煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造

蘇科科

（山西晉煤集團晉圣坡底煤業(yè)有限公司機電管理部 山西省晉城市 048006）

國家煤礦安監(jiān)局組織制定《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》，該方案要求煤礦在用的安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)進行升級改造。由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境比較惡劣，為確保安全監(jiān)控設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運行，應(yīng)當(dāng)保證升級改造方案的可行性和可操作性。借此，下面以某煤礦為例，對安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造過程進行分析探討。

1 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

某煤礦現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)為KJ95N 型，雙機熱備份，主機故障后，備用機能夠在5min 內(nèi)投入運行。其他安裝有有線通信系統(tǒng)，可提供傳統(tǒng)的調(diào)度功能，語音廣播與無線通信系統(tǒng)目前尚未安裝，礦井并未建設(shè)工業(yè)環(huán)網(wǎng)。依據(jù)煤安監(jiān)函〔2016〕5 號的要求，由相關(guān)專家對該煤礦現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)進行評估，根據(jù)評估結(jié)果為該系統(tǒng)升級改造提供依據(jù)。本次評估結(jié)果如下：該煤礦現(xiàn)有的KJ95N型安全監(jiān)控系統(tǒng)在軟件數(shù)據(jù)應(yīng)用分析、融合聯(lián)動、報警斷電等方面，傳感器在數(shù)字化、防護等級、抗電磁干擾以及故障自診斷等方面，監(jiān)控分站、防爆電源在抗干擾等方面，均與《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的要求不符。據(jù)此提出如下建議：對安全監(jiān)控系統(tǒng)進行更換，實現(xiàn)人員定位系統(tǒng)的融合與聯(lián)動。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造方案

2.1 升級改造方案的設(shè)計原則

在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造方案設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾點原則：

2.1.1 安全性原則

2.1.2 可靠性原則

升級改造后的安全監(jiān)控系統(tǒng)要選用性能優(yōu)、質(zhì)量高、技術(shù)先進的設(shè)備，以確保能夠全年全天候不間斷運行。系統(tǒng)中的所有設(shè)備及線路應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)煤礦井下惡劣的環(huán)境，如高溫、高壓、高瓦斯等，并且要具備足夠的抗干擾能力，這樣才能確保整個系統(tǒng)的運行可靠性。

2.1.3 可擴展性原則

升級改造后的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠支持本地與遠程訪問，在這兩種情況下，操作人員應(yīng)當(dāng)能夠從屏幕上觀察到相關(guān)的監(jiān)控數(shù)據(jù)。系統(tǒng)要有良好的人機交互界面，并實現(xiàn)文字符號化、數(shù)據(jù)圖形化。同時，整個系統(tǒng)要有配置、告警以及安全管理等基本功能。

2.2 系統(tǒng)的改造方案

由于煤礦現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)在諸多方面都無法滿足相關(guān)要求，經(jīng)過研究之后決定引入一套新的安全監(jiān)控系統(tǒng)，即KJ823X，該系統(tǒng)已取得新的煤安標(biāo)志證書，并且與升級條件完全相符，本次更新改造的內(nèi)容包括以下幾個方面：監(jiān)控服務(wù)器、軟件、分站、傳感器以及傳輸線纜。具體的改造方案如下：

2.2.1 機房內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的改造

煤礦機房內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的更新改造以煤安監(jiān)函〔2016〕5 號和AQ6201-2006 為依據(jù)，新系統(tǒng)選用的是KJ823X 安全監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控主機共兩臺，一主一備，型號為華北工控（IPC-610）；核心交換機1 臺，采用的是IES5028-4GS 系列產(chǎn)品。在機房內(nèi)配備了UPS電源，即不間斷電源，如果交流電源因故障斷電，UPS 會自行啟動，并為中心站設(shè)備提供不少于8h 的電能供應(yīng)。同時在機房內(nèi)配備網(wǎng)絡(luò)防火墻，保證網(wǎng)絡(luò)運行的安全性。

