煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造

楊 帥

（山西高平科興米山煤業(yè)有限公司，山西高平 048400）

0 引言

煤炭作為我國(guó)重要的能源，其需求量隨現(xiàn)代化建設(shè)速度的加快越來(lái)越大，煤炭行業(yè)也發(fā)展迅速[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煤礦開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中瓦斯、火災(zāi)等事故時(shí)有發(fā)生，已成為煤礦行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)，對(duì)礦井內(nèi)瓦斯、設(shè)備等致災(zāi)因子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求[2－3]。傳統(tǒng)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較為落后，不能夠達(dá)到多系統(tǒng)融合的目的，所用傳感器的抗干擾能力不足、數(shù)據(jù)檢測(cè)波動(dòng)大、易損易壞，現(xiàn)已不足以滿足當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的要求[4－6]。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造提高了先進(jìn)的技術(shù)支持，因此，本文結(jié)合礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，參照新安全監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求，開(kāi)展安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦井當(dāng)前在用的安全監(jiān)控系統(tǒng)是型號(hào)為KJ90NB的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，地面監(jiān)控室配置2套監(jiān)控主機(jī)、中控屏以及相關(guān)信息處理設(shè)備，礦井內(nèi)部配置光纖交換裝置、監(jiān)控分站、各種檢測(cè)傳感器。安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成工作面內(nèi)瓦斯、風(fēng)速、煙霧、一氧化碳濃度、負(fù)壓、饋電等監(jiān)控工作，滿足舊標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

由于安全監(jiān)控系統(tǒng)工作環(huán)境較為復(fù)雜，重型機(jī)械設(shè)備繁多，各類傳感器使用過(guò)程中極易因電磁場(chǎng)的干擾出現(xiàn)誤報(bào)警情況；單一的通信接口和協(xié)議，使得安全監(jiān)控系統(tǒng)的融合程度較差，數(shù)據(jù)共享困難，數(shù)據(jù)利用不充分；新標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)礦井的應(yīng)急管理，因現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)舊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)要求較低，技術(shù)性能與應(yīng)急反應(yīng)能力較差；傳感器工作原理落后，不僅是傳感器誤報(bào)警的重要因素，也會(huì)增加傳感器的維護(hù)工作量，尤其是傳感器的標(biāo)定，嚴(yán)重制約了煤礦安全監(jiān)控管理水平的提高。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

針對(duì)現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足之處，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造工作，新安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括井下智能感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和地面煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)等。

井下智能感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，由智能傳感器、智能監(jiān)控分站和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成，全部按照IP65防護(hù)等級(jí)和4級(jí)增強(qiáng)抗電磁干擾等級(jí)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，以提高智能感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作可靠性。

圖1 智能感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)及通信線纜輔件等組成，具體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將井下智能感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至地面安全監(jiān)控系統(tǒng)的工控機(jī)內(nèi)，工作人員根據(jù)中控屏顯示的數(shù)據(jù)參數(shù)，及時(shí)制定自動(dòng)控制指令，之后傳輸至井下控制分站，實(shí)現(xiàn)井下安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制。

圖2 傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

新型安全監(jiān)控系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備當(dāng)屬數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，其內(nèi)部配置的高低直接關(guān)系著監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的速度和效率，決定安全監(jiān)控應(yīng)急處置的時(shí)效性和可靠性。該處數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的設(shè)置采用了雙機(jī)熱備份方式，其最突出的優(yōu)勢(shì)就是一旦數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障，備用主機(jī)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)接管主機(jī)接收的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，避免安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的中斷和丟失，甚至導(dǎo)致整個(gè)礦井作業(yè)停滯，影響煤礦企業(yè)的煤炭產(chǎn)量和效率。

