煤礦安全監控系統精準監測實現途徑探討

何云文, 張 明

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037;2.神華烏海能源有限責任公司黃白茨煤礦,內蒙古 烏海 016000)

我國所有井工煤礦均安裝了安全監控系統,對煤礦井下環境中的有毒有害氣體(瓦斯、一氧化碳、硫化氫、二氧化碳)及設備運行狀態(主扇、局扇、水泵)實時監測。出現有毒有害氣體濃度超限時,傳感器及地面中心站進行報警提示,并切斷井下相關區域內非本質安全型電氣設備的電源,為煤礦的安全生產提供保障。但是,一方面由于缺少獨立的運行維護部門和運行維護技術人員,缺少規范的管理制度、操作流程,缺少對運維人員專業性的培訓,實現精準監測存在困難;另一方面,在系統設計建設時,采用傳統的“以太環網平臺+總線”三級傳輸模式[1],該系統使用傳統的監控分站和傳感器,輸出信息單一,系統數字化、智能化程度較低,受井下使用環境的制約,難以實現精準監測。隨著監控技術的不斷發展,現場對監測數據和控制狀態的準確性、及時性、安全性的需要日益提高,有必要對安全監控系統精準監測的途徑和技術裝備進行深入的研究,以促進安全監控技術智能化發展,為煤礦的災害治理提供更加真實可靠的數據依據。

1 安全監控系統的現狀

目前,國內主流的安全監控系統主要由中心站部分(主機、備機、監控軟件、SQL Server數據庫、打印機、錄音電話、UPS電源、電源避雷器)、數據傳輸部分(網絡交換機、通信光纜)、數據采集部分(監控分站、區域控制器、防爆電源)、終端感知部分(各種傳感器、報警器、饋電斷電器)等設備組成[2]。系統主通訊采用“以太環網平臺+總線”架構傳輸方式,從終端感知部分至中心站部分,中間經過監控分站、網絡交換機等環節的數據轉換,形成三級架構傳輸模式。系統具有模擬量(甲烷、一氧化碳、溫度)和開關量(設備開停、饋電、風門)的數據采集、傳輸、存儲、處理、顯示、查詢、打印、報警和控制等功能,可實現甲烷超限聲光報警、斷電閉鎖和風電閉鎖控制的作用。不同礦井由不同的部門(通風科、調度室、機電科、生產科、信息中心)負責日常設備安設、調校、巡檢、故障處理等工作。

2 安全監控系統存在的主要問題

1)系統管理部門不統一、制度不健全、流程不規范。由于各公司、各煤礦企業自身實際情況不同,導致系統管理部門不統一,分別歸屬于生產調度中心、機電科、通風科、生產科和信息中心等部門中的區隊或工作組,沒有獨立的部門對系統做中長期整體建設的規劃。缺少相關規章制度、操作流程,或規章制度、操作流程的內容空洞、脫離實際、可操作性不強。規章制度沒有進行統一歸檔管理,日常調校、維護、安設操作流程不規范。

2)技術裝備智能化程度較低。目前礦井使用的安全監控系統,基本都是采用傳統的網絡交換機、監控分站、各類傳感器和斷電控制器組成的“以太環網平臺+總線”三級構架傳輸模式,數據在傳輸過程轉換環節較多，數據采集轉換環節如圖1所示。

圖1 安全監控系統數據采集轉換環節框圖Fig.1 Flow chart of data collection and conversion in safety monitoring system

安全監控分站功能單一:只能通過RS485或CAN信號采集監控傳感器信號,只能通過RS485或CAN信號與上級設備通信；緩存空間較小無中斷續傳功能；不具備故障自診斷自排除功能；傳感器智能化程度較低，只能輸出實時數據或設備運行狀態,自身狀態及參數不能輸出，如主板故障、元件故障、供電電壓、維護、生產日期和運行時長等不能輸出；傳感器無在線調校、遠程維護、定位、自診斷和自排除等功能；傳感器檢測誤差較大,特別是采用催化原理的甲烷傳感器受到高瓦斯沖擊,長期在有硫化氫的氣體環境中運行,在本安電壓供電不足或傳感器處于臨界工作狀態時,傳感器檢測值忽高忽低,時有誤報警的情況，在有瓦斯涌出,傳感器數據突變時,人為地將傳感器移動位置或采取措施時,也導致傳感器檢測值不準確；系統容錯能力較差(中心站軟件時有報錯窗口彈出、中心站軟件連接不上數據庫、不能查詢),設備兼容、可容性較差(系統、設備已經對端口進行固定,不能接入其它廠家的設備)；地面與井下采用單向通信模式(中心站逐一巡呼井下監控分站,采用一呼一答模式,當井下有突發情況時,井下監控分站無優先呼叫地面中心站的權利)導致人機對話(互動)處于初級階段。

