郭屯煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)升級改造經(jīng)驗及未來展望

李進海 張海超 王 兵

（山東能源臨沂礦業(yè)集團菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 臨沂 276017）

1 監(jiān)控系統(tǒng)概況

郭屯煤礦原安全監(jiān)控系統(tǒng)采用江蘇三恒科技股份有限公司生產(chǎn)的KJ70N系統(tǒng)，系統(tǒng)于2009年9月投入使用，2013年11月對監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中心站、軟件及分站進行了同型號更換升級，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能可靠，各項功能及參數(shù)符合《煤礦安全規(guī)程》和煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范的技術要求。2017年11月經(jīng)山東鼎安檢測技術有限公司檢驗合格。安全監(jiān)控中心站設在礦安全生產(chǎn)調(diào)度指揮中心實現(xiàn)在線監(jiān)測，各種數(shù)據(jù)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(qū)值班室的監(jiān)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(jiān)察局聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)上傳。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造項目背景

2016年12月29日，國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案》（煤安監(jiān)函〔2016〕5號）。2017年2月20日，山東煤礦安全監(jiān)察局下發(fā)《關于轉(zhuǎn)發(fā)國家煤礦安監(jiān)局〈煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案〉的通知》（魯煤監(jiān)技裝〔2017〕13號）。2018年3月22日，山東煤礦安全監(jiān)察局下發(fā)《關于做好煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造工作的通知》（魯煤監(jiān)技裝〔2018〕24號）要求通過對安全監(jiān)控系統(tǒng)改造，不斷提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的準確性、靈敏性、可靠性、穩(wěn)定性和易維護性，進一步發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)升級改造主要內(nèi)容

郭屯煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造方式是在原KJ70N系統(tǒng)基礎上升級為江蘇三恒科技股份有限公司生產(chǎn)的KJ70X系統(tǒng)。新系統(tǒng)基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+現(xiàn)場總線通信架構，采用分布式控制、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合、斷線續(xù)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(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術標準》、AQ6201《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》及相關行業(yè)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(yè)交換機（德國赫茲曼）建設安全監(jiān)控系統(tǒng)專用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的方式實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)平穩(wěn)升級。

3.1 地面中心站改造

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

（2）對監(jiān)控系統(tǒng)通訊機制進行改造，提高系統(tǒng)實時性。

（3）監(jiān)控軟件預留有接口，可通過軟件接口與其他系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動和數(shù)據(jù)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(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線方式傳輸，具體示意如圖1所示。

圖1 工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線方式傳輸模式

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

（2）安裝地面核心交換機1臺，用于工業(yè)以太網(wǎng)實時對網(wǎng)絡設備的配置、監(jiān)控、診斷，提供整合式管理平臺，能夠自動偵測網(wǎng)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(qū)變電所、二采區(qū)進風巷、四采區(qū)進風巷、-670m輔助水平變電所分別安設井下環(huán)網(wǎng)交換機，組建安全監(jiān)控專用環(huán)網(wǎng)，分站就近接入安全監(jiān)控專用環(huán)網(wǎng)，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(xiàn)傳輸信號達到全數(shù)字化、抗電磁干擾能力、IP65防護等級、自診斷自評估、系統(tǒng)性能提升為目的，主要改造監(jiān)控分站、供電電源、傳感器等設備。

（1）監(jiān)控分站

郭屯煤礦目前在用KJ70N-F型分站，均不能實現(xiàn)數(shù)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(shù)字化，提高傳輸環(huán)節(jié)的可靠性。

② 監(jiān)控分站具有斷電續(xù)傳功能，能夠把通訊中斷時的傳感器數(shù)據(jù)保存在分站內(nèi)，在通訊恢復正常后續(xù)傳到中心站，確保監(jiān)控數(shù)據(jù)的連續(xù)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(xiàn)干擾時分站仍能工作。

（2）監(jiān)控分站電源

郭屯煤礦目前在用監(jiān)控分站電源為KDW17型，電池續(xù)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(wǎng)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(tài)，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(xiàn)防護等級均達到IP65，采用RS485傳輸。

（4）多系統(tǒng)融合聯(lián)動

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

在安全生產(chǎn)調(diào)度指揮中心安裝1臺多系統(tǒng)融合聯(lián)動工作站，通過統(tǒng)一的平臺，實現(xiàn)融合通信系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)自動化系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析預警系統(tǒng)的聯(lián)動控制。平時生產(chǎn)時，能夠?qū)崿F(xiàn)程控電話、無線通信、應急廣播、局部廣播的統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析預警系統(tǒng)等與通信聯(lián)絡系統(tǒng)的聯(lián)動；當事故發(fā)生時，能進行“區(qū)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(tǒng)聯(lián)動示意圖

