煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)精準(zhǔn)監(jiān)測實現(xiàn)途徑探討

何云文, 張 明

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037;2.神華烏海能源有限責(zé)任公司黃白茨煤礦,內(nèi)蒙古 烏海 016000)

我國所有井工煤礦均安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng),對煤礦井下環(huán)境中的有毒有害氣體(瓦斯、一氧化碳、硫化氫、二氧化碳)及設(shè)備運行狀態(tài)(主扇、局扇、水泵)實時監(jiān)測。出現(xiàn)有毒有害氣體濃度超限時,傳感器及地面中心站進行報警提示,并切斷井下相關(guān)區(qū)域內(nèi)非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源,為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障。但是,一方面由于缺少獨立的運行維護部門和運行維護技術(shù)人員,缺少規(guī)范的管理制度、操作流程,缺少對運維人員專業(yè)性的培訓(xùn),實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測存在困難;另一方面,在系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)時,采用傳統(tǒng)的“以太環(huán)網(wǎng)平臺+總線”三級傳輸模式[1],該系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的監(jiān)控分站和傳感器,輸出信息單一,系統(tǒng)數(shù)字化、智能化程度較低,受井下使用環(huán)境的制約,難以實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測。隨著監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)場對監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制狀態(tài)的準(zhǔn)確性、及時性、安全性的需要日益提高,有必要對安全監(jiān)控系統(tǒng)精準(zhǔn)監(jiān)測的途徑和技術(shù)裝備進行深入的研究,以促進安全監(jiān)控技術(shù)智能化發(fā)展,為煤礦的災(zāi)害治理提供更加真實可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)主流的安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由中心站部分(主機、備機、監(jiān)控軟件、SQL Server數(shù)據(jù)庫、打印機、錄音電話、UPS電源、電源避雷器)、數(shù)據(jù)傳輸部分(網(wǎng)絡(luò)交換機、通信光纜)、數(shù)據(jù)采集部分(監(jiān)控分站、區(qū)域控制器、防爆電源)、終端感知部分(各種傳感器、報警器、饋電斷電器)等設(shè)備組成[2]。系統(tǒng)主通訊采用“以太環(huán)網(wǎng)平臺+總線”架構(gòu)傳輸方式,從終端感知部分至中心站部分,中間經(jīng)過監(jiān)控分站、網(wǎng)絡(luò)交換機等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,形成三級架構(gòu)傳輸模式。系統(tǒng)具有模擬量(甲烷、一氧化碳、溫度)和開關(guān)量(設(shè)備開停、饋電、風(fēng)門)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、處理、顯示、查詢、打印、報警和控制等功能,可實現(xiàn)甲烷超限聲光報警、斷電閉鎖和風(fēng)電閉鎖控制的作用。不同礦井由不同的部門(通風(fēng)科、調(diào)度室、機電科、生產(chǎn)科、信息中心)負(fù)責(zé)日常設(shè)備安設(shè)、調(diào)校、巡檢、故障處理等工作。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題

1)系統(tǒng)管理部門不統(tǒng)一、制度不健全、流程不規(guī)范。由于各公司、各煤礦企業(yè)自身實際情況不同,導(dǎo)致系統(tǒng)管理部門不統(tǒng)一,分別歸屬于生產(chǎn)調(diào)度中心、機電科、通風(fēng)科、生產(chǎn)科和信息中心等部門中的區(qū)隊或工作組,沒有獨立的部門對系統(tǒng)做中長期整體建設(shè)的規(guī)劃。缺少相關(guān)規(guī)章制度、操作流程,或規(guī)章制度、操作流程的內(nèi)容空洞、脫離實際、可操作性不強。規(guī)章制度沒有進行統(tǒng)一歸檔管理,日常調(diào)校、維護、安設(shè)操作流程不規(guī)范。

2)技術(shù)裝備智能化程度較低。目前礦井使用的安全監(jiān)控系統(tǒng),基本都是采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換機、監(jiān)控分站、各類傳感器和斷電控制器組成的“以太環(huán)網(wǎng)平臺+總線”三級構(gòu)架傳輸模式,數(shù)據(jù)在傳輸過程轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多，數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)框圖Fig.1 Flow chart of data collection and conversion in safety monitoring system