移動應(yīng)用的類型選擇確定了其開發(fā)模式，開發(fā)模式的確定影響著技術(shù)棧的選擇，技術(shù)棧的選擇影響著開發(fā)團隊的建設(shè)；反之，開發(fā)團隊的技術(shù)積累會影響技術(shù)選型和開發(fā)模式，進而影響移動應(yīng)用的類型選擇。

2.2.2 監(jiān)控分站的改造

由于煤礦現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控分站抗干擾能力與《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中的有關(guān)規(guī)定要求不符。故此，需要更換為與KJ823X 關(guān)聯(lián)的礦用本安型監(jiān)控分站，關(guān)鍵參數(shù)如下：電源的輸入電壓為12V，電流在800mA 以內(nèi)，并具有煤安標(biāo)志及防爆證書；通訊接口為上下行，上行4 路，2 路百兆光接口，2 路百兆RJ45 接口，下行11 路，其中獨立隔離型CAN 接口6 路，隔離型485 接口1 路，DI 接口4 路；顯示方式為液晶屏（5 寸彩顯）；分站支持的總線型傳感器的接入數(shù)量為20，不限類型，分站與傳感器之間的最大通信距離為6.0km。

2.2.3 分站電源設(shè)備的改造

煤礦現(xiàn)有系統(tǒng)的監(jiān)控分站電源備用電池的供電時長為2h，與《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中給出的4h 規(guī)定要求不符。因此，要將電源更換為與KJ823X 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的電源設(shè)備。新電源的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如下：電源的輸入為127V-660V，輸出為3 路本安型電源，其中1 路可為監(jiān)控分站提供穩(wěn)定的工作電源，另外兩路則為傳感器提供電源，最高的輸出電壓為28V。當(dāng)交流斷電時，電源能夠持續(xù)工作4h 以上，電源設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備煤安標(biāo)志及防爆證書。電源要自帶交直流切換，時間應(yīng)≤500ms，并且還要帶有自動恢復(fù)功能，故障后能自行恢復(fù)工作。電源可以對如下監(jiān)測信息進行上傳：交直流供電狀態(tài)、電池工作狀態(tài)及電量等。

2.2.4 傳感器的升級改造

煤礦現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)在傳輸、防護以及抗電磁干擾等方面均與《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中給出的規(guī)定要求不符。因此，需要更換為與KJ823X 系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的傳感器，以CAN 總線進行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器的技術(shù)特征如下：傳輸數(shù)字化、分級報警、井下在線標(biāo)校等，防護等級為IP65，且具有煤安標(biāo)志。

2.2.5 網(wǎng)絡(luò)與線纜的改造

對煤礦中原有的光纜加以充分利用，組建成一個監(jiān)測環(huán)網(wǎng)，起點設(shè)置在調(diào)度樓，經(jīng)由主斜井至甩車場敷設(shè)一根光纖，即地面上1臺核心交換機，井下中央變電所1 臺交換機，煤倉臨時配電點1 臺交換機，通過光纖實現(xiàn)兩兩連接。監(jiān)控分站與環(huán)網(wǎng)交換機之間采用MGXTW-4B 型光纖，監(jiān)控分站與現(xiàn)場傳感器之間的通信線纜更換為具有屏蔽層的通信電纜；監(jiān)控分站的電源線纜采用礦用阻燃橡套電纜，煤礦井下設(shè)備使用的電纜均為阻燃型且具有煤安標(biāo)志。

2.3 新系統(tǒng)的主要功能

煤礦升級改造后的安全系統(tǒng)（以下簡稱新系統(tǒng)），除了符合《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的相關(guān)規(guī)定要求之外，還具備諸多功能，如數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字化、抗電磁干擾、報警與斷電控制、分級報警、邏輯報警、支持多網(wǎng)多系統(tǒng)融合、數(shù)據(jù)格式規(guī)范、綜合數(shù)據(jù)應(yīng)用分析、系統(tǒng)運行維護與管理、報表打印、應(yīng)急聯(lián)動、自診斷、電源管理、圖表顯示等等。