4 安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造后主要性能

4.1 傳輸數(shù)字化

在分站至中心站數(shù)字化傳輸?shù)幕A上，將傳感器至分站升級為數(shù)字傳輸，所有傳感器至分站的傳輸全部采用RS485數(shù)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(fā)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(jiān)控系統(tǒng)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(shù)、調(diào)校頻繁（每15d需調(diào)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(diào)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(xiàn)象；元件壽命長，是目前測量最準確穩(wěn)定的傳感器。在2個避難硐室安裝多參數(shù)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(huán)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(huán)境下的工作可靠性。

4.5 完善報警、斷電等控制功能

（1）系統(tǒng)實現(xiàn)了甲烷及一氧化碳濃度分級報警，根據(jù)濃度大小、超限持續(xù)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(jù)分級報警級別發(fā)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(tǒng)已在部分區(qū)域按照巷道布置實現(xiàn)邏輯報警，邏輯關系配置為1-3組。根據(jù)巷道布置及瓦斯涌出等內(nèi)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(jiān)控系統(tǒng)的正常使用。如：進風巷的瓦斯?jié)舛雀哂诨仫L巷的瓦斯?jié)舛?，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(tài)監(jiān)測，完善了區(qū)域斷電。

4.6 支持多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合

系統(tǒng)具備有線和無線傳輸網(wǎng)絡融合的功能。系統(tǒng)基于GIS技術，具有三維空間地理信息服務功能。多系統(tǒng)的融合采用地面方式在地面統(tǒng)一平臺上與環(huán)境監(jiān)測、人員定位監(jiān)測、調(diào)度通信、應急廣播等融合。

4.7 格式規(guī)范化

系統(tǒng)主干網(wǎng)應采用工業(yè)以太網(wǎng)，將地面交換機與井下交換機進行環(huán)網(wǎng)連接。系統(tǒng)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(wǎng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸；模擬量傳感器至分站的有線傳輸采用RS485。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式與集團公司、山東煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)網(wǎng)上傳。

4.8 實現(xiàn)自診斷、自評估功能

系統(tǒng)實現(xiàn)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(guī)定時能發(fā)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(xiàn)井下各監(jiān)測點的所有類型的傳感器以及分站、電源箱的狀態(tài)檢測和故障信息上傳功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫密碼不正常、數(shù)據(jù)庫連接失敗、軟件模塊異常關閉以及工作異常時系統(tǒng)能發(fā)出異常信息提示。

4.9 加強數(shù)據(jù)應用分析

系統(tǒng)升級改造后，具備多路數(shù)據(jù)上傳功能。必須具備數(shù)據(jù)分析與應用功能，對傳感器間的關聯(lián)性進行分析，對偽數(shù)據(jù)進行標注，對異常數(shù)據(jù)進行分析，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類匯總統(tǒng)計。

4.10 應急聯(lián)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(jiān)測等系統(tǒng)進行應急聯(lián)動。通過井下應急廣播系統(tǒng)通知危險區(qū)域人員撤離；通過人員位置監(jiān)測系統(tǒng)雙向緊急呼叫功能，自動通知危險區(qū)域人員進行撤離等。

4.11 提升系統(tǒng)性能指標

（1）系統(tǒng)巡檢周期不超過20s。

（2）異地斷電時間不超過40s。

（3）系統(tǒng)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(tǒng)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(xù)傳功能。

4.12 增加加密存儲要求

采用同態(tài)加密、SHA256、SHA512、DES、RSA等混合加密算法，提高了監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸、歷史數(shù)據(jù)進行高效、可靠的加密存儲，以防止違規(guī)刪除、篡改監(jiān)控系統(tǒng)報警、斷電等重要數(shù)據(jù)。

5 經(jīng)驗做法

（1）選擇監(jiān)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(lián)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(tǒng)軟件相對原系統(tǒng)的軟件占用內(nèi)存大，服務器的好壞直接關系到監(jiān)控系統(tǒng)各操作界面切換速度甚至影響到巡檢周期，建議服務器內(nèi)存不宜低于8G。

