煤礦安全監控系統分站以太網傳輸改造

楊 威

(霍州煤電集團 煤炭生產管理部， 山西 霍州 031400)

根據國家煤礦安監局關于印發《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的通知[1](煤安監函[2016]5號)文件要求，“十三五”末監控分站至主干網數據應實現以太網傳輸。但目前部分煤礦仍然采用RS485方式傳輸信號，急需更換為以太網傳輸，來滿足方案要求。通過對薛虎溝煤業監控分站進行升級改造，實現監控分站數據的以太網傳輸，降低了系統巡檢周期、異地斷電時間，提高了系統技術性能及安全穩定性。

1 安全監控系統概況

霍州煤電薛虎溝煤業安裝有一套中煤科工重慶研究院生產的KJ90X型煤礦安全監控系統。該系統于2018年4月開始進行系統升級改造，并于當年5月底竣工，2020年5月通過上級主體企業驗收。地面中心站安裝2臺數據采集服務器，實現雙機熱備，地面安裝1臺網絡交換機、井下安裝4臺本安型網絡交換機(型號為：KJJ15(A))，主、副斜井分別鋪設一趟光纜，形成冗余光纖環網結構。各類傳感器到監控分站、監控分站再到主干網交換機數據傳輸均采用總線型連接，信號制式為RS485型。井下共安裝監測分站22臺(型號為：KJ90-F16(C))、瓦斯傳感器28臺、一氧化碳傳感器31臺、饋電斷電器22臺，其他傳感器按規定進行了安裝，實現對井下所有采掘工作面等地點24小時實時監測、控制。

2 安全監控系統升級改造后存在的問題

根據監控系統升級改造技術方案要求，各礦井要限期完成煤礦安全監控系統升級改造。由于時間緊迫，全國煤礦升級改造集中，監控系統廠商供貨緊張，分站缺少光纖模塊，導致升級改造的監控分站不具備光纖傳輸功能，仍采用電信號傳輸，存在系統巡檢周期長、異地斷電時間長、信號傳輸受變頻設備影響等問題。同時，《方案》要求各礦要于2020年完成監控分站至主干網數據以太網傳輸改造[2]，薛虎溝煤業面臨監控分站以太網升級改造的問題。

3 監控分站以太網改造的具體方案

為降低成本，在現有監測分站、網絡交換機基礎上進行升級。通過在分站預留接口上增加光模塊，傳輸介質由電纜改造為光纖，實現分站至交換機以太網傳輸。分站至交換機間的網絡拓撲結構可根據交換機光口數量、分站數量、布線距離的不同進行優化選擇，主要包括：類星形網絡拓撲結構、環形網絡拓撲結構。

3.1 類星型拓撲結構

類星形拓撲結構為交換機與分站連接采用類似星型的拓撲結構[3-6]. 由于煤礦采用的KJJ15(A)型礦用本安型網絡交換機具有4個光口，除去用于組成環網的2個千兆光口，只剩余2個百兆光口用于連接分站。如采用標準的星型拓撲結構，1臺交換機只能帶載2臺分站，需要增加6臺交換機，不僅浪費設備，而且會增加設備維護成本，造成人力及資金的浪費。如采用分站通過尾纖串聯到下一個分站，可增加交換機帶載分站的數量，但是串聯分站過多會造成光信號衰減、分站故障率增加等現象。因此，采用類星型網絡拓撲結構，限制交換機每組光口串接分站數量不得超過2臺，既可以降低分站數據傳輸故障率，又可以簡化監控系統，降低設備成本及維護成本。

3.2 環形拓撲結構

環形拓撲結構為先將若干個分站通過光纖形成分站環網，再通過兩組網線將分站環網內的2臺分站與交換機環網內的2臺交換機連接，形成“大環套小環”(交換機環網套分站環網)的網絡連接方式[3-6]. 通過環形拓撲結構形成雙冗余環網結構，可以降低分站數據傳輸故障率，而且不受網絡交換機光口數量限制，每臺交換機預留1個光口即可使用。薛虎溝煤業監控系統網絡拓撲圖見圖1.