2.4 多系統(tǒng)融合

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造是一項復(fù)雜的工作，其中涵蓋的內(nèi)容比較多，上至系統(tǒng)主機、下至傳感器，因此需要考慮安全類監(jiān)測系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合問題。多系統(tǒng)融合是比較可行的解決方案，包括地面“一礦一圖”式信息顯示，井下聯(lián)動報警、應(yīng)急救援指揮以及井下設(shè)備數(shù)據(jù)與信息融合。在本次升級改造中，融合模塊通過專有數(shù)據(jù)接口與人員定位系統(tǒng)之間形成互聯(lián)互通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)多系統(tǒng)的信息融合，以圖形的方式對相關(guān)數(shù)據(jù)進行顯示，便于直觀了解井下情況。多系統(tǒng)融合的方式有兩種，一種是地面，另一種是井下，在本次升級改造中，采用的是地面加井下的融合方式，前者為軟件融合，后者是對人員定位系統(tǒng)的融合。為滿足多系統(tǒng)融合需要，單獨為融合平臺設(shè)計1 臺核心交換機，并配置一套軟件，系統(tǒng)可在礦井GIS 圖上，實現(xiàn)相關(guān)的可視化操作與管理。

3 煤礦新系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

3.1 新系統(tǒng)安裝與現(xiàn)場管理

3.1.1 設(shè)置管理機構(gòu)

為確保新系統(tǒng)安裝的順利進行，煤礦應(yīng)建立相應(yīng)的管理機構(gòu)，包括領(lǐng)導(dǎo)組，可由機電副礦長擔(dān)任組長，機電部部長擔(dān)任常務(wù)副組長；由監(jiān)測隊隊長擔(dān)任監(jiān)控組組長，監(jiān)控工為組員，主要負責(zé)配合廠家進行系統(tǒng)安裝與調(diào)試；通風(fēng)部部長擔(dān)任井下通風(fēng)組的組長，該部門的職工兼組員，重點負責(zé)系統(tǒng)調(diào)試運行期間的井下瓦斯等氣體監(jiān)測。

3.1.2 安裝準(zhǔn)備

在正式開始安裝前，應(yīng)當(dāng)做好相關(guān)的檢測與調(diào)試與工作，可以采用直觀檢查的方法，并對傳感器進行本質(zhì)安全電源試驗。同時，還要進行通氣、指示與跟蹤、線性、報警、斷電、停測等試驗。安裝時應(yīng)當(dāng)對如下事項加以注意：安全監(jiān)控設(shè)備的供電電源必須取自被控開關(guān)的電源側(cè)，不得接在負荷側(cè)；所有與安全監(jiān)控設(shè)備相關(guān)聯(lián)的電氣設(shè)備、電源線等，在改線或是排除故障時，應(yīng)由機電部與項目部共同處理；在斷電范圍內(nèi)，嚴(yán)禁設(shè)置隔爆本安型電源；在原系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行的情況下，對新系統(tǒng)進行安裝時，應(yīng)使新舊系統(tǒng)一并運行，并在新系統(tǒng)通過驗收且穩(wěn)定運行90 天后，對舊系統(tǒng)進行拆除。

3.1.3 明確設(shè)備在井下的安裝位置

在煤礦井下各個監(jiān)控分站的硐室中設(shè)置時應(yīng)墊支架，隔爆本安型電源應(yīng)當(dāng)設(shè)置在采區(qū)的變電所中，不得設(shè)置在斷電范圍內(nèi)、低瓦斯作業(yè)面和回風(fēng)巷以及井下掘進作業(yè)面內(nèi)；甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器應(yīng)當(dāng)以垂直懸掛的方式進行設(shè)置，與頂板之間的距離應(yīng)當(dāng)保持在300mm 以內(nèi)，與巷道側(cè)壁之間的距離應(yīng)當(dāng)保持在200mm 以上；風(fēng)速傳感器應(yīng)當(dāng)設(shè)置在巷道前后10m 無分支風(fēng)流、無拐彎、無障礙、斷面無變化且能夠準(zhǔn)確計算風(fēng)量的地方；煙霧傳感器可設(shè)置在煤礦井下帶式輸送機滾筒下風(fēng)側(cè)10-15m 的位置處；斷電器應(yīng)當(dāng)安裝在被控開關(guān)的附近，二者之間的距離不宜過遠。其它傳感器的安裝可以參考現(xiàn)行AQ1029 等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。

