井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汪圣良

摘要：目前，煤礦都會(huì)配備安全監(jiān)控系統(tǒng)，以確保礦井安全。在分析煤礦對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)具體需求的基礎(chǔ)上，對(duì)其總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，安全監(jiān)控系統(tǒng)主要可以劃分為井下環(huán)網(wǎng)、主機(jī)房和集中調(diào)度中心3大部分。系統(tǒng)具備豐富的功能模塊，其中最核心和關(guān)鍵的功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、報(bào)警模塊和顯示模塊。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的組態(tài)化功能和網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況。將設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到井下實(shí)踐中，效果良好，能夠很好地監(jiān)測(cè)井下各項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，為保障井下安全奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：煤礦井下;安全監(jiān)控;系統(tǒng)設(shè)計(jì);瓦斯?jié)舛?/p>

中圖分類(lèi)號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0253—03

0引言

當(dāng)前，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭資源的依賴(lài)程度居高不下，每年都需要開(kāi)采大量的煤炭資源，以順應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，促進(jìn)了煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，采煤效率不斷提升。此外，國(guó)家也越來(lái)越重視煤炭開(kāi)采過(guò)程中的安全問(wèn)題。在此背景下，煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)所發(fā)揮的作用日益凸顯。崔麗玲研究設(shè)計(jì)了煤礦空氣壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)變頻器和控制器的使用，使壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性和效率顯著提升;王曉艷研究了主變電所無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦中的實(shí)踐應(yīng)用情況，通過(guò)技術(shù)改造，顯著提升了煤礦生產(chǎn)的安全性和供電的可靠性?？梢钥闯觯踩O(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前煤礦企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前已有的關(guān)于監(jiān)控系統(tǒng)的研究主要集中在礦井各個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，并沒(méi)有做到統(tǒng)籌兼顧，缺乏全面性。

本文在充分考慮礦井實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，兼顧多方面因素，研究設(shè)計(jì)了安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)井下的狀態(tài)，使井下各項(xiàng)參數(shù)均保持在安全范圍以?xún)?nèi)。如果井下部分狀態(tài)參數(shù)超過(guò)了安全范圍，系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警報(bào)，工作人員可以及時(shí)排除安全隱患，從而提升礦井的安全程度。該研究對(duì)于更好地掌握礦井運(yùn)行狀態(tài)，提升礦井運(yùn)行的可靠性和安全性具有重要的實(shí)踐意義。

1煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全重視程度的不斷提升，井下安全監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為煤礦的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。結(jié)合煤礦實(shí)際情況，監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各種環(huán)境狀態(tài)參數(shù)以及采煤設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可以運(yùn)用專(zhuān)業(yè)傳感器感知井下各類(lèi)參數(shù)，并通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面監(jiān)控中心，自動(dòng)研判井下安全狀態(tài)，從而降低井下安全人員的工作量和負(fù)擔(dān)。位于地面監(jiān)控中心的安全人員能夠?qū)崟r(shí)掌握井下各項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)存在安全隱患，就可以及時(shí)采取措施對(duì)隱患進(jìn)行排除。

2安全監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體方案。從圖中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)總體上可以劃分成為3大部分，分別為井下環(huán)網(wǎng)、主機(jī)房和集中調(diào)度中心。其中井下環(huán)網(wǎng)的作用是基于各類(lèi)專(zhuān)業(yè)傳感器對(duì)井下的環(huán)境狀態(tài)參數(shù)以及主要采煤設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè);集中調(diào)度中心的作用就是接收井下環(huán)網(wǎng)采集得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，并基于設(shè)定的算法程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，進(jìn)而研判井下安全狀態(tài)，并將相關(guān)結(jié)果通過(guò)打印機(jī)進(jìn)行展示。一旦分析發(fā)現(xiàn)井下存在安全隱患，系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)器發(fā)出警報(bào)。集中調(diào)度中心處理后的數(shù)據(jù)信息需要傳輸至主機(jī)房中，存儲(chǔ)在服務(wù)器中。后續(xù)可以根據(jù)實(shí)際需要從服務(wù)器中調(diào)取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.2主要功能設(shè)計(jì)

圖2所示為井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能框。從圖中可以看出，系統(tǒng)整體上包含10個(gè)功能模塊，其中最為核心和關(guān)鍵的模塊主要是數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊等。以下對(duì)幾種關(guān)鍵的功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

對(duì)井下各項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集是實(shí)現(xiàn)礦井安全監(jiān)控的基礎(chǔ)和前提。該模塊主要由控制器和傳感器構(gòu)成，通過(guò)控制器對(duì)傳感器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的采集?？梢詫?duì)下述3類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集：一是甲烷濃度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、溫度、風(fēng)速和風(fēng)壓等;二是礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、通風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)、風(fēng)筒和風(fēng)門(mén)等的運(yùn)行狀態(tài);三是礦井瓦斯抽放量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）控制模塊

