煤礦安全監(jiān)控教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

洪衛(wèi)東，孫澤宏，周 波，閆 峰

(1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處,安徽 淮南 232001； 3.淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司潘三煤礦安監(jiān)處， 安徽 淮南 232001)

安全監(jiān)測監(jiān)控是安全技術(shù)與管理專業(yè)的一門核心專業(yè)課，學(xué)生主要來源于煤礦生產(chǎn)一線。作為煤礦六大系統(tǒng)之首的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的安全衛(wèi)士，成為煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、高效率、高安全生產(chǎn)的重要保障。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)備更替頻繁，導(dǎo)致教材落后于生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后于生產(chǎn)實(shí)踐，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)不能及時配置。實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后現(xiàn)象造成教師理論授課教學(xué)枯燥，實(shí)踐教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐脫鉤，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性，教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有必然性[1]。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的問題

1.1 存在問題一是系統(tǒng)本身問題。缺乏標(biāo)準(zhǔn)的接口和協(xié)議，傳感器應(yīng)用受限。有些系統(tǒng)，對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行維修的過程中，僅僅可以使用原廠生產(chǎn)的配件。使系統(tǒng)設(shè)備缺乏兼容性、擴(kuò)展性，不利于創(chuàng)新型設(shè)備的應(yīng)用和推廣。造成傳感器的供應(yīng)渠道單一，形成了系統(tǒng)壟斷設(shè)備的惡性循環(huán)。二是系統(tǒng)管理問題。實(shí)驗(yàn)室分站、傳感器較多，管理不方便，維護(hù)問難。傳感器安裝頻繁，沒有條理，學(xué)生理解困難。多系統(tǒng)應(yīng)用，集中布置困難。缺乏先進(jìn)性和實(shí)用性，實(shí)踐教學(xué)與煤礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場不一致。有效資源未利用，如地下仿真采掘工作面。學(xué)生應(yīng)用人數(shù)多，設(shè)備少。

1.2 解決辦法對于系統(tǒng)本身問題，采取老系統(tǒng)保留、新系統(tǒng)配置、多系統(tǒng)融合使用，選擇合適系統(tǒng)分站接口接入傳感器。對于系統(tǒng)管理問題建立多組分站，分組實(shí)驗(yàn)。預(yù)設(shè)參考系統(tǒng)，便于理解。所以，采用樹型數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)建立一套分站、傳感器集中應(yīng)用的系統(tǒng)很有必要。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中始終按照有關(guān)條例為依據(jù)，遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，保證系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠性、先進(jìn)性、實(shí)用性、可擴(kuò)展性及開放性。利用空間：實(shí)驗(yàn)室2間及地下煤礦仿真采掘工作面。圖1為煤礦安全監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D，系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、井下分站、終端三級組成。選取樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⑼ㄓ?，中心站連接一臺交換機(jī)，交換機(jī)連接總線，總線連接n條支路，每條支路連接多臺分站，支路可進(jìn)一步擴(kuò)展更多分站，各個分站端口與傳感器和斷電器等終端設(shè)備相連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸選取樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接方式，易于擴(kuò)展，故障隔離較容易。單條支路出現(xiàn)故障，不影響其它支路數(shù)據(jù)傳輸，一臺分站出現(xiàn)故障，不影響其它分站數(shù)據(jù)傳輸。每臺分站通斷信息在中心站顯示。只用一臺分站時，其它分站電源斷開，使用靈活方便。

圖1 煤礦安全監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D

3 監(jiān)控教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成如圖2所示為煤礦安全監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由虛框①、虛框②、虛框③三部分組成，其中虛框①為地面監(jiān)控中心，由中心站、交換機(jī)、多媒體系統(tǒng)、打印機(jī)等組成，多媒體主機(jī)裝有監(jiān)控系統(tǒng)軟件，能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)時教學(xué)。中心站、多媒體主機(jī)、交換機(jī)用網(wǎng)線連接，并連接互聯(lián)網(wǎng)；虛框②為實(shí)驗(yàn)室，通過RS485總線連接支路1、支路2、支路3三組支路，每條支路通過接線盒連接三臺分站。支路1連接分站1、2、3，支路2連接分站4、5、6，支路3連接分站7、8、9。彼此之間連接通過接線盒、航空線、電纜和端口完成。傳感器和斷電器等在實(shí)驗(yàn)室與分站連接，就近實(shí)驗(yàn)；虛框③為地下仿真采掘工作面，分站與傳感器之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。交換機(jī)擔(dān)負(fù)中心站與分站之間構(gòu)成系統(tǒng)信息傳輸部分，系統(tǒng)主干網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，分站采用RS485總線接入，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力。三個節(jié)點(diǎn)接線盒連接三組分支線，每個分支線三個節(jié)點(diǎn)通過接線盒分別連接每個分站。通訊線路運(yùn)用電纜作為傳輸介質(zhì)，節(jié)點(diǎn)使用防爆接線盒連接。在中心站管理下通過網(wǎng)線、通訊線和航空線實(shí)現(xiàn)中心站與交換機(jī)、交換機(jī)與分站、分站與傳感器、分站與斷電器的信號傳輸，滿足最大傳輸距離要求，地下仿真實(shí)驗(yàn)室傳感器與實(shí)驗(yàn)室分站的傳輸距離在2 km范圍內(nèi)可調(diào)。