（2）多應(yīng)用服務(wù)器

新型安全監(jiān)控系統(tǒng)中的多應(yīng)用服務(wù)器主要涉及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)、視頻接入、多業(yè)務(wù)分析等，其設(shè)計(jì)選型的依據(jù)主要是考慮抗干擾能力、抗震動(dòng)能力、惡劣環(huán)境適應(yīng)性、工作的可靠性等因素，采用性能最穩(wěn)定、抗病毒干擾能力更強(qiáng)的操作系統(tǒng)，將其進(jìn)行加固處理之后運(yùn)用于新型安全監(jiān)控系統(tǒng)，完成應(yīng)急業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)、視頻接入、Web訪問(wèn)等功能，其中多應(yīng)用服務(wù)器均按照IP65防護(hù)等級(jí)和4級(jí)增強(qiáng)抗電磁干擾等級(jí)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的安全和穩(wěn)定。

（3）全面提升后備電源供電能力

按照新標(biāo)準(zhǔn)《煤礦安全規(guī)程》的要求，為了提高礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的及時(shí)處理存儲(chǔ)，需要延長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)備用電源的供電能力。此處要求系統(tǒng)的備用電源能夠滿足不小于4 h的連續(xù)供電，預(yù)防煤礦開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)突然斷電問(wèn)題，導(dǎo)致檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)不能及時(shí)存儲(chǔ)而丟失。延長(zhǎng)備用電源供電時(shí)間也能夠保證整個(gè)系統(tǒng)在斷電情況下繼續(xù)進(jìn)行礦井內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)控，避免煤礦再次開(kāi)采時(shí)井下環(huán)境情況未知的情況，降低產(chǎn)生安全事故產(chǎn)生的可能。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，新媒體為人們提供了一個(gè)自由傳播信息的公共平臺(tái)，人們?cè)谶@個(gè)平臺(tái)上不僅能快速獲取自己所需的信息，還能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息的傳遞與共享，加大信息的流動(dòng)性。此外，數(shù)字信息在各種媒體間的自由傳播，無(wú)形間形成了一個(gè)由互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備、電視等多種形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)傳播環(huán)境，成功打破了傳統(tǒng)媒體在信息封閉與信息壟斷方面的束縛，讓公眾可以自由搜索或分享自己所需的資源信息，對(duì)提高我國(guó)高校教學(xué)質(zhì)量具有一定的推動(dòng)作用。

（4）監(jiān)控主機(jī)設(shè)置

監(jiān)控主機(jī)是完成礦井內(nèi)安全監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)視的重要設(shè)備，工作人員通過(guò)操作監(jiān)控主機(jī)能夠得到礦井內(nèi)部實(shí)時(shí)狀態(tài)，并且可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析確定下一步的控制計(jì)劃，因此將監(jiān)控主機(jī)設(shè)置在煤礦的監(jiān)控中心。需要時(shí)監(jiān)控主機(jī)能夠配置多種基于C/S或B/S的安全業(yè)務(wù)監(jiān)管軟件，具有很好的兼容性，實(shí)現(xiàn)礦井內(nèi)部安全因素的全方位監(jiān)控。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

新型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要依據(jù)煤礦生產(chǎn)作業(yè)實(shí)際需求完成，為了提高系統(tǒng)的通用性，預(yù)留了多個(gè)數(shù)據(jù)接口，采用了通用協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有很好的兼容性。同時(shí)系統(tǒng)中建立了科學(xué)合理的監(jiān)控分析與判斷準(zhǔn)則模型，能夠完成礦井內(nèi)部引起瓦斯、火災(zāi)等事故因素的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和超標(biāo)報(bào)警等功能。通過(guò)對(duì)原有安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造，補(bǔ)充完善了以下功能。

（1）智能診斷分析

新安全監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下各個(gè)監(jiān)測(cè)位置的數(shù)據(jù)采集，而且增加了智能診斷分析功能，系統(tǒng)能夠智能判斷井下觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，根據(jù)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其關(guān)聯(lián)性大小，完成井下設(shè)備運(yùn)行、通風(fēng)狀況、致災(zāi)因子之間的異常診斷，確定數(shù)據(jù)異常可能產(chǎn)生的原因及位置，提高礦井作業(yè)過(guò)程中異常問(wèn)題的及時(shí)處理，保證生產(chǎn)作業(yè)的安全。

（2）構(gòu)建安全監(jiān)控系統(tǒng)綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)