（4）安全監(jiān)控系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)逐步更換升級的方案，應采用原系統(tǒng)正常運行，重新安裝新系統(tǒng)，待新系統(tǒng)穩(wěn)定正常后淘汰原系統(tǒng)的方案進行。

6 存在的不足

（1）新的檢測系統(tǒng)預留了子系統(tǒng)接入的傳輸數(shù)據(jù)端口，能夠分析處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)適合安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。但是安裝的人員定位系統(tǒng)、應急廣播系統(tǒng)等廠家不愿意開放數(shù)據(jù)協(xié)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(tǒng)一協(xié)調(diào)，在固定檢測系統(tǒng)升級廠家的同時，篩選出配合監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)測線，然后將分站的4路輸出端中的兩路并聯(lián)共同為大功率傳感器進行供電。

（3）分站采用數(shù)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(shù)量。據(jù)統(tǒng)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?；谝陨显?，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(wǎng)傳輸?shù)姆终?，由于分站上一級的交換機已經(jīng)形成環(huán)網(wǎng)，若將分站與分站之間形成環(huán)網(wǎng)，必將形成網(wǎng)絡風暴，造成全部系統(tǒng)故障。若將分站與分站之間串聯(lián)，如上一級分站故障，被串分站也會全部故障?；谝陨蟽牲c，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(jiān)控智能化未來展望

（1）安全監(jiān)控系統(tǒng)采用地面集中供電方式，杜絕井下電氣失爆現(xiàn)象，在遇到爆炸事故時避免監(jiān)控設備電源受影響不能正常監(jiān)測現(xiàn)象。系統(tǒng)傳感器采用無線傳輸，與井下手機設計為一體，具備多參數(shù)監(jiān)測功能，實時上傳及數(shù)據(jù)采集分析，現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)與井下局部通風變頻技術管理平臺的融合。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動分析，完成自動配風。通過監(jiān)控系統(tǒng)與礦井火災預測系統(tǒng)的融合，實現(xiàn)自動開啟主井注氮設備。通過安全監(jiān)測系統(tǒng)與制冷降溫管理系統(tǒng)的融合，通過監(jiān)測溫度變化，自動控制制冷量。通過粉塵濃度及環(huán)境濕度監(jiān)測實現(xiàn)自動綜合防塵技術。

（3）通過安全監(jiān)控系統(tǒng)與礦井放炮監(jiān)測系統(tǒng)的融合，實現(xiàn)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(wǎng)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(qū)域，不能放炮；⑩ 沒有停電，不能放炮。各級領導能夠通過網(wǎng)絡對放炮全過程進行實時監(jiān)控。

（4）多系統(tǒng)融合及應急聯(lián)動平臺，配合井下4G網(wǎng)絡覆蓋和手機客戶端的使用，實現(xiàn)可視化與自動化，實現(xiàn)真正的“無人值守”功能，大大減少井下作業(yè)人員。高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸，可將各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)實時傳送，更加有利于管理和控制。人員定位系統(tǒng)與安全監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)聯(lián)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(xiàn)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(zhuǎn)載機、破碎機、皮帶集中控制平臺，實現(xiàn)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(tǒng)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(fā)大巷電機車、采區(qū)單軌吊自動駕駛技術，實現(xiàn)輔運系統(tǒng)自動化運行、無人值守。

（8）以智慧采區(qū)建設為基礎，充分汲取建設經(jīng)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(jiān)控系統(tǒng)融合整合調(diào)度、安全、經(jīng)營、地測圖文、綜合自動化、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控等人機物環(huán)管信息，抽取、清理、加工、匯總至數(shù)據(jù)倉庫，建成數(shù)據(jù)中心，當數(shù)據(jù)發(fā)生重要變化時可通過手機APP軟件進行推送預警，實現(xiàn)對礦井各類災害進行預警與超前防治、對各類生產(chǎn)系統(tǒng)的設備進行故障診斷與超前維護，方便大數(shù)據(jù)采集。

8 結(jié)束語

隨著通訊技術、計算機技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，煤礦企業(yè)向網(wǎng)絡化、自動化方向發(fā)展的趨勢已日趨明顯，煤礦企業(yè)向網(wǎng)絡化、智能化和管理控制一體化的方向演變是企業(yè)發(fā)展的必然，也是滿足煤礦生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)過程特點的需要。因此，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)升級改造及礦井多系統(tǒng)融合聯(lián)動是一種企業(yè)發(fā)展的需要，以保證煤礦安全生產(chǎn)，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。