煤礦安全監控教學實驗系統設計與實現

洪衛東，孫澤宏，周 波，閆 峰

(1.淮南職業技術學院能源工程學院， 安徽 淮南 232001； 2.淮南職業技術學院教務處,安徽 淮南 232001； 3.淮河能源控股集團有限責任公司潘三煤礦安監處， 安徽 淮南 232001)

安全監測監控是安全技術與管理專業的一門核心專業課，學生主要來源于煤礦生產一線。作為煤礦六大系統之首的煤礦安全監控系統是煤礦生產的安全衛士，成為煤礦實現高產量、高效率、高安全生產的重要保障。隨著科學技術發展，系統設備更替頻繁，導致教材落后于生產實踐，實驗設備落后于生產實踐，理論教學與實踐教學不能及時配置。實驗設備落后現象造成教師理論授課教學枯燥，實踐教學與生產實踐脫鉤，學生學習缺乏積極性，教學實驗系統設計具有必然性[1]。

1 教學實驗系統存在的問題

1.1 存在問題一是系統本身問題。缺乏標準的接口和協議，傳感器應用受限。有些系統，對煤礦安全監控系統進行維修的過程中，僅僅可以使用原廠生產的配件。使系統設備缺乏兼容性、擴展性，不利于創新型設備的應用和推廣。造成傳感器的供應渠道單一，形成了系統壟斷設備的惡性循環。二是系統管理問題。實驗室分站、傳感器較多，管理不方便，維護問難。傳感器安裝頻繁，沒有條理，學生理解困難。多系統應用，集中布置困難。缺乏先進性和實用性，實踐教學與煤礦企業生產現場不一致。有效資源未利用，如地下仿真采掘工作面。學生應用人數多，設備少。

1.2 解決辦法對于系統本身問題，采取老系統保留、新系統配置、多系統融合使用，選擇合適系統分站接口接入傳感器。對于系統管理問題建立多組分站，分組實驗。預設參考系統，便于理解。所以，采用樹型數據傳輸拓撲網絡建立一套分站、傳感器集中應用的系統很有必要。

2 系統設計方案

在系統的設計過程中始終按照有關條例為依據，遵循系統設計原則，保證系統應具備高可靠性、先進性、實用性、可擴展性及開放性。利用空間：實驗室2間及地下煤礦仿真采掘工作面。圖1為煤礦安全監控實驗教學系統設計拓撲圖，系統由地面監控中心、井下分站、終端三級組成。選取樹形網絡拓撲建立通訊，中心站連接一臺交換機，交換機連接總線，總線連接n條支路，每條支路連接多臺分站，支路可進一步擴展更多分站，各個分站端口與傳感器和斷電器等終端設備相連接。系統數據傳輸選取樹形網絡拓撲連接方式，易于擴展，故障隔離較容易。單條支路出現故障，不影響其它支路數據傳輸，一臺分站出現故障，不影響其它分站數據傳輸。每臺分站通斷信息在中心站顯示。只用一臺分站時，其它分站電源斷開，使用靈活方便。

圖1 煤礦安全監控實驗教學系統設計拓撲圖

3 監控教學實驗系統軟硬件設計

3.1 系統組成如圖2所示為煤礦安全監控實驗教學系統結構圖，由虛框①、虛框②、虛框③三部分組成，其中虛框①為地面監控中心，由中心站、交換機、多媒體系統、打印機等組成，多媒體主機裝有監控系統軟件，能進行實驗實時教學。中心站、多媒體主機、交換機用網線連接，并連接互聯網；虛框②為實驗室，通過RS485總線連接支路1、支路2、支路3三組支路，每條支路通過接線盒連接三臺分站。支路1連接分站1、2、3，支路2連接分站4、5、6，支路3連接分站7、8、9。彼此之間連接通過接線盒、航空線、電纜和端口完成。傳感器和斷電器等在實驗室與分站連接，就近實驗；虛框③為地下仿真采掘工作面，分站與傳感器之間實現遠程傳輸。交換機擔負中心站與分站之間構成系統信息傳輸部分，系統主干網采用工業以太網，分站采用RS485總線接入，增強了抗電磁干擾能力。三個節點接線盒連接三組分支線，每個分支線三個節點通過接線盒分別連接每個分站。通訊線路運用電纜作為傳輸介質，節點使用防爆接線盒連接。在中心站管理下通過網線、通訊線和航空線實現中心站與交換機、交換機與分站、分站與傳感器、分站與斷電器的信號傳輸，滿足最大傳輸距離要求，地下仿真實驗室傳感器與實驗室分站的傳輸距離在2 km范圍內可調。

