礦采區分布情況，該設計比按采區布置交換機和傳輸接口至少可節省3臺網絡交換機、1臺網絡傳輸接口和6500m光纜。節約了費用投入，方便了系統管理。

3.2 井下數字傳感器、數字分站升級改造

將頻率信號傳感器全部升級到防護等級為IP65的數字傳感器。監控分站升級到備用電源的續航能力不低于4h的大容量數字監控分站，與安全監控系統實現數字化傳輸。

3.3 安全監控系統升級改造整體進展情況

根據安全監控系統升級改造方案設計，第一步的系統網絡傳輸已于2017年6月完成，第二步的數字分站與數字傳感器升級已基本完成。現安全監控系統升級為KJ76X型安全監控系統，監控系統及監控設備三證齊全。安全監控系統主要由服務器、網絡避雷器、電源避雷器、在線不間斷備用電源、網絡傳輸接口、報警器、打印機，監控分站、甲烷傳感器、激光甲烷傳感器等共計243臺各類數字傳感器組成，通過斷電器實現斷電功能，集數據采集、傳輸、分析、報警、控制、存儲于一體，巡檢周期為6s。

4 安全監控系統升級改造后的優越性

（1）增強了抗干擾能力，新一代KJ76X安全監控系統，通過EMC抗干擾性能測試，其中電磁輻射抗擾度、脈沖群抗干擾度、直流電源與信號接口浪涌（沖擊）抗擾度試驗均通過3級試驗。

（2）安全監控系統傳輸接口數量增加到6臺，且均為網絡傳輸，安全巡檢周期達到目前的6s，相比早期的40s巡檢周期，巡檢周期縮短了6.67倍，大大提升了監控系統的實時性。

（3）監控分站由原來的8端口升級到12端口，特別是在避難硐室內使用優勢明顯。同時監控分站備用電池容量增加，續航能力由原來的2h提升到4h以上，增強了系統連續監測的可靠性。主芯片采用ARM和嵌入式uCOSⅡ操作系統，屏幕采用彩色液晶屏，支持紅外遙控斷電。

（4）監控分站有高可靠性的保護電路和程序糾錯功能，在分站出現故障時，可在極短的時間內自動復位并重新啟動CPU投入運行。即使分站仍不能正常運行，也可自動脫離系統，不影響其它分站正常工作。

（5）安全監控系統和傳感器均具有分級報警功能，可設置預警功能，當氣體濃度達到預警濃度，上位機會彈出預警窗口，該窗口僅提示傳感器濃度已超過預警值，可以分級進行處理。目前系統均可在2s內實現就地斷電。

（6）升級前，監控系統每臺傳感器占用2條線纜進行傳出，如果一個工作面安裝6臺傳感器，信號線最低需要7條線纜方可完成信號傳輸。升級數字傳輸后，不管接多少傳感器，2條信號線纜就可以滿足工作面所有傳感器的信號傳輸。分站與傳感器間一對一進行數字信號傳輸，不受外界強電磁場干擾，同時節約大量監測線纜，減少材料投入，大大降低工人勞動強度。

（7）傳感器防護等級由IP54提升到了IP65，在井下高溫、高粉塵、高濕、淋水環境中正常工作，使用壽命得到提升，傳感器采用數字信號傳輸，相比頻率信號的傳感器，增強了信號抗干擾能力，到目前為止沒有一起因干擾造成誤報警現象，大大提高了系統的準確性、可靠性。

（8）GJG100J型激光甲烷傳感器采用可調諧激光吸收光譜技術，利用甲烷特性氣體對應的獨立吸收波長測量，不受水汽影響，傳感器內置標準氣體，利用光路分析特性，實現了傳感器實時自校準功能。傳感器調校周期長（可一年一標校），功耗低，傳輸距離最大可達2.5km，并且可以在井下進行調零，不受井下其他氣體影響，準確度高，可靠性好。

（9）系統支持多網、多系統融合、應急聯動功能，該系統可以將礦井的其它系統融合進來，對數據進行集中展示并分析，實現應急救援聯動，同時可以對其它廠家的系統開放接口協議，配合使用單位完成系統融合。