當(dāng)安全系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)礦井存在安全隱患時(shí)，需要通過(guò)控制模塊做出必要的安全保護(hù)動(dòng)作。比如當(dāng)?shù)V井瓦斯?jié)舛瘸^(guò)安全限度時(shí)，控制模塊需要通過(guò)下達(dá)指令對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行斷電處理，特殊情況下也可以直接由地面監(jiān)控中心通過(guò)手動(dòng)方式切斷井下設(shè)備供電。可對(duì)瓦斯泵的啟動(dòng)與停機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)井下瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低時(shí)，則可以停止運(yùn)行瓦斯泵以節(jié)省電能。相反的，當(dāng)瓦斯?jié)舛容^高時(shí)，則需要控制瓦斯泵啟動(dòng)，以降低井下瓦斯?jié)舛却笮?，確保礦井安全。

（3）報(bào)警模塊

安全監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采集得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理后，發(fā)現(xiàn)井下某些數(shù)據(jù)信息超過(guò)了安全范圍時(shí)，基于報(bào)警模塊可以利用擴(kuò)音器向外發(fā)出警報(bào)，以提示工作人員及時(shí)進(jìn)行處理，避免小隱患引發(fā)大的安全事故。

（4）顯示模塊

該模塊主要是對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，可以顯示的內(nèi)容主要包括時(shí)間、地點(diǎn)、名稱(chēng)等。操作人員可以選擇某項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，進(jìn)而繪制該項(xiàng)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的演變曲線。

3系統(tǒng)組態(tài)化功能及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)組態(tài)化功能

組態(tài)化功能是指系統(tǒng)用戶按照自身實(shí)際使用需要，對(duì)系統(tǒng)的部分界面和功能進(jìn)行設(shè)置，并且將設(shè)置好的基本情況進(jìn)行保存。在后續(xù)使用過(guò)程中，操作人員就可以根據(jù)保存的界面和功能對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行瀏覽或者查閱。該功能可以滿足用戶的個(gè)性化需求，使系統(tǒng)更加適合操作人員的使用習(xí)慣。圖3所示為安全監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)化功能設(shè)計(jì)。從圖中可以看出，安全監(jiān)控系統(tǒng)的管理員可以基于組態(tài)化功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)元素屬性和編輯環(huán)境的修改，同時(shí)還可以根據(jù)自身使用習(xí)慣，對(duì)圖片組件、打開(kāi)和保存方式、預(yù)覽功能等進(jìn)行自定義。

3.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

進(jìn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該充分利用礦井現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，以降低系統(tǒng)建設(shè)的成本投入，同時(shí)還需要遵循一些基本的原則，比如易用性原則、拓展性原則、先進(jìn)性原則等。在充分分析安全監(jiān)控系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，可以將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為兩個(gè)層面，分別為集團(tuán)層面和煤礦層面，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出分布式框架結(jié)構(gòu)，兩個(gè)層面之間通過(guò)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行連接。集團(tuán)內(nèi)部不同礦井之間可以通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的相互傳輸與共享。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用的是光纖，完全能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣燃捌淇煽啃院头€(wěn)定性。圖4所示為安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最底層主要由兩大部分構(gòu)成，分別為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心就是各類(lèi)專(zhuān)業(yè)傳感器，傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面監(jiān)控中心。由于礦井環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，為了確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性，井下基于單向數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)涉及到局域網(wǎng)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，兩種網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)FTP技術(shù)和DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接。

4實(shí)踐應(yīng)用效果分析

將本文設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，取得了良好的應(yīng)用效果。該系統(tǒng)可以對(duì)礦井中關(guān)鍵部位的通風(fēng)情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，基于礦井內(nèi)不同位置的通風(fēng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)礦井通風(fēng)量和風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，提升了通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于不同位置瓦斯?jié)舛鹊难葑兦闆r，可以分析判斷礦井內(nèi)部不同區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊挠砍鲆?guī)律，系統(tǒng)可提前預(yù)測(cè)潛在的瓦斯風(fēng)險(xiǎn)，并采取措施進(jìn)行處理。對(duì)溫度和一氧化碳濃度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可以研判礦井內(nèi)潛在的自然發(fā)火位置，因?yàn)楫?dāng)一氧化碳濃度和環(huán)境溫度達(dá)到一定程度時(shí)，就有出現(xiàn)自然發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)，這樣井下人員就可及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，將潛在的井下火災(zāi)扼殺在萌芽階段。對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠保證通風(fēng)系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并處理，避免通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)故障威脅礦井安全?；谝陨戏治隹梢钥闯?，將安全監(jiān)控系統(tǒng)利用到煤礦實(shí)踐中，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦井存在的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，并立即發(fā)出警報(bào)以提示工作人員及時(shí)進(jìn)行處理。在安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用下能夠避免小隱患引發(fā)大的煤礦安全事故，在保障礦井安全方面發(fā)揮著非常重要的作用。

5結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)家日益重視煤礦安全的大背景下，井下安全監(jiān)控系統(tǒng)已然成為各礦井企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置之一，在保障礦井安全方面發(fā)揮著不可或缺的作用。本文在分析煤礦實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體上可以劃分成為3大部分，分別為井下環(huán)網(wǎng)、主機(jī)房和集中調(diào)度中心，各部分發(fā)揮著不同的作用。系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計(jì)，具有豐富的功能，其中最主要的模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、報(bào)警模塊和顯示模塊;詳細(xì)介紹了安全監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)化功能以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況;將設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，能夠?qū)赂黜?xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控，為礦井在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并處理問(wèn)題奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。