煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)分站以太網(wǎng)傳輸改造

楊 威

(霍州煤電集團(tuán) 煤炭生產(chǎn)管理部， 山西 霍州 031400)

根據(jù)國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》的通知[1](煤安監(jiān)函[2016]5號(hào))文件要求，“十三五”末監(jiān)控分站至主干網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸。但目前部分煤礦仍然采用RS485方式傳輸信號(hào)，急需更換為以太網(wǎng)傳輸，來滿足方案要求。通過對(duì)薛虎溝煤業(yè)監(jiān)控分站進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分站數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸，降低了系統(tǒng)巡檢周期、異地?cái)嚯姇r(shí)間，提高了系統(tǒng)技術(shù)性能及安全穩(wěn)定性。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)概況

霍州煤電薛虎溝煤業(yè)安裝有一套中煤科工重慶研究院生產(chǎn)的KJ90X型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2018年4月開始進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)改造，并于當(dāng)年5月底竣工，2020年5月通過上級(jí)主體企業(yè)驗(yàn)收。地面中心站安裝2臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備，地面安裝1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、井下安裝4臺(tái)本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(型號(hào)為：KJJ15(A))，主、副斜井分別鋪設(shè)一趟光纜，形成冗余光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。各類傳感器到監(jiān)控分站、監(jiān)控分站再到主干網(wǎng)交換機(jī)數(shù)據(jù)傳輸均采用總線型連接，信號(hào)制式為RS485型。井下共安裝監(jiān)測(cè)分站22臺(tái)(型號(hào)為：KJ90-F16(C))、瓦斯傳感器28臺(tái)、一氧化碳傳感器31臺(tái)、饋電斷電器22臺(tái)，其他傳感器按規(guī)定進(jìn)行了安裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下所有采掘工作面等地點(diǎn)24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造后存在的問題

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案要求，各礦井要限期完成煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造。由于時(shí)間緊迫，全國煤礦升級(jí)改造集中，監(jiān)控系統(tǒng)廠商供貨緊張，分站缺少光纖模塊，導(dǎo)致升級(jí)改造的監(jiān)控分站不具備光纖傳輸功能，仍采用電信號(hào)傳輸，存在系統(tǒng)巡檢周期長、異地?cái)嚯姇r(shí)間長、信號(hào)傳輸受變頻設(shè)備影響等問題。同時(shí)，《方案》要求各礦要于2020年完成監(jiān)控分站至主干網(wǎng)數(shù)據(jù)以太網(wǎng)傳輸改造[2]，薛虎溝煤業(yè)面臨監(jiān)控分站以太網(wǎng)升級(jí)改造的問題。

3 監(jiān)控分站以太網(wǎng)改造的具體方案

為降低成本，在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)分站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)。通過在分站預(yù)留接口上增加光模塊，傳輸介質(zhì)由電纜改造為光纖，實(shí)現(xiàn)分站至交換機(jī)以太網(wǎng)傳輸。分站至交換機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)交換機(jī)光口數(shù)量、分站數(shù)量、布線距離的不同進(jìn)行優(yōu)化選擇，主要包括：類星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1 類星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

類星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為交換機(jī)與分站連接采用類似星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3-6]. 由于煤礦采用的KJJ15(A)型礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)具有4個(gè)光口，除去用于組成環(huán)網(wǎng)的2個(gè)千兆光口，只剩余2個(gè)百兆光口用于連接分站。如采用標(biāo)準(zhǔn)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，1臺(tái)交換機(jī)只能帶載2臺(tái)分站，需要增加6臺(tái)交換機(jī)，不僅浪費(fèi)設(shè)備，而且會(huì)增加設(shè)備維護(hù)成本，造成人力及資金的浪費(fèi)。如采用分站通過尾纖串聯(lián)到下一個(gè)分站，可增加交換機(jī)帶載分站的數(shù)量，但是串聯(lián)分站過多會(huì)造成光信號(hào)衰減、分站故障率增加等現(xiàn)象。因此，采用類星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，限制交換機(jī)每組光口串接分站數(shù)量不得超過2臺(tái)，既可以降低分站數(shù)據(jù)傳輸故障率，又可以簡化監(jiān)控系統(tǒng)，降低設(shè)備成本及維護(hù)成本。