安全監(jiān)控分站功能單一:只能通過RS485或CAN信號采集監(jiān)控傳感器信號,只能通過RS485或CAN信號與上級設(shè)備通信；緩存空間較小無中斷續(xù)傳功能；不具備故障自診斷自排除功能；傳感器智能化程度較低，只能輸出實時數(shù)據(jù)或設(shè)備運行狀態(tài),自身狀態(tài)及參數(shù)不能輸出，如主板故障、元件故障、供電電壓、維護、生產(chǎn)日期和運行時長等不能輸出；傳感器無在線調(diào)校、遠程維護、定位、自診斷和自排除等功能；傳感器檢測誤差較大,特別是采用催化原理的甲烷傳感器受到高瓦斯沖擊,長期在有硫化氫的氣體環(huán)境中運行,在本安電壓供電不足或傳感器處于臨界工作狀態(tài)時,傳感器檢測值忽高忽低,時有誤報警的情況，在有瓦斯涌出,傳感器數(shù)據(jù)突變時,人為地將傳感器移動位置或采取措施時,也導(dǎo)致傳感器檢測值不準(zhǔn)確；系統(tǒng)容錯能力較差(中心站軟件時有報錯窗口彈出、中心站軟件連接不上數(shù)據(jù)庫、不能查詢),設(shè)備兼容、可容性較差(系統(tǒng)、設(shè)備已經(jīng)對端口進行固定,不能接入其它廠家的設(shè)備)；地面與井下采用單向通信模式(中心站逐一巡呼井下監(jiān)控分站,采用一呼一答模式,當(dāng)井下有突發(fā)情況時,井下監(jiān)控分站無優(yōu)先呼叫地面中心站的權(quán)利)導(dǎo)致人機對話(互動)處于初級階段。

3)售后服務(wù)的時效和效果較差。由于目前各礦使用不同廠家的安全監(jiān)控系統(tǒng),廠家技術(shù)支持服務(wù)人員有限,基本處于被動服務(wù)狀態(tài),即煤礦出現(xiàn)疑難故障時,廠家技術(shù)人員才提供遠程或現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)。這個過程需要較長時間,廠家不能第一時間對問題進行分析處理,有的系統(tǒng)廠家甚至處于破產(chǎn)階段,沒有技術(shù)支持人員。因此,處于被動服務(wù)或無服務(wù)狀態(tài)的情況下,服務(wù)效果是較差或有限的。

4)監(jiān)控運維隊伍及業(yè)務(wù)能力參差不齊。煤礦的運維隊伍是保障系統(tǒng)正常運行的主力軍,目前，大部分礦井存在運維人員配備嚴(yán)重不足,專業(yè)技術(shù)人員較少,人員技能參差不齊的情況。另外，現(xiàn)有運維人員由于對相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求了解不夠,導(dǎo)致設(shè)備安設(shè)不規(guī)范、維護不到位、系統(tǒng)故障處理不及時、內(nèi)業(yè)資料填寫不及時不完善、巡檢不到位等情況的發(fā)生。

3 精準(zhǔn)監(jiān)測的實現(xiàn)途徑

針對以上安全監(jiān)控系統(tǒng)存在問題,根據(jù)安全監(jiān)控系統(tǒng)最新的裝備、技術(shù),結(jié)合煤礦現(xiàn)場的管理、應(yīng)用、需求等實際情況,本文從系統(tǒng)管理、技術(shù)裝備、服務(wù)、運維等四方面提出了一些針對性的思路和實現(xiàn)途徑。精準(zhǔn)監(jiān)測流程如圖2所示。

