郭屯煤礦安全監測監控系統升級改造經驗及未來展望

李進海 張海超 王 兵

（山東能源臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 臨沂 276017）

1 監控系統概況

郭屯煤礦原安全監控系統采用江蘇三恒科技股份有限公司生產的KJ70N系統，系統于2009年9月投入使用，2013年11月對監測監控系統中心站、軟件及分站進行了同型號更換升級，該系統工作穩定，性能可靠，各項功能及參數符合《煤礦安全規程》和煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范的技術要求。2017年11月經山東鼎安檢測技術有限公司檢驗合格。安全監控中心站設在礦安全生產調度指揮中心實現在線監測，各種數據使用江蘇三恒科技有限公司的上傳軟件，能準確地傳送到礦領導、通防科、通防工區值班室的監控客戶端，同時與集團公司信息中心、山東能源集團公司、山東煤礦安全監察局聯網進行數據上傳。

2 安全監控系統升級改造項目背景

2016年12月29日，國家煤礦安全監察局印發了《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（煤安監函〔2016〕5號）。2017年2月20日，山東煤礦安全監察局下發《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》（魯煤監技裝〔2017〕13號）。2018年3月22日，山東煤礦安全監察局下發《關于做好煤礦安全監控系統升級改造工作的通知》（魯煤監技裝〔2018〕24號）要求通過對安全監控系統改造，不斷提高煤礦安全監控系統的準確性、靈敏性、可靠性、穩定性和易維護性，進一步發揮科學技術的保障作用，提升事故防控預警和應急處置能力。

3 安全監控系統升級改造主要內容

郭屯煤礦安全監控系統升級改造方式是在原KJ70N系統基礎上升級為江蘇三恒科技股份有限公司生產的KJ70X系統。新系統基于工業以太環網+現場總線通信架構，采用分布式控制、多系統數據融合、斷線續傳、電磁兼容、設備故障診斷等技術，性能及功能指標滿足《山東煤礦安全監控系統升級改造技術標準》、AQ6201《煤礦安全監控系統通用技術要求》及相關行業標準。郭屯煤礦采取按月上報物資計劃，逐月對井下分站及傳感器進行升級更換，采用江蘇三恒KJJ110工業交換機（德國赫茲曼）建設安全監控系統專用工業以太環網的方式實現安全監控系統平穩升級。

3.1 地面中心站改造

（1）地面中心站充分利用原有監控機房的監控設備、數據服務器、UPS電源等硬件設備，對監控系統數據庫進行升級，升級新版KJ70X系統軟件，完善監控系統軟件分級報警、斷電等控制功能、多網和多系統融合、自診斷和自評估功能、數據分析等功能。對監控系統數據庫進行升級，增加關鍵數據加密功能。

（2）對監控系統通訊機制進行改造，提高系統實時性。

（3）監控軟件預留有接口，可通過軟件接口與其他系統實現聯動和數據交換。

3.2 傳輸通道改造

傳輸通道由原電纜傳輸模式改為工業以太網+現場總線方式傳輸，具體示意如圖1所示。

圖1 工業以太網+現場總線方式傳輸模式

（1）安裝1臺地面環網交換機，用于地面風機房、洗煤廠等監控區域的信息傳輸，和井下的交換機形成一體式冗余環網方式。

（2）安裝地面核心交換機1臺，用于工業以太網實時對網絡設備的配置、監控、診斷，提供整合式管理平臺，能夠自動偵測網絡設備。

（3）井下主傳輸全部由信號電纜傳輸升級為光纜傳輸，在一采區變電所、二采區進風巷、四采區進風巷、-670m輔助水平變電所分別安設井下環網交換機，組建安全監控專用環網，分站就近接入安全監控專用環網，分站到傳感器采用通訊電纜傳輸，滿足相關要求。

3.3 井下設備改造

井下設備的改造，以實現傳輸信號達到全數字化、抗電磁干擾能力、IP65防護等級、自診斷自評估、系統性能提升為目的，主要改造監控分站、供電電源、傳感器等設備。

（1）監控分站

郭屯煤礦目前在用KJ70N-F型分站，均不能實現數字傳輸，本次升級逐月實施KJ770-F5總線型分站計劃，對在用分站進行更換，更換后的分站具有多種接口類型，使用后可達到下列功能：