3.2 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為先將若干個(gè)分站通過光纖形成分站環(huán)網(wǎng)，再通過兩組網(wǎng)線將分站環(huán)網(wǎng)內(nèi)的2臺(tái)分站與交換機(jī)環(huán)網(wǎng)內(nèi)的2臺(tái)交換機(jī)連接，形成“大環(huán)套小環(huán)”(交換機(jī)環(huán)網(wǎng)套分站環(huán)網(wǎng))的網(wǎng)絡(luò)連接方式[3-6]. 通過環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成雙冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以降低分站數(shù)據(jù)傳輸故障率，而且不受網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)光口數(shù)量限制，每臺(tái)交換機(jī)預(yù)留1個(gè)光口即可使用。薛虎溝煤業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1.

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.3 方案選擇

根據(jù)礦井實(shí)際情況，確定薛虎溝煤業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用以環(huán)形拓?fù)錂C(jī)構(gòu)為主，類星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為輔的混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。地面風(fēng)機(jī)房2臺(tái)分站選取類星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，井下選取環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式連接形成兩個(gè)分站光環(huán)網(wǎng)。隨著測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加，如需增加2臺(tái)以內(nèi)數(shù)量的分站，也可采用類星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如增加分站數(shù)量較多，則應(yīng)優(yōu)先選取環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為合適。

3.4 實(shí)施步驟

1) 根據(jù)設(shè)計(jì)方案中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，在2#煤、10#煤膠帶運(yùn)輸大巷及其他地點(diǎn)完成網(wǎng)線、6芯光纜的鋪設(shè)，并留有備用線路。2) 在地面將改造所用的模塊IP地址進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。3) 將光模塊安設(shè)到監(jiān)測(cè)分站內(nèi)，并連接好線路。4) 完成光纖熔接，將2#煤層采區(qū)16臺(tái)分站、10#煤層采區(qū)內(nèi)6臺(tái)分站用光纖連接形成2個(gè)分站環(huán)網(wǎng)。5) 將環(huán)網(wǎng)內(nèi)其中一臺(tái)主分站通過網(wǎng)線連接至環(huán)網(wǎng)1#交換機(jī)電口，一臺(tái)從分站通過網(wǎng)線連接至最近的另一臺(tái)2#交換機(jī)電口上，形成“大環(huán)套小環(huán)”的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分站至交換機(jī)以太網(wǎng)傳輸。6) 地面風(fēng)機(jī)房內(nèi)的3#分站、8#分站使用光纖串聯(lián)方式再接入地面網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。7) 對(duì)監(jiān)控分站主板固件進(jìn)行升級(jí)，修改分站、監(jiān)控軟件通訊傳輸模式，重新做分站鏈路定義。

4 升級(jí)改造成效分析

4.1 降低監(jiān)控系統(tǒng)巡檢周期

升級(jí)前系統(tǒng)巡檢周期測(cè)試方法：在井下通過遙控器調(diào)整2-1102巷回風(fēng)流甲烷傳感器的測(cè)試值，使其達(dá)到報(bào)警值，并記錄調(diào)整的時(shí)刻(分別記做TT1、TT2、TT3)，保持3 min后恢復(fù)正常工作狀態(tài)，3 min后再次調(diào)整測(cè)試值，如此重復(fù)3次；升井后在系統(tǒng)軟件中找到該甲烷測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄，記錄3次報(bào)警值的時(shí)刻(分別記做TR1、TR2、TR3)，分別計(jì)算TRi到TTi(i取1/2/3)的時(shí)間差，取最大值為系統(tǒng)巡檢周期。

Δti=TRi-TTi

式中：

Δti—系統(tǒng)巡檢周期，s；

TRi—井上系統(tǒng)軟件記錄報(bào)警值時(shí)刻,s；

TTi—井下調(diào)整報(bào)警值時(shí)刻，s.

經(jīng)測(cè)試計(jì)算，系統(tǒng)巡檢周期為8 s. 改造前巡檢周期測(cè)試數(shù)據(jù)見表1.

