淺談安全監控系統升級改造的必要性

王傳林 霍潤閣

（山東裕隆礦業集團有限公司唐陽煤礦，山東 濟寧 272508）

1 唐陽煤礦安全監測監控系統概況

唐陽煤礦于2006年投入使用了江蘇三恒科技集團有限公司研發的KJ70型礦井安全監測監控系統，2007年嚴格按《煤礦安全監控系統通用技術要求（AQ6201-2006）》和《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范（AQ1029-2007）》要求對此系統進行了升級改造（型號：KJ70N），安裝了KJ70N-F型監控分站和KDW17型礦用隔爆兼本安型不間斷電源，配置了KDW1140型礦用隔爆兼本安型斷電器，實現了瓦斯電和風電閉鎖的全部功能，配置安裝了瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、溫度、負壓、氧氣、饋電、風筒狀態、風門開關、設備開停等傳感器，可對全礦井下環境參數及全礦各主要生產環節的生產過程進行實時數據采集、傳輸、處理、顯示、記錄、打印。監控主、備機安裝在調度室，主、備機可在5min內自動切換，系統配備了UPS電源，電源、網絡端有完善的防雷裝置，各種數據能準確地上傳集團公司。

2 升級改造的依據

（1）《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（煤安監函〔2016〕5號）；

（2）《安全生產信息化總體建設方案及相關技術文件的通知》(安監總科技〔2016〕143號)；

（3）《煤礦安全生產在線監測聯網備查系統通用技術要求和數據采集標準（試行）》（安監總廳規劃〔2016〕138號）；

（4）山東省煤礦安全監察局《關于印發山東煤礦安全監控系統升級改造技術方案實施標準的通知》（魯煤監技裝（2017）70號）。

3 現系統存在的問題及系統升級改造的必要性

通過對照《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》等相關規定進行自查，唐陽煤礦現運行的安全監控系統存在問題較多。

（1）安全監控系統主干傳輸采用RS485總線進行數據傳輸，尚未建立工業以太網，不能滿足國家煤礦安全監察局《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（以下簡稱文件）“系統主干網應采用工業以太網”的要求。

（2）安全監控系統設備傳感器采用模擬傳輸技術，不能實現傳感器及執行器的工作狀態識別及故障自診斷，造成監測數據可靠性差，不能滿足文件關于“模擬量傳感器至分站的有線傳輸采用工業以太網、RS485、CAN”的要求。

（3）安全監控系統設備抗電磁干擾性較弱。井下電磁環境惡劣，監控系統設備有時受到強電磁干擾，出現數據漂移、誤差等現象。達不到① 地面設備3級靜電抗擾度試驗，評價等級為A；② 2級電磁輻射抗擾度試驗，評價等級為A；③ 3級脈沖群抗擾度試驗，評價等級為A；④ 交流電源端口3級、直流電源與信號端口1級浪涌（沖擊）抗擾度試驗，評價等級為B。

（4）安全監控系統的系統參數指標有待提高，如系統的巡檢周期、異地斷電時間、工作面甲烷傳感器的傳輸距離等。唐陽煤礦安全監控系統巡檢周期為14s，已接近文件“系統巡檢周期不超過20s”的規定，根據礦井開拓延伸以及采掘變化，增加分站后，不能滿足文件要求。

（5）安全監控系統個別傳感器防護等級為IP54，不能滿足文件關于“將采掘面傳感器的防護等級由IP54提升到IP65”的規定。

（6）安全監控系統分站電源不能滿足文件關于“備用電池能維持斷電后正常供電由2h提升到4h，更換電池要求由僅能維持1h時必須更換，提高到僅能維持2h時必須更換”的規定。

（7）安全監控系統不具備加密存儲功能，不能滿足文件關于“對采掘工作面等重點區域的瓦斯超限、報警、斷電信息應進行加密存儲，采用MD5、RSA加密算法對數據進行加密，確保數據無法被破解篡改”的規定。

（8）安全監測系統與人員定位、調度通信、井下廣播等沒有實現統一平臺和聯動功能。出現瓦斯超限或人員闖入禁區等無法及時報警。不能滿足文件關于“在瓦斯超限、斷電等需立即撤人的緊急情況下時，可自動與應急廣播、通信、人員定位等系統的應急聯動”的要求。

（9）安全監控系統甲烷傳感器均為催化元件傳感器，不能滿足文件關于“推廣使用架構簡單系統以及激光、紅外等低功耗傳感器、自診斷型傳感器”的要求。

（10）安全監控系統軟件已具備自診斷功能，但不夠全面，不能滿足文件關于“實現系統定期的自診斷、自評估，能夠預先發現系統在安裝使用中存在的問題”的要求。

（11）安全監控系統軟件不具有大數據的分析與應用功能，不能滿足文件關于“①偽數據標注及異常數據分析；②瓦斯涌出、火災等的預測預警；③大數據分析，如多系統融合條件下的綜合數據分析等；④可與煤礦安全監控系統檢查分析工具對接數據”的要求。