3)售后服務的時效和效果較差。由于目前各礦使用不同廠家的安全監控系統,廠家技術支持服務人員有限,基本處于被動服務狀態,即煤礦出現疑難故障時,廠家技術人員才提供遠程或現場技術支持服務。這個過程需要較長時間,廠家不能第一時間對問題進行分析處理,有的系統廠家甚至處于破產階段,沒有技術支持人員。因此,處于被動服務或無服務狀態的情況下,服務效果是較差或有限的。

4)監控運維隊伍及業務能力參差不齊。煤礦的運維隊伍是保障系統正常運行的主力軍,目前，大部分礦井存在運維人員配備嚴重不足,專業技術人員較少,人員技能參差不齊的情況。另外，現有運維人員由于對相關行業標準要求了解不夠,導致設備安設不規范、維護不到位、系統故障處理不及時、內業資料填寫不及時不完善、巡檢不到位等情況的發生。

3 精準監測的實現途徑

針對以上安全監控系統存在問題,根據安全監控系統最新的裝備、技術,結合煤礦現場的管理、應用、需求等實際情況,本文從系統管理、技術裝備、服務、運維等四方面提出了一些針對性的思路和實現途徑。精準監測流程如圖2所示。

圖2 精準監測流程圖Fig.2 Flow chart of precise monitoring

3.1 管理精準

煤礦安全監控系統是集傳感、信息傳輸、計算機、控制等多種現代技術于一體的綜合技術。因此,煤礦應成立信息化(安全監控)專業獨立的管理機構,由煤礦企業主要技術負責人領導,配足相應專業的管理、技術、操作、維護人員,負責對整個信息化(安全監控)系統長期、中期和近期規劃；掌握行業標準和地方性文件要求,了解行業發展動態、技術裝備；負責日常設備安設、調校、巡檢、維護、維修、異常數據分析和故障處理等工作。建立健全安全監控人員崗位責任制、值班制度、異常數據分析上報制度、巡檢制度、應急管理體系、監控設備安裝、調校和維護操作流程等規章制度,并進行統一歸檔保存管理。

3.2 技術裝備精準

技術裝備精準是精準監測的關鍵,起決定性作用。因此,在系統規劃建設時應以安全精準、數字化、智能化為目標,以“立足當前、著眼未來”為原則,既要滿足當前實時監測的需要，又要兼顧后期系統的擴容、兼容及改造。

3.2.1安全監控系統建設及傳輸平臺的搭建

安全監控系統的建設及傳輸平臺應實行高標準、高門檻的準入制。在方案設計和設備選型時,井下應按照“一網一站一根線”、地面中心站應按照“一張圖一張表”的思路進行系統設計建設。采用兩級架構的傳輸模式,即從終端感知部分至地面中心站的網絡層級為兩級,選擇多功能區域控制器設備(具有多路光口、電口監控數據采集、人員定位數據采集、電力信號采集、廣播信號采集等功能),安設具有多信息上傳、定位、自診斷排除功能的無線、激光等高精度、低功耗傳感器。從設備選型、系統建設上做到裝備最前沿，監測數據最精準，傳輸平臺最穩定,為全面實現精準監測打下堅實的基礎。安全監控系統建設構架如圖3所示。

圖3 安全監控系統建設架構圖Fig.3 Structure diagram of safety monitoring system

從圖3可以看出,通過建設千/萬兆以太環網,采用兩級架構傳輸模式,減少傳輸層級、數據轉換、設備數量和種類等中間環節,提高了傳輸速率，提升了傳輸信號的可靠性。其中,多功能區域控制器是整個系統的核心裝備,應具有高速運算處理能力和大容量存儲空間,并提供多路以太網光口、以太網電口、RS485/CAN等通信端口和多種系統接入端口,實現區域控制器之間或與交換機之間任意組網[3]。

3.2.2先進的技術

1)中斷續傳。在中心站與井下區域控制器通訊中斷時,傳感器監測到的數據暫存于區域控制器的存儲器內,當主通訊恢復正常時,中心站將讀取區域控制器存儲器內的數據,上傳至地面中心站數據庫進行存儲,確保數據的連續性和完整性。

（4）根據教學的需要合理選擇案例，難度要適中，不能過難或過于簡單，要有一定的代表性。選擇的案例要理論聯系實際，通過案例教學可以提高學生的綜合能力，案例分析不能只停留在表面，分析要不斷深入，通過對案例的分析和研究，培養學生發現、分析和解決問題的能力。

2)即插即用，智能識別。當井下安裝傳感器后,中心站軟件自動識別所接傳感器類型、量程、接入區域控制器端口、接入時間等信息。

3)傳感器在線調校。井下傳感器進入調校狀態后,傳感器自動將調校狀態通過區域控制器上傳至地面中心站軟件,中心站在實時數據表、報表、曲線中進行自動標注和區分。

4)故障精準智能診斷。系統可以根據不同的故障現象自動判斷故障點,并將故障點或設備自動排除,而不影響其他設備的正常運行。如傳感器元件故障、傳感器供電不足、傳感器主板故障、斷線、交換機線路故障、分站通信中斷、數據庫異常和雙機熱備異常等主要故障的判斷和排除。

