坪上煤業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張 峰， 王 堯

（山西晉煤集團(tuán)沁秀公司坪上煤業(yè)， 山西 晉城 048000）

引言

山西晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司位于沁水縣端氏鎮(zhèn)曲堤村，為資源整合礦井，是由山西晉煤集團(tuán)寺河礦北區(qū)瓦斯抽放工程井和沁水縣坪上煤業(yè)有限公司整合而成的兼并重組整合礦井。礦井年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t，屬煤與瓦斯突出礦井，對(duì)煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性要求較高。該礦最初采用了KJ90NB煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行，綜采作業(yè)過程中的瓦斯溢出量不斷增加，給煤礦井下的綜采作業(yè)帶來了嚴(yán)重的影響，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足日益增加的通風(fēng)安全性需求，因此提出建立KJ90X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的方案，該煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用了先進(jìn)的分布式處理模式，能充分發(fā)揮各部分設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)，具有智能程度高、抗干擾能量強(qiáng)、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性。

1 KJ90X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

坪上煤業(yè)有限公司的安全監(jiān)控系統(tǒng)以工業(yè)數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)為核心，將地面上的監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息查詢及分析系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，同時(shí)將煤礦井下的瓦斯監(jiān)控分站、通風(fēng)監(jiān)控分站、排水監(jiān)控分站等進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了井下和地面數(shù)據(jù)的有機(jī)互聯(lián)，滿足了在各種工況下的數(shù)據(jù)監(jiān)控準(zhǔn)確性和連續(xù)性的監(jiān)控需求，確保了對(duì)井下安全生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。

為了便于對(duì)煤礦安全的監(jiān)控，提升監(jiān)控效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，該煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)首次采用了少層級(jí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)分為三層數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，極大地提升了數(shù)據(jù)傳輸和分析的準(zhǔn)確性，特別是采用了分布式的數(shù)據(jù)處理方法，能有效提升數(shù)據(jù)處理速度和監(jiān)控穩(wěn)定性，發(fā)揮了監(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)主干連接為樹型結(jié)構(gòu)，安裝擴(kuò)展簡(jiǎn)單，該安全監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 KJ90X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，該控制系統(tǒng)的“大腦”是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，作為整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，主要用于對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)、顯示等，同時(shí)還具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能，實(shí)現(xiàn)在地面上對(duì)井下各設(shè)備運(yùn)行情況的靈活調(diào)控，滿足煤礦井下運(yùn)行安全性的需求。監(jiān)控中心的顯示器用于直觀顯示出各類數(shù)據(jù)信息，該類型的數(shù)據(jù)信息均通過簡(jiǎn)化的圖表形式進(jìn)行顯示，便于監(jiān)控人員對(duì)井下運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，具有準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

該煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用了高速光纖傳輸系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)傳輸能力大、數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)以太網(wǎng)和各類設(shè)備之間采用了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，滿足了通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)傳輸需求，同時(shí)便于進(jìn)行模塊的拓展。

煤礦井下監(jiān)控分站是該安全監(jiān)控系統(tǒng)的“眼睛”，能夠?qū)崟r(shí)針對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各類設(shè)備的運(yùn)行情況及井下環(huán)境情況，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警等，是井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了確保地面監(jiān)控中心對(duì)監(jiān)控結(jié)果顯示的精確性，在地面監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)置2臺(tái)IPC-810E作為系統(tǒng)主備機(jī)，安裝KJ90X監(jiān)控軟件、雙機(jī)熱備軟件，2臺(tái)x3650°M5服務(wù)器，作為SQL數(shù)據(jù)庫軟件、網(wǎng)管軟件及系統(tǒng)融合服務(wù)器；為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)上設(shè)置了千兆防火墻，用于實(shí)施病毒防護(hù)，確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。

地面中心站設(shè)置1臺(tái)KJJ220地面輸出本安型交換機(jī)，井下6臺(tái)礦用KJJ15(A)交換機(jī)分別安裝于井下中央變電所、盤區(qū)變電所（一），盤區(qū)變電所（二），23011巷口、東軌七橫川、西膠九橫川，通過5 km光纜和地面機(jī)房KJJ220核心環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成主干工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，確保系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和精確性。

監(jiān)控分站采用了KJ90-F16(B)型礦用本安分站，分站采用了可模擬量/開關(guān)量互換的傳感器輸入端口，所采用的智能控制輸入端口具有8組智能開關(guān)量，能同時(shí)控制8組智能信號(hào)的輸出。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置以太網(wǎng)電口1路、以太網(wǎng)光口2個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)通訊端口設(shè)置8組。為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在該監(jiān)控系統(tǒng)中還設(shè)置有不間斷電源，用于確保緊急情況下的連續(xù)供電需求，滿足井下監(jiān)控安全[2]。

傳感器采用KJ90-F16（B）型分站配套的KG9701B型低濃度甲烷傳感器、GQQ5型煙霧傳感器和GFK30型礦用風(fēng)筒風(fēng)量開關(guān)傳感器等。斷電器采用 KJ90-F16（B）型分站配套的 KDG0.35/660K（A）型（適用于660V）井下遠(yuǎn)程饋電斷電器。

3 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)功能及應(yīng)用效果

KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制程序內(nèi)設(shè)置了5級(jí)報(bào)警功能[3]，不同的級(jí)別采用了不同的顏色進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)煤礦井下巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛劝l(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別并報(bào)警，將不同濃度的瓦斯進(jìn)行標(biāo)識(shí)，形成文件報(bào)表，直觀顯示在監(jiān)控屏幕上?？刂瞥绦蚓哂辛己玫木庉嫻δ埽軌蚴跈?quán)操作者進(jìn)行一定情況下數(shù)據(jù)的編輯和修改，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的不斷完善。

該系統(tǒng)中采用了新的邏輯控制算法，使智能傳感器實(shí)現(xiàn)了類型識(shí)別，當(dāng)接入系統(tǒng)的傳感器類別和系統(tǒng)內(nèi)定義的傳感器類別不一致時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行屏蔽處理，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并刪除監(jiān)測(cè)到的異常數(shù)據(jù)[4]。系統(tǒng)具有區(qū)域管理功能，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同通風(fēng)類型區(qū)域內(nèi)傳感器類型、數(shù)量和參數(shù)設(shè)置是否符合規(guī)范的檢查提醒功能，從而最大程度上確保了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作可靠性，該監(jiān)控系統(tǒng)功能界面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用以來，將系統(tǒng)的巡檢周期由27 s降低為13 s，降低了51.9%，異地?cái)嚯姇r(shí)間由最初的60 s降低到目前的24 s，降低了60%，系統(tǒng)的能耗降低50%以上，同時(shí)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中其模擬量傳輸誤差由最初的1.6%降低到目前的0.4%，顯著提升了坪上煤業(yè)綜采作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)采用了扁平化的分層結(jié)構(gòu)，具有先進(jìn)的分布式處理模式，能有效提升數(shù)據(jù)處理速度和監(jiān)控穩(wěn)定性，分發(fā)揮各部分設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；

2）KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制程序內(nèi)設(shè)置了5級(jí)報(bào)警功能，不同的級(jí)別采用了不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)具有瓦斯異常變化識(shí)別及篩選功能；

3）該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒀矙z周期降低51.9%，異地?cái)嚯姇r(shí)間降低60%，系統(tǒng)的能耗降低50%以上，同時(shí)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中其模擬量傳輸誤差由最初的1.6%降低到目前的0.4%，顯著提升了坪上煤業(yè)綜采作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。