分布式安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用分析

宋劍飛

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048400）

隨著安全技術(shù)水平的提高，我國(guó)煤礦安全現(xiàn)狀有了很大的改善，但總體形勢(shì)依然嚴(yán)峻。安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)作為煤礦六大系統(tǒng)之首，為保障煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮出了重要作用。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，目前煤礦機(jī)械化設(shè)備升級(jí)改造加速，安全監(jiān)控系統(tǒng)檢索內(nèi)容增加明顯，現(xiàn)有傳輸方式已經(jīng)難以滿足安全生產(chǎn)保障得到需要，導(dǎo)致報(bào)警信息內(nèi)容不全、速度較慢，對(duì)監(jiān)測(cè)效果和應(yīng)急處置方案的制定有一定影響[1]。

針對(duì)上述問(wèn)題，唐安煤礦根據(jù)對(duì)本礦實(shí)際情況的調(diào)研分析，基于無(wú)主采集的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念及分布式控制的策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)革新與升級(jí)。

1 唐安煤礦原有安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題

隨著唐安煤礦開(kāi)采水平的提高，機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化設(shè)備的使用大幅增加，對(duì)本礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的負(fù)載也越來(lái)越大，原先可以避免的問(wèn)題被逐步暴露出來(lái)。

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性不足。井下機(jī)電設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜，隨著智能化設(shè)備的陸續(xù)投入，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其抗電磁干擾的能力較弱；同時(shí)防護(hù)等級(jí)低，當(dāng)水汽較多時(shí)容易出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象，導(dǎo)致冒大數(shù)、偽數(shù)據(jù)上傳至地面終端。

（2）配置缺失，性能偏弱。原安全監(jiān)控系統(tǒng)由于投入使用時(shí)間較長(zhǎng)，部分配置已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在的使用要求。數(shù)據(jù)方面，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)自我診斷、自我篩選和自我恢復(fù)的功能；信息傳遞方面，由于供電線路的載荷較差，同時(shí)模擬量傳輸數(shù)級(jí)較大，存在一定的延遲和誤差，同時(shí)存在異地?cái)嚯姇r(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，約為巡檢周期的2倍。

（3）零部件問(wèn)題。部分原件、傳感器由于長(zhǎng)期磨損，存在一定老化現(xiàn)象；井下串并聯(lián)系統(tǒng)布線廣泛，融合性較差，線纜重復(fù)鋪設(shè)，不利于應(yīng)急聯(lián)動(dòng)作業(yè)。

2 新型安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)改造

本次安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造將以唐安煤礦現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，以經(jīng)濟(jì)高效、安全穩(wěn)定為原則，對(duì)新舊兩套系統(tǒng)并行使用，分步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連通試運(yùn)行，最終達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

KJ95X型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括井下和地面兩部分，具體如圖1所示[2]。

圖1 KJ95X型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

地面部分：即主要信息展示層，包括軟件系統(tǒng)的管理和硬件的集合，設(shè)備方面以地面監(jiān)測(cè)主（副）機(jī)為主，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、信息收發(fā)和軟件操控等功能。通過(guò)KJJ14傳輸接口連接各個(gè)分電纜至井下，共同構(gòu)成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的主干路。功能上，監(jiān)測(cè)主機(jī)以依次查詢的方式對(duì)監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在地面主屏顯示。同時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)配置有報(bào)警、斷電等異常信息處理模式，監(jiān)控人員可根據(jù)所提示的異常信息進(jìn)行及時(shí)處理，確保煤礦安全生產(chǎn)。

井下部分：即安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的重點(diǎn)工程，在設(shè)備的更換中采取分時(shí)、分節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行施工。為提高數(shù)字化的傳輸速率，提升防護(hù)等級(jí)及抗干擾能力，需要對(duì)井下傳感器進(jìn)行全面更換。所更換傳感器具有即插即用、自行修復(fù)、異常提醒的多元功能；在采掘機(jī)位置安裝低功耗激光甲烷傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)

KJ95X型安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)軟件內(nèi)部的易維性、擴(kuò)展性及開(kāi)放性進(jìn)行了升級(jí)，具體體現(xiàn)在：

（1）高性能監(jiān)控分站。對(duì)井下的監(jiān)控分站將基于16位ARM嵌入式技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)分站的數(shù)據(jù)采集、信息處理和顯示控制效率有了極大的提高。實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，可以在2s內(nèi)完成瓦斯斷電的控制工作[3]。

（2）硬件設(shè)備功耗降低。在保障設(shè)備載動(dòng)能力的前提下，對(duì)硬件設(shè)備的功耗和傳感器的靈敏度進(jìn)行了優(yōu)化。因此當(dāng)在本礦長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，可以減少設(shè)備的安裝、搬運(yùn)和維護(hù)的工作量。