（12）系統沒有實現分級報警，不能根據瓦斯濃度大小、瓦斯超限持續時間、瓦斯超限范圍等，設置不同的報警級別，實施分級響應。

（13）安全監控系統上傳通信協議采用文本協議，省局采用FTP上傳，不能滿足統一數據格式的要求。

綜上所述，原監控系統存在的問題較多，已經遠遠不能滿足“以人為本”的安全監管和應急處置要求，只有對系統進行改造，才能提高安全監控系統的準確性、靈敏性、可靠性、穩定性和易維護性，從而進一步發揮安全監控系統的安全保障作用，提升事故防控預警和應急處置能力。

4 安全監控系統升級改造設計方案

唐陽煤礦安全監控系統升級改造是在原KJ70N系統的基礎上進行的，改造后的新系統為江蘇三恒科技集團有限公司生產的KJ70X煤礦安全監控系統，該系統的軟硬件均符合《煤礦安全監控系統升級改造方案》的所有要求。

4.1 總體思路

4.1.1 地面中心站

地面中心站配備2臺IBM服務器作為系統主、備機使用，將現有監控主、備機軟件升級為最新系統軟件，安裝3臺工控機用做與各系統的聯動和WEB發布，以滿足國家煤礦安監局《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的技術要求。根據山東省煤礦安全監察局的相關要求，地面調度機房配備2臺以太環網核心交換機和1臺24口可網管交換機，做到數據實時上傳。

4.1.2 井上下傳輸網絡建設

建設全礦井工業以太網，在地面中央變電所、洗選廠、副井上井口和抽風機房各安設1臺工業以太網交換機，在-305水平（副井下井口）、-410水平（-410泵房變電所）、-610水平（-610變電所）、-520水平（-520變電所）和二采區南部泵房分別安設1臺礦用隔爆型工業以太網交換機，分站就近接入以太網交換機，分站到傳感器采用礦用阻燃通信電纜實現RS485數字傳輸，滿足相關要求。

4.1.3 更換分站及電源

為實現安全監控系統傳輸的數字化，將礦井所有的監控分站全部更換升級為數字傳輸的KJ770-F5分站。所配置的監控電源全部更換為具有采集模塊的智能電源，能夠實時將電源的各項供電參數傳輸到井上監控主機，并滿足備用電源續航4h的要求。

4.1.4 更換部分傳感器

該礦現裝備的傳感器防護等級為IP54，均為僅支持模擬量傳輸的各類傳感器，按規定更換防護等級達到IP65、采用RS485傳輸的傳感器。

4.2 具體實施

山東省煤礦安全監察局下發的《關于印發山東煤礦安全監控系統升級改造技術方案實施標準的通知》（魯煤監技裝〔2017〕70號）是在國家煤礦安全監察局《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》（煤安監函〔2016〕5號）的基礎上進行的解讀和細化，對煤礦安全監控系統的升級改造起到了很好的指導作用。唐陽煤礦嚴格按照文件的要求，對系統軟硬件進行升級。

4.2.1 傳感器數字化改造方案

（1）根據要求分別在一個采煤工作面和兩個掘進工作面安裝使用支持RS485數字傳輸的激光甲烷傳感器。

GJG100J煤礦用高濃度激光甲烷傳感器用于檢測煤礦井下空氣中的甲烷含量。它是一種智能型檢測儀表，自帶溫度補償等功能,且所有功能均可通過遙控器來實現,具有精度高、穩定可靠、使用方便等特點, 并與KJ70X等煤礦監測監控系統配套使用。

主要技術指標：

① 防爆型式：本質安全兼隔爆型，標志“Exib I Mb”

② 測量范圍：0～100%CH4

③ 輸出信號：

電流范圍：4mA DC～20mA DC

頻率范圍：200～1000Hz（脈沖寬度大于0.3ms）

RS485信號：2400bps（高電平不小于3V，低電平不大于0.5V）

④ 防護等級：IP65

（2）其它作業地點按照《煤礦安全規程》要求布置安裝RS485數字傳輸的甲烷傳感器，傳感器各項指標均符合升級改造要求。

（3）在礦總回風巷、一翼回風巷、采區回風巷安裝使用RS485數字傳輸的雙向風速傳感器。

GFC15X礦用雙向風速傳感器（以下簡稱傳感器）是江蘇三恒科技集團有限公司生產的新一代超聲波風速風向傳感器。傳感器采用數字信號處理濾波技術，傳感器具有聲光、風速上限、風速下限報警功能，且報警值可在量程范圍內隨意設置。