（10）格式規范，安全監控系統數據格式與上級省煤礦安全監察局、集團公司安全監控系統數據格式一致，實現聯網運行。

5 監控系統升級過程中遇到的問題與探索

在系統升級過程中也出現一些問題。3317工作面在升級的過程中出現了監控分站死機的現象，監控分站死機導致分站信號傳輸端子出現了5V電壓（正常分站信號傳輸電壓在0.3V）。當這臺監控分站死機造成的信號傳輸電壓過高時，會導致與這臺分站共用一臺信號傳輸接口的所有監控分站均不能正常通訊，但是分站其他功能正常。經過和廠家進行多次研究和測試，發現了問題所在。因3317工作面監控分站安設在330東翼上山變電所內，變電所中存在大量高防開關等設備，監控分站周圍存在大量高壓電纜，輻射等級較高，并且是突發性干擾，對分站的正常工作存在影響且較為頻繁。針對此情況，在監控分站主板增加TVS瞬態二極管，吸收瞬間性的電磁輻射。改造后，3317工作面監控系統已經穩定運行2月有余，再未出現過監控分站死機及因死機而影響其他分站通訊的現象，保證了監控系統的正常運行。

6 監控系統升級需要進一步研究的方向

（1）監控分站與斷電控制裝置一體化設計。升級前監控分站與斷電控制為一體，安裝簡單，管理方便，而升級后監控分站與斷電控制裝置為分體設計，需要外接斷電控制器實現斷電控制功能，安裝繁瑣，管理不便。新監控分站需向與斷電控制裝置一體化方向研究。

（2）饋電傳感器優化設計。現饋電傳感器有兩種：一種是將饋電傳感器卡在閉鎖開關負荷側電纜上，通過檢測電纜周圍電磁場方式實現饋電。優點是體積輕巧，安設簡單，管理方便，缺點是準確性不高；第二種是采用斷電控制器接入閉鎖開關負荷電源實現斷電饋電功能，需要接設閉鎖開關負荷電源，井下閉鎖開關負荷電源有660V、1140V、6000V、127V。優點是準確性高，缺點是體積笨拙，安裝很困難。目前使用的斷電器只能接入660V及以下的電壓，適用范圍小。

為實現井下閉鎖開關電壓多樣化，監測技術人員和廠家對現有的斷電器饋電功能的外接負荷電源部分進行優化改造與測試，不再接入閉鎖開關負荷電源，而是采用外接閉鎖開關無電位的無源接點方式實現饋電功能，即在閉鎖開關內部的繼電器找出一組無電位的無源接點，該組接點在閉鎖開關送電與停電時，實現導通與斷開。將這組導通與斷開的狀態經過信號變換與放大處理，變出具有數字信號功能的饋電傳感器。該種饋電傳感器優點是饋電信號監測準確性高，斷電器與饋電傳感器一體化結構，可適用井下不同電壓的閉鎖開關，且不需要外接閉鎖開關負荷電源就可準確監測饋電信號。這種集閉鎖開關內部繼電器無電位無源接點吸合與斷開信號的饋電傳感器，具有監測可靠性、準確性高的特點，缺點是體積大，安裝不太方便。下一步是對饋電傳感器的體積小型化、低功耗方向進行進一步研究。

7 結論

根據國家相關安全監控系統升級改造方案文件要求，制定實施了適合許廠煤礦實際情況的監控系統網絡傳輸與數字化傳感器、分站分步實施升級改造方案，并對升級改造過程中出現的問題進行了研究與探索。分步升級改造方案很好地避免了因系統升級工作量大，任務緊張，新舊系統交替過快，對出現的問題不能快速解決而造成監控失效的弊端。網絡傳輸與系統穩定后再升級數字傳感器與分站，實現系統升級穩步進行，即提高系統升級期間的可靠性，也給安全監控人員一個學習、適應、掌握新系統的過程。系統升級改造后，運行穩定，分站備用電源續航能力明顯提升，系統抗干擾能力增強，未出現因干擾造成的誤報警現象，提高了系統的準確性、靈敏性、可靠性、穩定性和易維護性，提升了礦井安全預測預警水平，是實現多網、多系統融合、應急聯動、大數據分析共享的基礎。深入挖掘安全監控系統功能，促進安全監控多元融合和信息共享，充分發揮安全監控系統在礦井安全生產中的重要作用，從而增強礦井安全保障能力。