（3）不間斷電源功能升級(jí)。井上下所連接的不間斷電路除了具備基本的電壓、電流、電容和工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)顯示功能外，還支持將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測(cè)主機(jī)。

（4）傳感器實(shí)時(shí)標(biāo)校。技術(shù)人員可以對(duì)監(jiān)測(cè)主（副）機(jī)、監(jiān)控（分）站、傳感器上設(shè)置及解除標(biāo)校狀態(tài)，避免了只能依靠監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行設(shè)置的不便情況。

2.3 系統(tǒng)分布式控制技術(shù)

KJ95X型安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，按功能進(jìn)行多模塊的劃分。首先在實(shí)際使用過(guò)程中有很好的擴(kuò)展性，可以避免原集中控制系統(tǒng)對(duì)電控箱高度依賴的狀況；其次分布式控制技術(shù)的主電控箱采用隔爆兼本安型設(shè)計(jì)，支持與相關(guān)的本安設(shè)備關(guān)聯(lián)使用，具有良好的可操控性。具體由以下層級(jí)構(gòu)成：

（1）中央控制層。中央控制層是礦井電控系統(tǒng)的中樞大腦，以中央控制器和其附帶的輸入/輸出接口為主。中央該控制層的核心處理器具備A／D轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、向量中斷等功能模塊，通信性能強(qiáng)大、抗干擾性強(qiáng)。

（2）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)對(duì)已實(shí)現(xiàn)智能化控制的設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的傳遞和收集，由信息傳感器、本安操作箱等設(shè)備組成。主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、隔離與調(diào)理分配。更新后的硬件電路以低功耗、低溫度的單片機(jī)為核心，對(duì)設(shè)備的執(zhí)行效率和響應(yīng)速度做了大幅提升，并重點(diǎn)集成了更加豐富的外設(shè)模塊、擴(kuò)展了通訊協(xié)議。

（3）系統(tǒng)應(yīng)用層。系統(tǒng)應(yīng)用層的硬件設(shè)備包括專用控制箱和專用驅(qū)動(dòng)箱，主要工作在于對(duì)電動(dòng)機(jī)、變頻器、照明燈、語(yǔ)音報(bào)警等設(shè)備進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)。專業(yè)控制箱是一種高度集成的專業(yè)設(shè)備，直接控制電機(jī)、變頻器、饋電開(kāi)關(guān)等設(shè)備。幫助操作人員完成所設(shè)定的簡(jiǎn)單控制作業(yè)，具有豐富的I／O接口。專用控制箱將提供漏電檢測(cè)、隨時(shí)啟停等，并對(duì)過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)載進(jìn)行預(yù)警上報(bào)，對(duì)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行雙重保護(hù)。

3 系統(tǒng)巡檢周期與斷電時(shí)間實(shí)測(cè)試驗(yàn)

KJ95X型安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)安裝完成后，需要進(jìn)行試運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)。新系統(tǒng)總計(jì)接入24臺(tái)監(jiān)控分站，每臺(tái)監(jiān)控分站接入12臺(tái)傳感器與斷電器，根據(jù)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造產(chǎn)品檢驗(yàn)方案的權(quán)威要求，對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行40d的不間斷運(yùn)行試驗(yàn)，并根據(jù)公式（1）對(duì)系統(tǒng)巡檢周期進(jìn)行計(jì)算[4]。

式中：t——系統(tǒng)巡檢周期，s；

N——分站數(shù)，取24；

T1——全部監(jiān)測(cè)分站所連接的所有測(cè)點(diǎn)同時(shí)報(bào)警，報(bào)警信號(hào)到達(dá)主機(jī)顯示完畢的停止時(shí)間，據(jù)試驗(yàn)測(cè)得取4.2s；

T2——1臺(tái)監(jiān)測(cè)分站滿載工況的巡檢時(shí)間，試驗(yàn)測(cè)得取1.5s。

經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)巡檢周期為5.68s，另外對(duì)斷電時(shí)間進(jìn)行了實(shí)測(cè)，本地?cái)嚯姇r(shí)間為1.8s，異地?cái)嚯姇r(shí)間為4.5s，實(shí)測(cè)時(shí)間均滿足AQ6201-2006的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化后的系統(tǒng)符合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于保障煤礦的安全高效生產(chǎn)意義重大，對(duì)此，分布式控制系統(tǒng)的加入更是有著良好的應(yīng)用前景。根據(jù)唐安煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的應(yīng)用通過(guò)對(duì)采掘設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，不僅有助于煤礦采掘設(shè)備的智能化發(fā)展，還對(duì)當(dāng)事故發(fā)生后的應(yīng)急措施制定有參考價(jià)值。升級(jí)后的系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性方面有了顯著提升，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與通信可靠性，減少了因通信問(wèn)題導(dǎo)致的事故發(fā)生的概率。