煤矿安全监控系统升级改造研究

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摘要：针对汾西矿务局贺西煤矿KJ95N安全监控系统存在的一些不足进行了升级改造研究。通过升级改造，提高了该矿安全监控系统的技术性能、安全可靠性和应用水平。

关键词：煤矿；安全监控系统；应用；升级改造研究

煤矿监测监控系统一般由传感器、执行机构、分站、传输接口、主机、系统软件等构成，用来监测CH4、CO、CO2、O2等气体浓度，预防有毒有害气体超限；监控风压、风筒、风门状态及局部通风机开机停机等，保证矿井供风正常；具有当所监控项目出现异常时自主报警、断电闭锁等功能。随着煤矿技术的进步，监控系统已趋于完善，但仍存在一些问题：监测监控系统厂家产品众多，但产品兼容性较差；系统功能存在缺陷，不能有效解决一些较低频率发生的安全问题；传感器使用寿命短、调校周期短，稳定性和可靠性能不尽人意。因此，对于安全监控系统的持续研究和不断试验仍需进行大量的理论实践。

1现有系统概况

贺西煤矿采用KJ95N煤矿安全监控系统已累计运行14a，系统总体使用稳定，能满足煤矿的安全需要，但依然存在如下不足：a)虽然传感器能适用于采掘工作面应用场所，但防护等级达不到IP65要求；b)系统具有预警、报警功能，但未达到升级改造方案所要求的分级报警要求；c)系统可接入瓦斯抽放监测、矿井压力监测、采空区监测等系统，但多网、多系统融合程度低，未实现井下多系统设备共缆通信，即井下设备级数据融合；d)部分性能指标不满足要求：(a)异地断电时间为2倍巡检周期，在煤与瓦斯突出等极端情况下不能快速断电，无法满足煤矿安全生产要求；(b)备用电源能维持断电后正常供电时间2h，不满足4h的指标要求；(c)模拟量传输处理误差不超过1%，不满足不超过0.5%的指标要求；e)无存储加密功能。因此，有必要对贺西煤矿在用KJ95N安全监控系统进行升级改造。

2主要研究试验内容

a)煤矿安全监控系统快速异地断电调度算法的研究。通过研究分析异地断电的原理、目标及目前异地断电的实现方法，形成异地断电控制的新算法，原AQ6201—2006煤矿安全监控系统通用技术要求中规定异地断电时间不大于2个巡检周期（60s），本项目形成的异地断电控制算法保证异地断电控制能在10s之内完成；b)基于无主模式的新型安全监控系统架构研究。该系统采用工业以太网+现场总线的无主采集方式，计算机与传输接口（含智能网关）通过以太网连接，计算机不再作为巡检主机对分站进行一一巡检并得到分站的回复，智能网关替代了计算机的功能来巡检分站，并将得到的数据直接上传给计算机，无需等待，从而加快响应时间；c)煤矿安全监控系统大容量数据压缩传输、存储算法的研究。通过分析目前监控系统中数据的特点，研究系统数据的压缩算法，使系统总线上传输的数据均为有用数据，使系统数据量大大减小，提高数据传输的效率；d)传感器、电源等设备智能识别即插即用方法的研究。系统的各组成设备正常安装后，传感器、执行器、电源等设备通过即插即用的方式，将编码的设备信息数据发送至分站及业务主机，完成设备的即插即用，通过地面软件简单操作，即可完成设备配置投入工作；e)分级报警模型及传感器实现方法的研究。通过对建立分级报警模型及传感器实现方法的研究，形成新的传感器报警机制。根据系统对传感器分级报警点的设定，系统及传感器均实现分级报警；f)井下多系统数据融合装置研究。研究一款低功耗、运算速度快、数据存储容量大、具有有线与无线接口且抗干扰能力强的采集装置，实现井下多个异构系统的数据采集、控制，能适应于井下干扰大、环境恶劣的工况条件，并能24h连续稳定可靠工作；g)井下安全监控类系统数据、信息融合传输方法研究。针对井下不同安全监控类系统的性能、功能特点，及井下矿井巷道管状结构、复杂恶劣干扰工况环境对系统现场数据传输的影响，研究基于不同异构网络的传输控制方法，尤其在低速传输链路条件下的数据传输调度算法，在已承载不同系统不同传输带宽、传输速率大小容量数据包情况下，满足各类系统性能及功能中对数据传输实时性的要求。