3.1.4 監(jiān)測與監(jiān)控范圍

根據(jù)新的《煤礦安全規(guī)程》，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，對安全監(jiān)測與監(jiān)控內(nèi)容進行落實，并對回風(fēng)巷道、主要風(fēng)道、采掘作業(yè)面進行現(xiàn)場監(jiān)測，以此來實現(xiàn)瓦斯超限自動報警、斷電，故障閉鎖、斷電器反饋檢測，各個監(jiān)測環(huán)節(jié)均可自動進行記錄。新系統(tǒng)能夠以列表的形式，對各個傳感器的監(jiān)測值以及故障情況進行實時顯示，并能夠打印各種監(jiān)測報表。同時，新系統(tǒng)還能對礦井生產(chǎn)、運輸設(shè)備進行24h 連續(xù)不間斷地監(jiān)測，對工作、停止時間進行統(tǒng)計。

3.2 系統(tǒng)升級改造的實施

3.2.1 實施步驟

本次系統(tǒng)升級改造采用的是新舊兩套系統(tǒng)并列運行的方式，對不同的區(qū)域在規(guī)定的時間內(nèi)逐一升級改造，具體的實施思路如下：先完成系統(tǒng)軟件及環(huán)網(wǎng)的建設(shè)，然后按照片區(qū)完成監(jiān)控分站、電源、傳感器等設(shè)備的更換。對系統(tǒng)專用的千兆工業(yè)以太網(wǎng)進行建設(shè)，為保證舊系統(tǒng)的正常運行，并測試新系統(tǒng)對各類傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在監(jiān)控室搭建一個安全監(jiān)控系統(tǒng)平臺，使新舊系統(tǒng)的軟件以并列的方式運行，同時對各個測點的甲烷、一氧化碳等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，在新系統(tǒng)驗收前，保證舊系統(tǒng)的正常使用與數(shù)據(jù)上傳；采用分階段、分區(qū)域的方法，對監(jiān)控分站、電源以及傳感器進行更換，并對不具備斷電控制功能的監(jiān)控分站及傳感器進行優(yōu)先改造，逐步接入到新系統(tǒng)當(dāng)中；與煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)進行對接，從而實現(xiàn)多系統(tǒng)融合與聯(lián)動；新系統(tǒng)試運行30 天左右，確認穩(wěn)定之后，將舊系統(tǒng)拆除掉，正式投入新系統(tǒng)并完成數(shù)據(jù)上傳。

3.2.2 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

新系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作包括三個部分，即井下設(shè)備、井上設(shè)備和系統(tǒng)總體調(diào)試。在對井下設(shè)備進行安裝調(diào)試時，重點是監(jiān)控分站的電源以及各種傳感器，需要與井上聯(lián)調(diào)之后方可進行現(xiàn)場安裝。在具體安裝時，可以監(jiān)控分站作為單位，邊安裝、邊調(diào)試，確保分站與主機之間的通信正常；所有的傳感器全部按照方案中給出的位置進行安裝和調(diào)試，保證編號正確、測值與狀態(tài)正常，通訊穩(wěn)定。井上設(shè)備放到指定位置處安裝后需要進行現(xiàn)場調(diào)試，確保調(diào)試好的設(shè)備運行正常。當(dāng)系統(tǒng)總體調(diào)試完畢后，應(yīng)當(dāng)達到規(guī)定的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

綜上所述，依據(jù)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中的規(guī)定要求，煤礦應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)進行升級改造，在具體的實施過程中，要保證改造方案的合理性、可行性及可操作性，同時要做好系統(tǒng)及設(shè)備的安裝與調(diào)試工作，從而使新系統(tǒng)能夠順利投入使用。