5)遠程電池維護。實現中心站軟件遠程對區域控制器、交換機電源箱電池的維護,延長備用電池的使用壽命。

6)多種組網模式，自由組網。在交換機與交換機之間,交換機與區域控制器之間,區域控制器與區域控制器之間實現自由搭配,靈活組網,形成多種組網模式。

7)雙機無縫切換。主備機同時運行,向數據服務器同時存儲數據模式,當主機故障時,備機自動與井下設備進行通信,實現雙機無縫切換。

8)遠程在線程序下載。通過中心站軟件遠程對井下傳感器、區域控制器等設備的程序進行更新。

3.2.3先進的裝備

先進的裝備能夠保證監測數據的準確和控制的可靠。先進的裝備主要包括:具有定位功能的數字量激光傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、無線傳感器、光纖傳感器、采用電磁感應+頻譜識別技術的設備開停傳感器、多功能區域控制器和寬頻電源(交流90～1 000 V自切換)等主要設備。

3.3 服務精準

安全監控系統安裝、運行正常后,后期主要由礦方進行日常巡檢、調校、維護和故障處理,系統廠家服務人員提供技術支持。當系統廠家不能在第一時間提供技術支持,就不能及時的排除故障,恢復系統正常運行。因此,有必要成立由第三方專業機構(研究院、研究所)協助提供的技術支持,形成強大的技術支持保障團隊,團隊平時與廠家一起更新系統軟硬件功能,提供優化系統布局方案、培訓相關業務知識的工作,確保系統功能最智能、使用裝備最前沿、應用效果最佳的狀態[4]。

3.3.1主觀能動性和時效性

主觀能動性又稱服務升級,主要是指系統廠家服務人員或第三方服務機構從傳統的被動服務轉為主動服務,即主動定期到礦查看系統運行情況,及時解決存在的疑難故障,了解現場變化情況，及時調整系統布局,引入最新的技術和裝備,總結現場需求,研究適合現場的技術和裝備。時效性指當系統出現疑難故障后,技術支持人員應第一時間到達現場或通過遠程控制等方式,及時對故障進行分析、提供必要的零配件,在最短的時間內恢復系統,使之正常運行。

3.3.2專業性

借助行業專家、科研人員、第三方機構、系統廠家等平臺,定期對技術支持人員、維護人員進行精準培訓,按照“需要什么培訓什么”和“有什么培訓什么”進行區別對待原則,既實現了定制培訓,又實現了新技術、新裝備、新標準的宣貫培訓。精準培訓的目的是解決受訓人員在工作中碰到的痛點,通過不同形式、不同途徑,以研討交流式、案例分析式、模擬式、體驗式等方法開展培訓,著力解決教學模式化、套路化、同質化的問題,使受訓人員感興趣,能聽懂、能入腦、能入心,真正解決工作中存在的問題、達到培訓提高業務能力的目的[5]。定期在煤礦企業、第三方機構、系統廠家技術人員之間開展技能競賽活動,形成“趕、學、比、超”的良好氛圍,加強技術人員之間的技術交流,通過競技比賽活動,發現短板，彌補不足，互通有無，優勢互補。

3.4 運維精準

系統運維是實現“精準監測”的重要環節,運維主要包括方案的優化、線路設備布局、設備安設、移動、延線、調校、維護、設備調試、檢修、軟件升級、故障處理和報表打印等。只有在每一個環節中都按規定和標準流程完成,才能為“精準監測”打下基礎。因此,運維方面需要做到以下五點:

第一,按照礦井實際情況,優化建設方案，實時調整設備線路的布局,按要求安裝監控設備的類型和數量,確保監測無盲區;

第二,定期對監控設備的調校、測試、維修、通信線纜、接線盒進行巡檢，確保監控設備運行正常;

第三,井下監控設備的外部供電電源盡可能地使用專用電源,確保供電電源可靠,定期對監控設備備用電池進行更換;

第四,定期對監控機房進行檢查,確保UPS電源、外部交流供電、設備接地等環節可靠,防止因靜電等原因導致監測數據不準確;

第五,定期對系統軟硬件程序進行更新升級,確保軟硬件無漏洞,定期對管理、操作、維護人員進行針對性的培訓,熟悉行業標準、技術指標,不斷提高技術人員的業務能力和技術水平。

4 結束語

綜上所述,要實現安全監控系統的精準監測,首先,在方案設計、設備選型和系統建設過程中做到高標準、高起點,井下按照“一網一站一根線”、地面中心站按照“一張圖一張表”的思路進行系統設計建設,采用兩級架構的傳輸模式，減少數據轉換傳輸環節,使用先進的多功能區域控制器、多信息定位無線傳感器以提高系統數字化、智能化程度。其次,成立專門的信息化(安全監控)運維部門,配足專業的技術人員,建立健全規章制度、操作流程,應急管理體系。最后,完善運維售后服務保障、提升專業人員的業務技能,不斷改進、投入、創新,實現精準監測。