3研究的总体设计

系统传输采用典型工业环网+现场总线传输架构，采用目前煤矿应用比较成熟的RS485总线，该总线抗干扰能力强，网络拓扑符合煤矿现场应用，系统工作原理采用多主结构、事件主动上传、传输压缩算法机制，缩短系统的巡检周期和异地断电时间，实现窄带优先传输和断线续传。开发无线信号转换器，接收人员定位信号，无线传输后自动接入系统，以实现多系统井下的链路融合。在部分采掘工作面、回风流及总回风处安装激光甲烷传感器，满足煤矿对新设备应用的要求，传感器防护等级提高到IP65，提高传感器工作的稳定性与可靠性。煤矿安全监控系统改造方案采用更换关键设备的方式，如分站、电源，实现系统数字化传输，根据煤矿实际情况安装数字式传感器，实现多系统融合。a)地面部分。为了确保多系统融合的处理时效和安全，地面部分需要建设一套软件平台和硬件平台。主要包含监控主备机、数据融合服务器和监控系统软件等，并安装大容量数据库SQLServer2012标准版。监控主机的配置不低于：I7处理器/16GB内存/3个千兆网卡/1GB独显/2TB硬盘/22寸16∶9显示器/Win1064位操作系统。数据融合采用冗余服务器，在冗余服务器安装融合平台，实现工业环网和办公网内子系统的数据处理与WEB（万维网）；b)主干传输系统。根据现场系统的稳定性，建设一套百兆环网来满足新安全监测系统使用。地面部分采用天地（常州）自动化股份有限公司2台CJJ02地面环网接入器（配置7个～8个光口组环、RS485口/1个～6个以太网电口，可通过跳接片任意设置。以太网电口，速率10Mbit/s自适应；RS485口，速率1200bit/s），安装在机房，方便主备机、服务器等设备的接入，同时方便地面洗煤厂等监控分站的接入。井下部分采用天地（常州）自动化股份有限公司8台KJJ32交换机，该交换机内置4路百兆光口，4路百兆电口与4路智能网关接口复用，分别安装在井下中央变电所、中央水仓变电所及皮带变电所等位置。井上下设备组成一套百兆环网，保证数据传输稳定；c)现场分站、电源技术研究。监控分站是监控系统中的重要组成部分，无论在功能上还是位置上，在系统中都起到了承上启下的作用。它主要完成数据采集及预处理、逻辑控制输出和与上下级设备通讯的功能。作为一个重要的数据处理单元，可以在主干传输网络不通的情况下实现数据的存储，并在传输恢复正常后完成断点续传。为了满足新一代监控系统的要求，满足相关行业标准、国家文件的要求，本次改造需升级分站和更换部分电源；d)传感器升级研究。为满足监控系统升级改造要求，对监控系统用传感器进行了以下多个方面的研究设计：传感器实现数字化（风门开关除外）；外壳防护等级由IP54提升至IP65；EMC（电磁兼容）抗干扰等级提高至抗电磁辐射2级、群脉冲3级、浪涌3级；防爆形式由Exib/Exdib升级为Exia/Exdia（Ex代表防爆电气产品；ia即在正常工作、1个和2个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物；ib即在正常工作和1个故障时不能点燃爆炸性气体混合物；ia安全等级高于ib）；传感器传输距离延长至6km；增加欠压、故障、断线、重启等自诊断功能；实现智能识别，即插即用。

4经济及社会效益

4.1经济效益新系统采用的环网结构及具备的自诊断功能，减少了故障处理时间和维护人员，提高了工作效率；采用的激光甲烷传感器，降低了标校维护工作量。按减少维护人员5人、年人工综合成本6×104元计算，每年可节约人工成本30×104元，实现减员提效。数字化传感器的使用，减少了CH4误报警次数和断电次数，缩短了停电事故影响时间，提高了生产效率。数字信号传输减少了线缆的重复敷设，降低了矿井生产成本。矿井每年敷设线缆约15000m，按线缆辐射量减少40%计算，减少线缆敷设约6000m，按5元/m计算，年节约资金约3×104元。4.2社会效益新技术和新装备的使用，使安全监测系统数据更加真实可靠，为矿井安全生产提供了可靠的数据支持。新技术和新装备的使用，促进了矿井安全技术装备水平的提升，使矿井淘汰模拟信号，实现数字化矿山目标，为矿山物联网的发展打下了坚实基础。多系统融合、报警联动功能，实现了数据的综合分析和利用，为应急救援提供了参考依据，进一步提高了矿井的灾害预防能力及应急救援水平。技改项目的实施，为集团公司其他矿井升级改造提供了参考经验，为煤炭行业安全监测升级改造提供了现场应用依据，为国家相关法律法规的推行打下了坚实基础。

5结语

分析了贺西煤矿安全监测系统存在的问题，在技术上提出了优化的具体方案，提高了监控系统的可靠性，在本质安全方面有了较高的提升，并且在一定程度上节约了生产成本，为煤矿智慧矿山的发展提供了理论和实践的支持。

作者:梁发明 单位:汾西矿业水峪煤业