圖1 監控系統網絡拓撲圖

3.3 方案選擇

根據礦井實際情況，確定薛虎溝煤業安全監控系統網絡架構采用以環形拓撲機構為主，類星型拓撲結構為輔的混合型拓撲結構。地面風機房2臺分站選取類星型拓撲結構連接，井下選取環形拓撲結構方式連接形成兩個分站光環網。隨著測點數量增加，如需增加2臺以內數量的分站，也可采用類星型拓撲結構。如增加分站數量較多，則應優先選取環形拓撲結構較為合適。

3.4 實施步驟

1) 根據設計方案中網絡拓撲圖，在2#煤、10#煤膠帶運輸大巷及其他地點完成網線、6芯光纜的鋪設，并留有備用線路。2) 在地面將改造所用的模塊IP地址進行統一編號。3) 將光模塊安設到監測分站內，并連接好線路。4) 完成光纖熔接，將2#煤層采區16臺分站、10#煤層采區內6臺分站用光纖連接形成2個分站環網。5) 將環網內其中一臺主分站通過網線連接至環網1#交換機電口，一臺從分站通過網線連接至最近的另一臺2#交換機電口上，形成“大環套小環”的網絡拓撲結構，實現分站至交換機以太網傳輸。6) 地面風機房內的3#分站、8#分站使用光纖串聯方式再接入地面網絡交換機。7) 對監控分站主板固件進行升級，修改分站、監控軟件通訊傳輸模式，重新做分站鏈路定義。

4 升級改造成效分析

4.1 降低監控系統巡檢周期

升級前系統巡檢周期測試方法：在井下通過遙控器調整2-1102巷回風流甲烷傳感器的測試值，使其達到報警值，并記錄調整的時刻(分別記做TT1、TT2、TT3)，保持3 min后恢復正常工作狀態，3 min后再次調整測試值，如此重復3次；升井后在系統軟件中找到該甲烷測點的實時數據記錄，記錄3次報警值的時刻(分別記做TR1、TR2、TR3)，分別計算TRi到TTi(i取1/2/3)的時間差，取最大值為系統巡檢周期。

Δti=TRi-TTi

式中：

Δti—系統巡檢周期，s；

TRi—井上系統軟件記錄報警值時刻,s；

TTi—井下調整報警值時刻，s.

經測試計算，系統巡檢周期為8 s. 改造前巡檢周期測試數據見表1.

表1 改造前巡檢周期測試數據表

升級后系統巡檢周期測試：使用以上巡檢周期測試方法，經3次測試系統巡檢周期為1 s. 改造后巡檢周期測試數據見表2.

表2 改造后巡檢周期測試數據表

通過分站以太網傳輸升級改造前后的系統巡檢周期測試數據來看，改造前系統巡檢周期為8 s，改造后系統巡檢周期為1 s，系統巡檢周期降低了7 s.

4.2 降低異地斷電時間

升級前異地斷電時間測試方法：選取跨交換機異地斷電作為測試樣本，通過遙控器調整被測甲烷傳感器的監測值，使其達到異地斷電觸發數值0.80% CH4，保持1 min后恢復傳感器正常工作，如此重復3次，每次時間間隔不少于5 min. 出井后，在監控系統軟件中找到異地斷電事件的3次記錄，分別記錄對應斷電器每一次動作時對應饋電狀態為“無電”的最早時刻(分別記做TT1、TT2、TT3)；調取被試傳感器的數據記錄表，找到在井下進行遙控器設定的斷電值，分別記錄每個斷電值出現的最早時刻(分別記做TD1、TD2、TD3)；分別計算TTi到TDi(i取1/2/3)的時間差，取最長時間為異地斷電時間[7].

ΔTi=TTi-TDi

式中：

Ti—異地斷電時間，s；

TTi—斷電器動作時對應饋電狀態為“無電”的最早時刻，s；

TDi—斷電值出現的最早時刻，s.

經3次測試，異地斷電時間為16 s. 改造前異地斷電時間測試數據見表3.

表3 改造前異地斷電時間測試數據表

升級后異地斷電時間測試：使用以上異地斷電測試方法，經3次測試異地斷電時間為3 s. 改造后異地斷電時間測試數據見表4.

通過分站以太網傳輸改造前后異地斷電時間測試數據分析，改造前異地斷電時間為16 s，改造后異地斷電時間為3 s，異地斷電時間降低了13 s.

4.3 提高安全性、穩定性

通過分站以太網傳輸改造，將信號由原來的電纜傳輸升級為光纖傳輸，而采用光纖傳輸時，杜絕了電纜傳輸過程中可能出現的電氣失爆及電磁干擾的問題，提高了數據傳輸的穩定性及安全性。

表4 改造后異地斷電時間測試數據表

5 結 論

通過對監控分站的升級改造，實現分站至交換機以太網數據傳輸。根據設備型號特點將分站至交換機數據傳輸按照類星形拓撲結構及環形拓撲結構兩種方式混合連接，降低了系統巡檢周期、異地斷電時間及升級改造成本，提高了系統性能及安全可靠性，為煤礦“一通三防”管理提供了穩定可靠的監測監控手段。同時，對全國其他煤礦和監控系統廠家的安全監控分站以太網傳輸改造具有重要指導意義。