圖2 煤礦安全監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)主要有KJ90N、KJ73X和KJ218X三套系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由中心站、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、直流穩(wěn)壓電源,礦用本安型安全監(jiān)控分站、終端傳感器和斷電器等組成[2]。實(shí)驗(yàn)室三臺電腦分別配置KJ90N、KJ73X、KJ218X系統(tǒng)軟件作為中心站。表1為實(shí)驗(yàn)室三系統(tǒng)主要組成和信號傳輸對比。KJ90N系統(tǒng)傳感器到中心站信號傳輸為模擬信號，模擬信號到達(dá)中心站后經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號。KJ73X和KJ218X系統(tǒng)為數(shù)字化改造后的產(chǎn)品，傳感器到中心站傳輸使用RS485數(shù)字信號傳輸，其A/D轉(zhuǎn)換在傳感器內(nèi)完成，從而實(shí)現(xiàn)了中心站、交換機(jī)、分站、傳感器和斷路器(數(shù)字型)之間的全數(shù)字化傳輸。并且KJ218X系統(tǒng)在分站安插16口模擬信號采集板RCCJ-16，既可以接受模擬信號，也可以接受數(shù)字信號。系統(tǒng)在樹形拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下，通過改變中心站，同時改變分站和傳感器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備改造和數(shù)字化更新。

表1 實(shí)驗(yàn)室三系統(tǒng)組成和信號傳輸對比

3.3 電源管理支路1的1號分站、2號分站、3號分站三臺電源箱共用多開關(guān)排插1(支路1開關(guān))；支路2的4號分站、5號分站、6號分站三臺電源箱共用多開關(guān)排插2(支路2開關(guān))；支路3的7號分站、8號分站、9號分站三臺電源箱共用多開關(guān)共用排插3(支路3開關(guān))；排插1、2、3共用多開關(guān)排插4(總開關(guān))。系統(tǒng)啟動：先打開總開關(guān)，再打開中心站，接著打開各支路排插，最后打開各分站電源箱開關(guān)。系統(tǒng)關(guān)閉: 先斷開各分站電源箱開關(guān)，再斷開各支路排插，接著關(guān)閉中心站，最后斷開總開關(guān)。電源使用方便，提高實(shí)驗(yàn)效率。

3.4 中心站中心站主程序流程如圖3所示。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件由主程序和中斷服務(wù)程序組成。主程序的主要功能是中心站能實(shí)時采集由分站所掛接傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控主站。中斷服務(wù)程序的主要功能是進(jìn)行實(shí)時處理，響應(yīng)、執(zhí)行監(jiān)控中心站發(fā)出的各種控制指令，返回執(zhí)行結(jié)果，并根據(jù)需要對設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行控制[3]。中心站軟件主要功能：①測點(diǎn)設(shè)置。設(shè)置分站、傳感器的位置、類型、數(shù)量及其它參數(shù)。②實(shí)時監(jiān)測功能。各種測量數(shù)據(jù)的瞬時值顯示，包括各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況、分站巡檢圖及傳輸系統(tǒng)狀態(tài)、各個測點(diǎn)超限報(bào)警、模擬圖形及工藝過程模擬圖形、實(shí)時時鐘等，并以曲線和柱狀圖兩種方式反映數(shù)據(jù)變化實(shí)時檢測變化。③報(bào)警功能。如某個或者幾個檢測點(diǎn)的變化超過設(shè)定值，能夠及時明確地進(jìn)行實(shí)時顯示、統(tǒng)計(jì)，并可完成本系統(tǒng)內(nèi)歷史報(bào)警的查詢。④權(quán)限管理功能。支持建立不同權(quán)限的帳戶，可以根據(jù)人員分配不同的使用和管理權(quán)限。⑤數(shù)據(jù)存儲及檢索功能。根據(jù)用戶要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，支持按時間，日期等條件的歷史檢索。⑥打印功能。通過中心站可以隨時打印報(bào)表、故障統(tǒng)計(jì)、主要設(shè)備運(yùn)行時間、主要參數(shù)日最大值和日平均值打印等。⑦遠(yuǎn)程訪問。通過中心站連接局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布，進(jìn)行多媒體教學(xué)。

圖3 煤礦安全監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的主程序流程圖

3.5 分站分站對傳感器傳輸信息進(jìn)行處理與控制并將信息傳送到中心站，接受中心站的反饋指令，并根據(jù)預(yù)置參數(shù)，發(fā)出聲光報(bào)警、斷電、閉鎖等信號。分站和傳感器地址號編碼不能沖突，并與中心站測點(diǎn)定義一致[4]。