主要技術指標：

① 防爆形式：Exib I Mb

② 測量范圍：風速0.4～15m/s；風向正反方向

③ 防護等級：IP65

④ 輸出信號：

電流：1～5mA 或 4～20mA

頻率：200～1000Hz

RS485：2400bps

（4）在礦總回風巷、一翼回風巷、采區回風巷和采煤工作面回風巷安裝使用RS485數字傳輸的煤礦用一氧化碳傳感器。

GTH1000一氧化碳傳感器（以下簡稱傳感器）是礦用連續檢測礦井下一氧化碳濃度的高精度儀表。傳感器能夠實時地測量并顯示礦井下的一氧化碳濃度，根據濃度值的大小產生聲光報警信號，并輸出與一氧化碳濃度相對應的485數字信號。

主要技術指標：

① 量程范圍：（0～1000）×10-6CO。

② 輸出信號：

頻率：200～1000Hz、5～15Hz

電流：4～20mA或1～5mA

RS485：傳輸速率2400bps

③ 防護等級：IP65

（5）目前該礦所使用的數字式溫度傳感器支持RS485數字傳輸，防護等級已經達到IP65要求，不再另行改造。其它開關量傳感器風筒、開停等傳感器防護級不滿足IP65的，采用更換外殼方式進行改造。

4.2.2 分站數字化改造方案

（1）新老分站對比

新老分站對比如表1所示。

表1 新老分站對比表

本次升級采用KJ770-F5分站，隨著改造進度，進行逐臺升級、更換。

（2） 數據傳輸

監控分站與傳輸接口之間的傳輸(RS485)端口1路；監控分站以太網電口傳輸端口2路。

最大傳輸距離：

① 監控分站到傳感器、斷電器、聲光報警器：2km；

② 監控分站到485通訊傳感器：2km；

③ 監控分站到無線通訊傳感器：50m；

④ 監控分站到數據傳輸接口：10km；

⑤ 監控分站以太網電口距離：100m。

（3）最大監控容量

① 16路信號輸入（模擬量信號、開關量信號互換、RS485型數字信號輸入）；

② 1路累計量信號輸入；

③ 無線信號：32 路；

④ 6路控制量輸出；

⑤ 防護等級：IP65。

4.2.3 電源改造方案

將井下KDW17型礦用隔爆兼本安型電源全部更換為KDW660/24BJ礦用隔爆兼本安型智能電源，確保后備持續供電4h。電源監測擴展功能：可實時監測電源箱的供電狀態、電池組的輸出電壓、電流、電池組的充電電壓、電流是否正常，通過監測計算還可實時顯示備用電池的電量。

KDW660/24BJ礦用多路隔爆兼本安直流穩壓電源參數：

（1）防爆型式：隔爆兼本質安全型Ex d[ib]I。

（2）輸入：

① 電壓：1組660V/380V，2組220V/127V；

② 頻率：50Hz；

③ 電壓波動范圍：75%～110%。

（3）放電時間：不小于4h。

（4）觸點形式：常開或常閉。

（5）顯示與控制：液晶顯示，三路電壓和電流，電池狀態，時間，控制芯片溫度，交直流供電指示，饋電狀態指示，主備電源供電指示。

（6）開關量輸入信號：輸入高電平時應不小于2.5V，輸入低電平時應不大于1.0V，高電平對應邏輯“1”；低電平對應邏輯“0”。

（7）繼電器接點容量：AC660V/0.35A（阻性負載）；AC127V/1.5A（阻性負載）；AC36V/5A（阻性負載）。

（8）電池：鎳氫D8000，24V/8Ah（20節串聯）。

4.2.4 數據傳輸主干網改造方案

系統主干網采用工業以太環網，監控分站就近接入工業以太網交換機，通過工業以太網交換機上傳數據。交換機全部選用赫斯曼千兆網絡交換機。

4.2.5 增強抗電磁干擾能力

系統分站、傳感器、斷電器等設備采用了增強電磁抗干擾技術。用吸能元件來吸收干擾產生的能量，抑制干擾產生的高電壓，另外還有電源隔離與儲能等措施。使其達到（1）靜電抗擾度3級試驗，評價等級為A（地面設備）；（2）電磁輻射抗擾度2級試驗，評價等級為A；（3）脈沖群抗擾度3級試驗，評價等級為A；（4）浪涌（沖擊）抗擾度交流電源端口3級、直流電源與信號端口1級試驗，評價等級為B。