① 可接入16臺模擬量傳感器，傳輸采用總線式全數字化，提高傳輸環節的可靠性。

② 監控分站具有斷電續傳功能，能夠把通訊中斷時的傳感器數據保存在分站內，在通訊恢復正常后續傳到中心站，確保監控數據的連續性。

③ 分站通過嚴酷等級為2級的射頻電磁輻射抗擾度試驗，嚴酷等級為3級電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，嚴酷等級為3級的浪涌抗擾度試驗，嚴酷等級為3級的靜電放電抗擾度試驗，當出現干擾時分站仍能工作。

（2）監控分站電源

郭屯煤礦目前在用監控分站電源為KDW17型，電池續航能力不能滿足4h,本次升級更換為KDW660/24BJ智能電源。KDW660/24BJ智能電源通過四項EMC試驗，其中2項高于標準要求，可提供三路本安輸出，每一路有18V/24V/30V三種電壓可選，提供8h備電池使用時間。支持以太網通訊，有兩路光口可實時、遠程了解電源運行狀況，實時顯示電源交直流工作狀態，同時可以對電源進行遠程充放電管理。

（3）傳感器升級

逐月更換傳感器，實現防護等級均達到IP65，采用RS485傳輸。

（4）多系統融合聯動

根據國家對煤礦“六大系統”的建設要求，目前大多數煤礦已完成了通信聯絡系統（程控電話、無線通信、擴音廣播）、安全監測系統和人員定位系統的建設，但是各系統相對獨立、自成一派，成為系統“孤島”，系統之間沒有相互聯絡和互動，同時也沒有統一的調度指揮平臺。

在安全生產調度指揮中心安裝1臺多系統融合聯動工作站，通過統一的平臺，實現融合通信系統與人員定位系統、安全監控系統、生產自動化系統和大數據分析預警系統的聯動控制。平時生產時，能夠實現程控電話、無線通信、應急廣播、局部廣播的統一調度，實現人員定位系統、安全監測系統、自動化系統、大數據分析預警系統等與通信聯絡系統的聯動；當事故發生時，能進行“區域呼”、“一鍵呼”，快速通知井下人員，提高救援工作的效率。如圖2所示。

圖2 各系統聯動示意圖

4 安全監控系統升級改造后主要性能

4.1 傳輸數字化

在分站至中心站數字化傳輸的基礎上，將傳感器至分站升級為數字傳輸，所有傳感器至分站的傳輸全部采用RS485數字傳輸。采用具有在線標校、即插即用、地址重復提醒功能的智能傳感器，具有故障自診斷等功能，當傳感器發生故障時，可將診斷信息實時傳輸至地面主機，顯示故障信息。

4.2 增強抗電磁干擾能力要求

增強了安全監控系統設備相關抗干擾能力，地面設備3級靜電抗擾度試驗，評價等級為A。2級電磁輻射抗擾度試驗，評價等級為A。2級脈沖群抗擾度試驗，評價等級為A。交流電源端口3級、直流電源與信號端口2級浪涌（沖擊）抗擾度試驗，評價等級為B。

4.3 采用先進傳感技術及裝備

由于升級前使用的載體催化燃燒式甲烷傳感器存在易中毒、測量范圍窄（0%～4%CH4）、壽命短（1年左右）、存在誤報、跳大數、調校頻繁（每15d需調校一次）等缺點，將在用甲烷傳感器升級為低功耗激光甲烷傳感器。激光甲烷傳感器具有雙光路自校準功能，調校周期長；全量程高精度檢測，不受其他水汽及其它烷類、CO2等背景氣體影響，不存在中毒現象；元件壽命長，是目前測量最準確穩定的傳感器。在2個避難硐室安裝多參數傳感器，方便日常維護，降低了使用成本。

4.4 提升傳感器的防護等級

升級改造前所使用的傳感器防護等級多為IP54，插接頭的密封性能也僅能適用于濺水環境，升級后的傳感器防護等級為IP65，全面提升了傳感器防塵、防水能力，保障傳感器在惡劣工作環境下的工作可靠性。

4.5 完善報警、斷電等控制功能

（1）系統實現了甲烷及一氧化碳濃度分級報警，根據濃度大小、超限持續時間、超限范圍等，設置不同的報警級別，實施分級響應。傳感器可根據分級報警級別發出不同等級聲光報警，以更準確通知井下人員當前危險程度。

（2）系統已在部分區域按照巷道布置實現邏輯報警，邏輯關系配置為1-3組。根據巷道布置及瓦斯涌出等內在邏輯關系，實施邏輯報警，促進各類傳感器的正確安裝、設置、維護，監控系統的正常使用。如：進風巷的瓦斯濃度高于回風巷的瓦斯濃度，有違正常邏輯，應報警。