新型安全監(jiān)控系統(tǒng)建立了一套綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)多維度直觀監(jiān)視礦井內(nèi)部作業(yè)環(huán)境中的關(guān)鍵參數(shù)和控制指標(biāo)數(shù)據(jù)，達(dá)到了礦井內(nèi)部作業(yè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的全面性，彌補(bǔ)了單因素監(jiān)測(cè)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)不確定的不足，通過(guò)綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完成礦井內(nèi)部安全監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制，提升了煤礦企業(yè)的安全管理和問(wèn)題處置能力。

新型安全監(jiān)控系統(tǒng)借助先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)煤礦開(kāi)采設(shè)備建立電子檔案，實(shí)現(xiàn)對(duì)其全壽命周期內(nèi)的安全監(jiān)控，并且能夠根據(jù)設(shè)備的電子檔案及其實(shí)際運(yùn)行情況，指導(dǎo)煤炭企業(yè)制定適宜的設(shè)備管理規(guī)程和相關(guān)制度，做到采煤設(shè)備的高效管理，保證設(shè)備運(yùn)行的安全可靠。

（4）自診斷系統(tǒng)

新型安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置了自校驗(yàn)、自評(píng)價(jià)體系，當(dāng)?shù)V井內(nèi)部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，確定數(shù)據(jù)異常產(chǎn)生的可能原因，結(jié)合系統(tǒng)完善的報(bào)警斷電機(jī)制，發(fā)出數(shù)據(jù)異常報(bào)警信號(hào)，包括瓦斯涌出報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警等，自動(dòng)做出斷電處理，保證礦井工作面的安全。

3.3 安全監(jiān)控多系統(tǒng)融合與聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控多系統(tǒng)融合與聯(lián)動(dòng)作為新型安全監(jiān)控系統(tǒng)最為突出的特點(diǎn)，既滿足了我國(guó)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》的要求，又是對(duì)于傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)單一化數(shù)據(jù)采集處理模式的更新，順應(yīng)了現(xiàn)代化煤礦安全作業(yè)模式的需要。該系統(tǒng)融合了礦井工作人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)，并且相互之間聯(lián)動(dòng)控制，具體的相應(yīng)流程如圖3所示，很好地實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)控的全方位管理與控制，確保整個(gè)煤礦安全管理工作的全面落實(shí)。

圖3 安全監(jiān)控多系統(tǒng)融合與聯(lián)動(dòng)響應(yīng)流程

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證安全監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)效果，將其應(yīng)用于某礦井安全監(jiān)控工作當(dāng)中，在安全監(jiān)控連續(xù)運(yùn)行的3個(gè)月內(nèi)，給出了甲烷傳感器改進(jìn)前后的數(shù)字信號(hào)實(shí)測(cè)值，可以看出改進(jìn)之前數(shù)據(jù)存在明顯的波動(dòng)，并且出現(xiàn)了異常變化值，可能原因是傳感器存在信號(hào)干擾或者出現(xiàn)了外界擾動(dòng)，但是改進(jìn)之后的系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性很好，未出現(xiàn)較大的波動(dòng)峰值，成功解決了傳感器誤報(bào)警的問(wèn)題。同時(shí)新系統(tǒng)使用過(guò)程中能夠很好地完成煤與瓦斯突出報(bào)警、自動(dòng)診斷評(píng)估，多系統(tǒng)融合應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等功能，改進(jìn)效果顯著。

圖4 甲烷傳感器改進(jìn)前后的數(shù)字信號(hào)實(shí)測(cè)值

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，參照安全監(jiān)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)要求，開(kāi)展了新型礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造升級(jí)工作。在現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上新增了智能感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和地面煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)等，完成了總體方案的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)融合監(jiān)控的目的。之后開(kāi)展了安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)工作，應(yīng)用結(jié)果表明，新型安全監(jiān)控系統(tǒng)提高了傳感器采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，提高了安全監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力，達(dá)到了多系統(tǒng)協(xié)同監(jiān)控的目的，取得了很好的改進(jìn)效果。