3.6 斷電器將甲烷傳感器[5]、斷電器連接分站端口，斷電器連接真空電磁啟動器(開關(guān))，真空電磁啟動器連接電動機(jī)。設(shè)置甲烷傳感器的報(bào)警值、斷電值和復(fù)電值，通電檢查系統(tǒng)通訊直到正常。通強(qiáng)電閉合真空電磁啟動器啟動電動機(jī)。通甲烷氣體觀看系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)甲烷濃度達(dá)到報(bào)警點(diǎn)時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號；當(dāng)甲烷濃度低于報(bào)警值以下時，自動解除報(bào)警；當(dāng)甲烷濃度達(dá)到斷電點(diǎn)濃度時，被控區(qū)域動力電源閉鎖，電動機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)甲烷濃度降到復(fù)電點(diǎn)濃度時，自動解鎖，恢復(fù)供電，電動機(jī)運(yùn)行。

3.7 傳輸電纜實(shí)驗(yàn)通訊電纜使用礦用MHYV電纜，最大傳輸距離不大于20km。電纜分布參數(shù)為分布電容≤0.06 μF/km，分布電感≤0.8 mH/km，直流電阻≤12.8Ω/km。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為了證實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行可靠性，2018年3月首次對KJ90N進(jìn)行了組裝和運(yùn)行。數(shù)字改造后，至2022年7月，多次對KJ73X、KJ218X系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。第一次實(shí)驗(yàn)方案:采用上述樹形拓?fù)溥B接圖2相應(yīng)設(shè)備。接入一臺KJ90N系統(tǒng)中心站，一臺數(shù)據(jù)接口交換機(jī)，三組九臺KJ90-F16分站，每臺分站由KDW0.3/660(A)型礦用隔爆兼本安直流穩(wěn)壓電源220伏交流接口供電，每臺分站接入多臺傳感器和一臺斷電器。系統(tǒng)不間斷運(yùn)行40小時之后，查看中心站監(jiān)控軟件有無分站、傳感器及斷電器的故障和中斷數(shù)據(jù)。同時進(jìn)行人為設(shè)置每組分站和傳感器故障及斷電器中斷，判斷軟件數(shù)據(jù)是否與硬件數(shù)據(jù)任務(wù)一致。第二次實(shí)驗(yàn)方案：在圖2基礎(chǔ)上更換KJ73X系統(tǒng)，按支路3連接到地下大型仿真采掘工作面。以設(shè)置采掘工作面瓦斯傳感器實(shí)驗(yàn)為主題，終端使用數(shù)字瓦斯傳感器。主要實(shí)驗(yàn)步驟可分為5步實(shí)施。①進(jìn)行設(shè)備接線：電腦與數(shù)據(jù)接口之間連接、數(shù)據(jù)接口與分站之間接線、分站與傳感器之間連接。②進(jìn)行中心站設(shè)備定義：定義 6#分站，名稱為“掘進(jìn)工作面巷道口分站”；在 6#分站下定義3#高濃度甲烷傳感器，名稱為“掘進(jìn)工作面瓦斯”。 ③進(jìn)行設(shè)備地址號設(shè)置：設(shè)置分站地址號為“6”，設(shè)置傳感器地址號為“3”。④ 檢查設(shè)備通訊狀態(tài)：觀察分站、傳感器、斷電器通訊狀態(tài)是否正常，如不正常排查原因直至通訊正常。⑤對傳感器進(jìn)行調(diào)校和標(biāo)氣校準(zhǔn)：將傳感器在新鮮空氣中預(yù)熱足夠時間，對傳感器遙控調(diào)“零”，調(diào)靈敏度，對瓦斯傳感器報(bào)警值、斷電值和復(fù)電值“三值”進(jìn)行設(shè)置和自檢及通標(biāo)氣校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)表明，KJ73X系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢：功能安全、可靠、穩(wěn)定；設(shè)備完好、輕巧、耐用；友好的軟件操作界面；良好的人機(jī)接口，系統(tǒng)操作維護(hù)簡單；檢測智能精準(zhǔn)高效，異常報(bào)警, 實(shí)時異地控制。第三次實(shí)驗(yàn)方案：在圖2基礎(chǔ)上更換KJ218X系統(tǒng)，在支路2分站運(yùn)行多種傳感器和模擬斷電器，主要實(shí)驗(yàn)傳感器有：高濃度激光甲烷傳感器GJG100J(A)、煤礦用雙向風(fēng)速傳感器GFY15X(A)、礦用一氧化碳傳感器GTH1000、煙霧傳感器GQLQ5、粉塵濃度傳感器GCG1000(A)、設(shè)備開停傳感器GKT5L、礦用溫度傳感器GWD100(A)、風(fēng)筒風(fēng)量傳感器GFT6和礦用風(fēng)門開閉狀態(tài)傳感器GFK50(A)等。通過三次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了圖2煤礦安全監(jiān)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的可行性。通過數(shù)字化改造升級，先進(jìn)傳感技術(shù)及裝備得到了廣泛應(yīng)用，提高了信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。通過KJ218X系統(tǒng)分站加插數(shù)模轉(zhuǎn)換A/D卡，實(shí)現(xiàn)了對模擬終端的兼容。