（3）完善了就地斷電功能，提高了斷電的可靠性，并加強饋電狀態監測，完善了區域斷電。

4.6 支持多網、多系統融合

系統具備有線和無線傳輸網絡融合的功能。系統基于GIS技術，具有三維空間地理信息服務功能。多系統的融合采用地面方式在地面統一平臺上與環境監測、人員定位監測、調度通信、應急廣播等融合。

4.7 格式規范化

系統主干網應采用工業以太網，將地面交換機與井下交換機進行環網連接。系統主干線纜分設兩條，從副井保持一定間距的不同位置進入井下。分站至主干網之間采用工業以太網傳輸；模擬量傳感器至分站的有線傳輸采用RS485。采用統一的數據格式與集團公司、山東煤礦安全監察局聯網上傳。

4.8 實現自診斷、自評估功能

系統實現傳感器、控制器的設置以及定義診斷和評估，當檢測到傳感器報警、斷電、復電門限設置不滿足相關標準及規定時能發出報警信息提示。按要求設置甲烷、一氧化碳傳感器標校提醒功能。實現井下各監測點的所有類型的傳感器以及分站、電源箱的狀態檢測和故障信息上傳功能。系統數據庫密碼不正常、數據庫連接失敗、軟件模塊異常關閉以及工作異常時系統能發出異常信息提示。

4.9 加強數據應用分析

系統升級改造后，具備多路數據上傳功能。必須具備數據分析與應用功能，對傳感器間的關聯性進行分析，對偽數據進行標注，對異常數據進行分析，并實現數據分類匯總統計。

4.10 應急聯動

在瓦斯超限、火災、斷電等需立即撤人的緊急情況下，應自動與應急廣播、通信、人員位置監測等系統進行應急聯動。通過井下應急廣播系統通知危險區域人員撤離；通過人員位置監測系統雙向緊急呼叫功能，自動通知危險區域人員進行撤離等。

4.11 提升系統性能指標

（1）系統巡檢周期不超過20s。

（2）異地斷電時間不超過40s。

（3）系統及分站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。

（4）系統應具有雙機熱備自動切換功能。

（5）模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%。

（6）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。

（7）分站應具有斷線續傳功能。

4.12 增加加密存儲要求

采用同態加密、SHA256、SHA512、DES、RSA等混合加密算法，提高了監控系統數據安全，系統對數據傳輸、歷史數據進行高效、可靠的加密存儲，以防止違規刪除、篡改監控系統報警、斷電等重要數據。

5 經驗做法

（1）選擇監測線時必須考慮傳輸距離，考慮電壓降，一般選取0.52mm直徑以上的線纜，否則會存在傳輸距離短、三個以上傳感器無法正常工作或者傳感器時斷時傳的故障。

（2）在使用大功耗傳感器時，如粉塵傳感器，在分站接線時應當考慮將分站輸出的兩路電源并聯接入，接入一路電源存在時斷時傳的故障閉鎖。因此分站接線應當考慮傳感器功耗。

（3）新系統軟件相對原系統的軟件占用內存大，服務器的好壞直接關系到監控系統各操作界面切換速度甚至影響到巡檢周期，建議服務器內存不宜低于8G。

（4）安全監控系統升級改造工作方案的確定很重要，對于大型礦井，由于分站及傳感器較多，分批采購更換的設備、儀器采購到貨不集中、生產批次不一致，容易造成升級改造進度緩慢等問題。建議不采用在原系統逐步更換升級的方案，應采用原系統正常運行，重新安裝新系統，待新系統穩定正常后淘汰原系統的方案進行。

6 存在的不足

（1）新的檢測系統預留了子系統接入的傳輸數據端口，能夠分析處理子系統的數據，生產適合安全監測系統的數據。但是安裝的人員定位系統、應急廣播系統等廠家不愿意開放數據協議，即使開放也存在不兼容的狀況。需要廠家之間進行溝通，讓有權威的部門進行統一協調，在固定檢測系統升級廠家的同時，篩選出配合監控系統升級改造的人員定位廠家、應急廣播廠家，讓其共同參與。

（2）傳感器功耗不同傳輸距離不盡相同。例如：粉塵傳感器功耗較大，一條線路上只能帶起1臺甲烷和1臺粉塵傳感器，且傳輸距離不能超過2km。為滿足要求，在介入大功率傳感器時，首先需要使用直徑更大的監測線，然后將分站的4路輸出端中的兩路并聯共同為大功率傳感器進行供電。