表1 改造前巡檢周期測(cè)試數(shù)據(jù)表

升級(jí)后系統(tǒng)巡檢周期測(cè)試：使用以上巡檢周期測(cè)試方法，經(jīng)3次測(cè)試系統(tǒng)巡檢周期為1 s. 改造后巡檢周期測(cè)試數(shù)據(jù)見表2.

表2 改造后巡檢周期測(cè)試數(shù)據(jù)表

通過分站以太網(wǎng)傳輸升級(jí)改造前后的系統(tǒng)巡檢周期測(cè)試數(shù)據(jù)來看，改造前系統(tǒng)巡檢周期為8 s，改造后系統(tǒng)巡檢周期為1 s，系統(tǒng)巡檢周期降低了7 s.

4.2 降低異地?cái)嚯姇r(shí)間

升級(jí)前異地?cái)嚯姇r(shí)間測(cè)試方法：選取跨交換機(jī)異地?cái)嚯娮鳛闇y(cè)試樣本，通過遙控器調(diào)整被測(cè)甲烷傳感器的監(jiān)測(cè)值，使其達(dá)到異地?cái)嚯娪|發(fā)數(shù)值0.80% CH4，保持1 min后恢復(fù)傳感器正常工作，如此重復(fù)3次，每次時(shí)間間隔不少于5 min. 出井后，在監(jiān)控系統(tǒng)軟件中找到異地?cái)嚯娛录?次記錄，分別記錄對(duì)應(yīng)斷電器每一次動(dòng)作時(shí)對(duì)應(yīng)饋電狀態(tài)為“無電”的最早時(shí)刻(分別記做TT1、TT2、TT3)；調(diào)取被試傳感器的數(shù)據(jù)記錄表，找到在井下進(jìn)行遙控器設(shè)定的斷電值，分別記錄每個(gè)斷電值出現(xiàn)的最早時(shí)刻(分別記做TD1、TD2、TD3)；分別計(jì)算TTi到TDi(i取1/2/3)的時(shí)間差，取最長時(shí)間為異地?cái)嚯姇r(shí)間[7].

ΔTi=TTi-TDi

式中：

Ti—異地?cái)嚯姇r(shí)間，s；

TTi—斷電器動(dòng)作時(shí)對(duì)應(yīng)饋電狀態(tài)為“無電”的最早時(shí)刻，s；

TDi—斷電值出現(xiàn)的最早時(shí)刻，s.

經(jīng)3次測(cè)試，異地?cái)嚯姇r(shí)間為16 s. 改造前異地?cái)嚯姇r(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)見表3.

表3 改造前異地?cái)嚯姇r(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)表

升級(jí)后異地?cái)嚯姇r(shí)間測(cè)試：使用以上異地?cái)嚯姕y(cè)試方法，經(jīng)3次測(cè)試異地?cái)嚯姇r(shí)間為3 s. 改造后異地?cái)嚯姇r(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)見表4.

通過分站以太網(wǎng)傳輸改造前后異地?cái)嚯姇r(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)分析，改造前異地?cái)嚯姇r(shí)間為16 s，改造后異地?cái)嚯姇r(shí)間為3 s，異地?cái)嚯姇r(shí)間降低了13 s.

4.3 提高安全性、穩(wěn)定性

通過分站以太網(wǎng)傳輸改造，將信號(hào)由原來的電纜傳輸升級(jí)為光纖傳輸，而采用光纖傳輸時(shí)，杜絕了電纜傳輸過程中可能出現(xiàn)的電氣失爆及電磁干擾的問題，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及安全性。

表4 改造后異地?cái)嚯姇r(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 論

通過對(duì)監(jiān)控分站的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)分站至交換機(jī)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)設(shè)備型號(hào)特點(diǎn)將分站至交換機(jī)數(shù)據(jù)傳輸按照類星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩種方式混合連接，降低了系統(tǒng)巡檢周期、異地?cái)嚯姇r(shí)間及升級(jí)改造成本，提高了系統(tǒng)性能及安全可靠性，為煤礦“一通三防”管理提供了穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)監(jiān)控手段。同時(shí)，對(duì)全國其他煤礦和監(jiān)控系統(tǒng)廠家的安全監(jiān)控分站以太網(wǎng)傳輸改造具有重要指導(dǎo)意義。