圖2 精準(zhǔn)監(jiān)測流程圖Fig.2 Flow chart of precise monitoring

3.1 管理精準(zhǔn)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是集傳感、信息傳輸、計算機、控制等多種現(xiàn)代技術(shù)于一體的綜合技術(shù)。因此,煤礦應(yīng)成立信息化(安全監(jiān)控)專業(yè)獨立的管理機構(gòu),由煤礦企業(yè)主要技術(shù)負(fù)責(zé)人領(lǐng)導(dǎo),配足相應(yīng)專業(yè)的管理、技術(shù)、操作、維護人員,負(fù)責(zé)對整個信息化(安全監(jiān)控)系統(tǒng)長期、中期和近期規(guī)劃；掌握行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方性文件要求,了解行業(yè)發(fā)展動態(tài)、技術(shù)裝備；負(fù)責(zé)日常設(shè)備安設(shè)、調(diào)校、巡檢、維護、維修、異常數(shù)據(jù)分析和故障處理等工作。建立健全安全監(jiān)控人員崗位責(zé)任制、值班制度、異常數(shù)據(jù)分析上報制度、巡檢制度、應(yīng)急管理體系、監(jiān)控設(shè)備安裝、調(diào)校和維護操作流程等規(guī)章制度,并進行統(tǒng)一歸檔保存管理。

3.2 技術(shù)裝備精準(zhǔn)

技術(shù)裝備精準(zhǔn)是精準(zhǔn)監(jiān)測的關(guān)鍵,起決定性作用。因此,在系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)時應(yīng)以安全精準(zhǔn)、數(shù)字化、智能化為目標(biāo),以“立足當(dāng)前、著眼未來”為原則,既要滿足當(dāng)前實時監(jiān)測的需要，又要兼顧后期系統(tǒng)的擴容、兼容及改造。

3.2.1安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)及傳輸平臺的搭建

安全監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)及傳輸平臺應(yīng)實行高標(biāo)準(zhǔn)、高門檻的準(zhǔn)入制。在方案設(shè)計和設(shè)備選型時,井下應(yīng)按照“一網(wǎng)一站一根線”、地面中心站應(yīng)按照“一張圖一張表”的思路進行系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)。采用兩級架構(gòu)的傳輸模式,即從終端感知部分至地面中心站的網(wǎng)絡(luò)層級為兩級,選擇多功能區(qū)域控制器設(shè)備(具有多路光口、電口監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、人員定位數(shù)據(jù)采集、電力信號采集、廣播信號采集等功能),安設(shè)具有多信息上傳、定位、自診斷排除功能的無線、激光等高精度、低功耗傳感器。從設(shè)備選型、系統(tǒng)建設(shè)上做到裝備最前沿，監(jiān)測數(shù)據(jù)最精準(zhǔn)，傳輸平臺最穩(wěn)定,為全面實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測打下堅實的基礎(chǔ)。安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)架如圖3所示。

圖3 安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of safety monitoring system

從圖3可以看出,通過建設(shè)千/萬兆以太環(huán)網(wǎng),采用兩級架構(gòu)傳輸模式,減少傳輸層級、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)備數(shù)量和種類等中間環(huán)節(jié),提高了傳輸速率，提升了傳輸信號的可靠性。其中,多功能區(qū)域控制器是整個系統(tǒng)的核心裝備,應(yīng)具有高速運算處理能力和大容量存儲空間,并提供多路以太網(wǎng)光口、以太網(wǎng)電口、RS485/CAN等通信端口和多種系統(tǒng)接入端口,實現(xiàn)區(qū)域控制器之間或與交換機之間任意組網(wǎng)[3]。

3.2.2先進的技術(shù)

1)中斷續(xù)傳。在中心站與井下區(qū)域控制器通訊中斷時,傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)暫存于區(qū)域控制器的存儲器內(nèi),當(dāng)主通訊恢復(fù)正常時,中心站將讀取區(qū)域控制器存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù),上傳至地面中心站數(shù)據(jù)庫進行存儲,確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

（4）根據(jù)教學(xué)的需要合理選擇案例，難度要適中，不能過難或過于簡單，要有一定的代表性。選擇的案例要理論聯(lián)系實際，通過案例教學(xué)可以提高學(xué)生的綜合能力，案例分析不能只停留在表面，分析要不斷深入，通過對案例的分析和研究，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