KJ70X與新標準對比如表2所示。

表2 KJ70X與新標準對比表

KJ70X煤礦安全監控系統多項試驗均高于國家標準要求。

4.2.6 系統軟件改造方案

（1）完善報警、斷電等控制功能

系統實現分級報警，根據瓦斯濃度大小、瓦斯超限持續時間、瓦斯超限范圍等，設置不同的報警級別，實施分級響應。

推行邏輯報警，根據巷道布置及瓦斯涌出等的內在邏輯關系，實施邏輯報警，促進各類傳感器的正確安裝、設置、維護，監控系統的正常使用。

完善就地斷電功能，提高斷電的可靠性，并加強饋電狀態監測。推行區域斷電，可由煤礦企業根據井下供電系統的實際情況進行設置。

KJ70X系統實現特殊情況下遠程本地、異地區域斷電，用戶可根據需要自行設定斷點區域。

（2）支持多網多系統融合、應急聯動

多系統的融合采用地面方式。在地面統一平臺上融合環境監測、人員位置檢測、應急廣播等系統。在瓦斯超限斷電等需要立即撤人的緊急情況下，安全監控系統與應急廣播、通訊、人員位置監測等系統進行應急聯動。

（3）增加自診斷、自評估功能

系統軟件增加自診斷、自評估功能，能夠預先發現系統在安裝使用中存在的問題。自診斷程序具有以下功能：

① 模擬量傳感器維護、定期未標校提醒；

② 模擬量傳感器、控制器、電源箱等設備及通信網絡的工作狀態；

③ 系統可實現防爆電源遠程監控；

④ 中心站軟件自診斷，包括雙機熱備、數據庫存儲、軟件模塊通信。

KJ70X安全監控系統提供自診斷管理軟件，可以對系統軟件的運行環境（包括操作系統、雙機熱備、數據庫及必要組件等軟件環境）、CPU內存硬盤等硬件指標是否達到要求進行診斷。同時系統可以通過軟件對傳感器與分站的通信質量進行監測，可以分析出傳感器傳輸是否受到干擾等。

（4）加強數據應用分析

升級后的安全監控系統具有大數據分析與應用功能，包括以下內容：

① 偽數據標注及異常數據分析。KJ70X安全監控系統軟件，內置通訊異常識別代碼，分別代表不同類型的異常情況。例如，03號代碼表示分站通訊有誤碼，可以幫助快速查找及解決問題。亦可根據傳感器參數的上升速率等指標，來判斷是否存在偽數據。當突然傳來高數值的時候，可以在短時間內再次巡檢該分站，確認數據的真實性等。

② 系統具有瓦斯涌出、火災預測預警專用軟件。瓦斯涌出與火災等預測預警與安全監控系統兼容，可通過接口與安全監控系統對接，系統利用各項參數的歷史數據，進行系統的大數據分析。

③ 大數據分析。系統具有信息融合功能，根據融合的系統不同，可以分析出不同的信息。比如，電力監控系統與產量結合，可以分析設備或區域的工效。通過對比井下各處的風速參數，結合風系監測系統的數據，可以對井下通風情況進行評估。

④ 可與煤礦安全監控系統檢查分析工具對接數據。具備數據對接接口。

（5）增加加密存儲要求

為有利于安全監管監察和企業安全管理，對采掘工作面等重點區域的瓦斯超限、報警、斷電信息應進行加密存儲，KJ70X系統采用RSA加密算法對數據進行加密，防止數據被篡改。

（6）提升系統性能指標

① 系統巡檢周期不超過20s。通過多路并發上傳，系統巡檢時間將小于10s；

② 異地斷電時間不超過40s。系統通過軟件實現異地斷電，斷電時間小于20s；

③ 備用電源能維持斷電后正常供電時間由2h提升到4h，更換電池要求由僅能維持1h時必須更換，提高到僅能維持2h時必須更換。KDW660/24BJ電源后備電池可達4h，同時具有遠程監控功能。

④ 模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%。實施數字化傳輸后，不存在誤差。

⑤ 分站的最大遠程本安供電距離（在設計工況條件下）實行分級管理，分別為2km、3km、6km。通過提高本安供電電壓至24V，傳感器支持DC24V工作，同時傳感器采用低功耗MCU、傳感元件模塊化設計理念使得電源到傳感器的距離可以高達6km。

5 結語

通過此次安全監控系統升級改造，提升了礦井的風險預警與防控能力。新裝備和數字傳輸新技術的應用，使安全監控系統故障率大幅降低，增強了系統的抗電磁干擾能力，系統冒大數、誤報警現象基本杜絕，安全隱患預警的準確率也將得到顯著提升。為礦井構建多主并發、對等通信的高速率和冗余數據傳輸平臺，實現多系統融合創造了有力的條件。增強了大數據的分析和應用，提高了安全監控系統的可靠性、穩定性，將極大地提升唐陽煤礦的安全生產管理水平。