圖2 煤礦安全監控實驗教學系統結構圖

3.2 實驗室監控系統實驗室監控系統主要有KJ90N、KJ73X和KJ218X三套系統。系統主要由中心站、環網交換機、直流穩壓電源,礦用本安型安全監控分站、終端傳感器和斷電器等組成[2]。實驗室三臺電腦分別配置KJ90N、KJ73X、KJ218X系統軟件作為中心站。表1為實驗室三系統主要組成和信號傳輸對比。KJ90N系統傳感器到中心站信號傳輸為模擬信號，模擬信號到達中心站后經過A/D模數轉換器變成數字信號。KJ73X和KJ218X系統為數字化改造后的產品，傳感器到中心站傳輸使用RS485數字信號傳輸，其A/D轉換在傳感器內完成，從而實現了中心站、交換機、分站、傳感器和斷路器(數字型)之間的全數字化傳輸。并且KJ218X系統在分站安插16口模擬信號采集板RCCJ-16，既可以接受模擬信號，也可以接受數字信號。系統在樹形拓撲關系不變的情況下，通過改變中心站，同時改變分站和傳感器，實現設備改造和數字化更新。

表1 實驗室三系統組成和信號傳輸對比

3.3 電源管理支路1的1號分站、2號分站、3號分站三臺電源箱共用多開關排插1(支路1開關)；支路2的4號分站、5號分站、6號分站三臺電源箱共用多開關排插2(支路2開關)；支路3的7號分站、8號分站、9號分站三臺電源箱共用多開關共用排插3(支路3開關)；排插1、2、3共用多開關排插4(總開關)。系統啟動：先打開總開關，再打開中心站，接著打開各支路排插，最后打開各分站電源箱開關。系統關閉: 先斷開各分站電源箱開關，再斷開各支路排插，接著關閉中心站，最后斷開總開關。電源使用方便，提高實驗效率。

3.4 中心站中心站主程序流程如圖3所示。監控系統的軟件由主程序和中斷服務程序組成。主程序的主要功能是中心站能實時采集由分站所掛接傳感器的參數數據，并將傳感器數據傳送到地面監控主站。中斷服務程序的主要功能是進行實時處理，響應、執行監控中心站發出的各種控制指令，返回執行結果，并根據需要對設備的運行進行控制[3]。中心站軟件主要功能：①測點設置。設置分站、傳感器的位置、類型、數量及其它參數。②實時監測功能。各種測量數據的瞬時值顯示，包括各種機電設備的運行狀況、分站巡檢圖及傳輸系統狀態、各個測點超限報警、模擬圖形及工藝過程模擬圖形、實時時鐘等，并以曲線和柱狀圖兩種方式反映數據變化實時檢測變化。③報警功能。如某個或者幾個檢測點的變化超過設定值，能夠及時明確地進行實時顯示、統計，并可完成本系統內歷史報警的查詢。④權限管理功能。支持建立不同權限的帳戶，可以根據人員分配不同的使用和管理權限。⑤數據存儲及檢索功能。根據用戶要求對數據進行存儲，支持按時間，日期等條件的歷史檢索。⑥打印功能。通過中心站可以隨時打印報表、故障統計、主要設備運行時間、主要參數日最大值和日平均值打印等。⑦遠程訪問。通過中心站連接局域網進行數據的發布，進行多媒體教學。

圖3 煤礦安全監控實驗教學系統的主程序流程圖

3.5 分站分站對傳感器傳輸信息進行處理與控制并將信息傳送到中心站，接受中心站的反饋指令，并根據預置參數，發出聲光報警、斷電、閉鎖等信號。分站和傳感器地址號編碼不能沖突，并與中心站測點定義一致[4]。