2)即插即用，智能識別。當(dāng)井下安裝傳感器后,中心站軟件自動識別所接傳感器類型、量程、接入?yún)^(qū)域控制器端口、接入時間等信息。

3)傳感器在線調(diào)校。井下傳感器進入調(diào)校狀態(tài)后,傳感器自動將調(diào)校狀態(tài)通過區(qū)域控制器上傳至地面中心站軟件,中心站在實時數(shù)據(jù)表、報表、曲線中進行自動標(biāo)注和區(qū)分。

4)故障精準(zhǔn)智能診斷。系統(tǒng)可以根據(jù)不同的故障現(xiàn)象自動判斷故障點,并將故障點或設(shè)備自動排除,而不影響其他設(shè)備的正常運行。如傳感器元件故障、傳感器供電不足、傳感器主板故障、斷線、交換機線路故障、分站通信中斷、數(shù)據(jù)庫異常和雙機熱備異常等主要故障的判斷和排除。

5)遠程電池維護。實現(xiàn)中心站軟件遠程對區(qū)域控制器、交換機電源箱電池的維護,延長備用電池的使用壽命。

6)多種組網(wǎng)模式，自由組網(wǎng)。在交換機與交換機之間,交換機與區(qū)域控制器之間,區(qū)域控制器與區(qū)域控制器之間實現(xiàn)自由搭配,靈活組網(wǎng),形成多種組網(wǎng)模式。

7)雙機無縫切換。主備機同時運行,向數(shù)據(jù)服務(wù)器同時存儲數(shù)據(jù)模式,當(dāng)主機故障時,備機自動與井下設(shè)備進行通信,實現(xiàn)雙機無縫切換。

8)遠程在線程序下載。通過中心站軟件遠程對井下傳感器、區(qū)域控制器等設(shè)備的程序進行更新。

3.2.3先進的裝備

先進的裝備能夠保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和控制的可靠。先進的裝備主要包括:具有定位功能的數(shù)字量激光傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、無線傳感器、光纖傳感器、采用電磁感應(yīng)+頻譜識別技術(shù)的設(shè)備開停傳感器、多功能區(qū)域控制器和寬頻電源(交流90～1 000 V自切換)等主要設(shè)備。

3.3 服務(wù)精準(zhǔn)

安全監(jiān)控系統(tǒng)安裝、運行正常后,后期主要由礦方進行日常巡檢、調(diào)校、維護和故障處理,系統(tǒng)廠家服務(wù)人員提供技術(shù)支持。當(dāng)系統(tǒng)廠家不能在第一時間提供技術(shù)支持,就不能及時的排除故障,恢復(fù)系統(tǒng)正常運行。因此,有必要成立由第三方專業(yè)機構(gòu)(研究院、研究所)協(xié)助提供的技術(shù)支持,形成強大的技術(shù)支持保障團隊,團隊平時與廠家一起更新系統(tǒng)軟硬件功能,提供優(yōu)化系統(tǒng)布局方案、培訓(xùn)相關(guān)業(yè)務(wù)知識的工作,確保系統(tǒng)功能最智能、使用裝備最前沿、應(yīng)用效果最佳的狀態(tài)[4]。

3.3.1主觀能動性和時效性

主觀能動性又稱服務(wù)升級,主要是指系統(tǒng)廠家服務(wù)人員或第三方服務(wù)機構(gòu)從傳統(tǒng)的被動服務(wù)轉(zhuǎn)為主動服務(wù),即主動定期到礦查看系統(tǒng)運行情況,及時解決存在的疑難故障,了解現(xiàn)場變化情況，及時調(diào)整系統(tǒng)布局,引入最新的技術(shù)和裝備,總結(jié)現(xiàn)場需求,研究適合現(xiàn)場的技術(shù)和裝備。時效性指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)疑難故障后,技術(shù)支持人員應(yīng)第一時間到達現(xiàn)場或通過遠程控制等方式,及時對故障進行分析、提供必要的零配件,在最短的時間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng),使之正常運行。