（3）分站采用數字傳輸方式后，由于增加光口交換機功耗，耗電量較大，影響分站掛接傳感器的數量。據統計，1臺分站光口的耗電量與掛接3臺甲烷傳感器的功耗基本相同。基于以上原因，為確保分站傳輸距離，需要單獨為分站光口供電，以滿足要求。

（4）采用以太網傳輸的分站，由于分站上一級的交換機已經形成環網，若將分站與分站之間形成環網，必將形成網絡風暴，造成全部系統故障。若將分站與分站之間串聯，如上一級分站故障，被串分站也會全部故障。基于以上兩點，在安裝分站時，每臺分站只能單獨使用獨立光纖，增加了光纖的使用量及敷設光纜的工作量。

7 安全監控智能化未來展望

（1）安全監控系統采用地面集中供電方式，杜絕井下電氣失爆現象，在遇到爆炸事故時避免監控設備電源受影響不能正常監測現象。系統傳感器采用無線傳輸，與井下手機設計為一體，具備多參數監測功能，實時上傳及數據采集分析，現場工作人員隨身攜帶，促進管理效率及科學化決策，提高風險管控能力。

（2）通過安全監控系統與井下局部通風變頻技術管理平臺的融合。根據監測數據自動分析，完成自動配風。通過監控系統與礦井火災預測系統的融合，實現自動開啟主井注氮設備。通過安全監測系統與制冷降溫管理系統的融合，通過監測溫度變化，自動控制制冷量。通過粉塵濃度及環境濕度監測實現自動綜合防塵技術。

（3）通過安全監控系統與礦井放炮監測系統的融合，實現十個不能：① 警戒人員沒有到位，不能放炮；② 放炮安全距離不夠，不能放炮；③ 不進行三人連鎖，不能放炮；④ 網絡電阻超限可能有瞎炮，不能放炮；⑤ 瓦斯超限，不能放炮；⑥ 粉塵超限，不能放炮；⑦ 風量不足，不能放炮；⑧噴霧設施沒有打開，不能放炮；⑨ 有人在危險區域，不能放炮；⑩ 沒有停電，不能放炮。各級領導能夠通過網絡對放炮全過程進行實時監控。

（4）多系統融合及應急聯動平臺，配合井下4G網絡覆蓋和手機客戶端的使用，實現可視化與自動化，實現真正的“無人值守”功能，大大減少井下作業人員。高效的數據采集和傳輸，可將各生產環節的數據實時傳送，更加有利于管理和控制。人員定位系統與安全監控系統、通訊系統聯動，緊急情況下可以高效組織人員撤離。

（5）不斷提高礦井自動化、智慧化水平。實施掘進機自動截割功能，應用激光雷達定位技術、斷面自動成像技術，配合各類傳感器，實現掘進機的遠程自動截割。

（6）裝備智能無人工作面，建立支架、泵站、煤機、溜子、轉載機、破碎機、皮帶集中控制平臺，實現工作面自動化運行，完成工作面減人少人的目標。

（7）實施運輸系統智慧化升級，裝備順槽皮帶巡查機器人，研究實施斜巷絞車、架空乘人裝置自動化運行，研發大巷電機車、采區單軌吊自動駕駛技術，實現輔運系統自動化運行、無人值守。

（8）以智慧采區建設為基礎，充分汲取建設經驗，由點及面，逐步推廣，將礦井建設成為綠色、高效、透明的智慧化礦井。

（9）將監控系統融合整合調度、安全、經營、地測圖文、綜合自動化、環境監測、視頻監控等人機物環管信息，抽取、清理、加工、匯總至數據倉庫，建成數據中心，當數據發生重要變化時可通過手機APP軟件進行推送預警，實現對礦井各類災害進行預警與超前防治、對各類生產系統的設備進行故障診斷與超前維護，方便大數據采集。

8 結束語

隨著通訊技術、計算機技術和自動控制技術的迅速發展，煤礦企業向網絡化、自動化方向發展的趨勢已日趨明顯，煤礦企業向網絡化、智能化和管理控制一體化的方向演變是企業發展的必然，也是滿足煤礦生產環境、生產過程特點的需要。因此，煤礦安全監測監控系統升級改造及礦井多系統融合聯動是一種企業發展的需要，以保證煤礦安全生產，為企業帶來更大的經濟效益。