3.6 斷電器將甲烷傳感器[5]、斷電器連接分站端口，斷電器連接真空電磁啟動器(開關)，真空電磁啟動器連接電動機。設置甲烷傳感器的報警值、斷電值和復電值，通電檢查系統通訊直到正常。通強電閉合真空電磁啟動器啟動電動機。通甲烷氣體觀看系統狀態。當甲烷濃度達到報警點時，系統發出聲光報警信號；當甲烷濃度低于報警值以下時，自動解除報警；當甲烷濃度達到斷電點濃度時，被控區域動力電源閉鎖，電動機停止運行；當甲烷濃度降到復電點濃度時，自動解鎖，恢復供電，電動機運行。

3.7 傳輸電纜實驗通訊電纜使用礦用MHYV電纜，最大傳輸距離不大于20km。電纜分布參數為分布電容≤0.06 μF/km，分布電感≤0.8 mH/km，直流電阻≤12.8Ω/km。

4 設計驗證

為了證實實驗設計的合理性和運行可靠性，2018年3月首次對KJ90N進行了組裝和運行。數字改造后，至2022年7月，多次對KJ73X、KJ218X系統進行應用。第一次實驗方案:采用上述樹形拓撲連接圖2相應設備。接入一臺KJ90N系統中心站，一臺數據接口交換機，三組九臺KJ90-F16分站，每臺分站由KDW0.3/660(A)型礦用隔爆兼本安直流穩壓電源220伏交流接口供電，每臺分站接入多臺傳感器和一臺斷電器。系統不間斷運行40小時之后，查看中心站監控軟件有無分站、傳感器及斷電器的故障和中斷數據。同時進行人為設置每組分站和傳感器故障及斷電器中斷，判斷軟件數據是否與硬件數據任務一致。第二次實驗方案：在圖2基礎上更換KJ73X系統，按支路3連接到地下大型仿真采掘工作面。以設置采掘工作面瓦斯傳感器實驗為主題，終端使用數字瓦斯傳感器。主要實驗步驟可分為5步實施。①進行設備接線：電腦與數據接口之間連接、數據接口與分站之間接線、分站與傳感器之間連接。②進行中心站設備定義：定義 6#分站，名稱為“掘進工作面巷道口分站”；在 6#分站下定義3#高濃度甲烷傳感器，名稱為“掘進工作面瓦斯”。 ③進行設備地址號設置：設置分站地址號為“6”，設置傳感器地址號為“3”。④ 檢查設備通訊狀態：觀察分站、傳感器、斷電器通訊狀態是否正常，如不正常排查原因直至通訊正常。⑤對傳感器進行調校和標氣校準：將傳感器在新鮮空氣中預熱足夠時間，對傳感器遙控調“零”，調靈敏度，對瓦斯傳感器報警值、斷電值和復電值“三值”進行設置和自檢及通標氣校準。實驗表明，KJ73X系統具有明顯優勢：功能安全、可靠、穩定；設備完好、輕巧、耐用；友好的軟件操作界面；良好的人機接口，系統操作維護簡單；檢測智能精準高效，異常報警, 實時異地控制。第三次實驗方案：在圖2基礎上更換KJ218X系統，在支路2分站運行多種傳感器和模擬斷電器，主要實驗傳感器有：高濃度激光甲烷傳感器GJG100J(A)、煤礦用雙向風速傳感器GFY15X(A)、礦用一氧化碳傳感器GTH1000、煙霧傳感器GQLQ5、粉塵濃度傳感器GCG1000(A)、設備開停傳感器GKT5L、礦用溫度傳感器GWD100(A)、風筒風量傳感器GFT6和礦用風門開閉狀態傳感器GFK50(A)等。通過三次實驗驗證了圖2煤礦安全監控實驗教學系統的可行性。通過數字化改造升級，先進傳感技術及裝備得到了廣泛應用，提高了信號傳輸的抗干擾能力。通過KJ218X系統分站加插數模轉換A/D卡，實現了對模擬終端的兼容。