3.3.2專業(yè)性

借助行業(yè)專家、科研人員、第三方機構(gòu)、系統(tǒng)廠家等平臺,定期對技術(shù)支持人員、維護人員進行精準(zhǔn)培訓(xùn),按照“需要什么培訓(xùn)什么”和“有什么培訓(xùn)什么”進行區(qū)別對待原則,既實現(xiàn)了定制培訓(xùn),又實現(xiàn)了新技術(shù)、新裝備、新標(biāo)準(zhǔn)的宣貫培訓(xùn)。精準(zhǔn)培訓(xùn)的目的是解決受訓(xùn)人員在工作中碰到的痛點,通過不同形式、不同途徑,以研討交流式、案例分析式、模擬式、體驗式等方法開展培訓(xùn),著力解決教學(xué)模式化、套路化、同質(zhì)化的問題,使受訓(xùn)人員感興趣,能聽懂、能入腦、能入心,真正解決工作中存在的問題、達到培訓(xùn)提高業(yè)務(wù)能力的目的[5]。定期在煤礦企業(yè)、第三方機構(gòu)、系統(tǒng)廠家技術(shù)人員之間開展技能競賽活動,形成“趕、學(xué)、比、超”的良好氛圍,加強技術(shù)人員之間的技術(shù)交流,通過競技比賽活動,發(fā)現(xiàn)短板，彌補不足，互通有無，優(yōu)勢互補。

3.4 運維精準(zhǔn)

系統(tǒng)運維是實現(xiàn)“精準(zhǔn)監(jiān)測”的重要環(huán)節(jié),運維主要包括方案的優(yōu)化、線路設(shè)備布局、設(shè)備安設(shè)、移動、延線、調(diào)校、維護、設(shè)備調(diào)試、檢修、軟件升級、故障處理和報表打印等。只有在每一個環(huán)節(jié)中都按規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)流程完成,才能為“精準(zhǔn)監(jiān)測”打下基礎(chǔ)。因此,運維方面需要做到以下五點:

第一,按照礦井實際情況,優(yōu)化建設(shè)方案，實時調(diào)整設(shè)備線路的布局,按要求安裝監(jiān)控設(shè)備的類型和數(shù)量,確保監(jiān)測無盲區(qū);

第二,定期對監(jiān)控設(shè)備的調(diào)校、測試、維修、通信線纜、接線盒進行巡檢，確保監(jiān)控設(shè)備運行正常;

第三,井下監(jiān)控設(shè)備的外部供電電源盡可能地使用專用電源,確保供電電源可靠,定期對監(jiān)控設(shè)備備用電池進行更換;

第四,定期對監(jiān)控機房進行檢查,確保UPS電源、外部交流供電、設(shè)備接地等環(huán)節(jié)可靠,防止因靜電等原因?qū)е卤O(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;

第五,定期對系統(tǒng)軟硬件程序進行更新升級,確保軟硬件無漏洞,定期對管理、操作、維護人員進行針對性的培訓(xùn),熟悉行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指標(biāo),不斷提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)能力和技術(shù)水平。

4 結(jié)束語

綜上所述,要實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的精準(zhǔn)監(jiān)測,首先,在方案設(shè)計、設(shè)備選型和系統(tǒng)建設(shè)過程中做到高標(biāo)準(zhǔn)、高起點,井下按照“一網(wǎng)一站一根線”、地面中心站按照“一張圖一張表”的思路進行系統(tǒng)設(shè)計建設(shè),采用兩級架構(gòu)的傳輸模式，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸環(huán)節(jié),使用先進的多功能區(qū)域控制器、多信息定位無線傳感器以提高系統(tǒng)數(shù)字化、智能化程度。其次,成立專門的信息化(安全監(jiān)控)運維部門,配足專業(yè)的技術(shù)人員,建立健全規(guī)章制度、操作流程,應(yīng)急管理體系。最后,完善運維售后服務(wù)保障、提升專業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能,不斷改進、投入、創(chuàng)新,實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測。