煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

楊 愷

（晉能控股集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求量越來越大，煤炭作為主要的能源動力，其在較長一段時間內(nèi)的需求是相對較大的[1]。煤炭的開采主要是依靠地下開采，地下開采的過程中由于環(huán)境惡劣和不可控因素等原因需要對井下的多種參數(shù)進(jìn)行定時定期的監(jiān)測，尤其是井下的瓦斯?jié)舛取⑺梅砍榕潘㈦娏\(yùn)行情況以及人員狀態(tài)等[2]。傳統(tǒng)的井下參數(shù)的監(jiān)測主要是通過工作人員定時進(jìn)行監(jiān)測，但是隨著煤炭開采速度和開采效率的提升，人工的檢測方式已經(jīng)不能夠滿足煤礦安全的要求。計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息采集技術(shù)的發(fā)展為煤礦的安全監(jiān)測監(jiān)控提供了有力的支撐，因此設(shè)計一套煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能夠減輕工作人員的工作量和工作壓力，提高煤礦井下生產(chǎn)安全，提供有效保障[3]。

1 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控功能分析

煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是面對煤礦井下多種參數(shù)監(jiān)控的系統(tǒng)，在進(jìn)行設(shè)計時要遵循易用性、應(yīng)用性、安全性、穩(wěn)定性以及技術(shù)先進(jìn)性原則。保證煤礦工作人員能夠理解并使用系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，在煤炭的實(shí)際生產(chǎn)過程中能夠安全、穩(wěn)定的發(fā)揮其實(shí)用價值，同時還要保證其能夠有著相當(dāng)?shù)募嫒菪裕瑵M足一定程度的功能擴(kuò)展[4]。

本文所設(shè)計的煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要是針對煤炭開采過程中的井下水泵房的實(shí)時監(jiān)控、井下供電電網(wǎng)的監(jiān)控、井下排水系統(tǒng)的監(jiān)控、礦井瓦斯的監(jiān)控等功能。井下水泵房涉及到水泵的啟停、電動閥門的開關(guān)以及開關(guān)柜的開關(guān)，通過對壓力、真空度、流量等一系列參數(shù)的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對井下水泵房的實(shí)時監(jiān)控。井下供電電網(wǎng)需要對井下電網(wǎng)的變電所部分進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控高壓配電開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)無人化值守，保證其電力的狀態(tài)能夠?qū)崟r掌握。江夏排水系統(tǒng)的監(jiān)控是針對礦井水抽排的整套設(shè)施的監(jiān)控，包括水泵、動力裝置、管道等。礦井瓦斯的監(jiān)控是針對井下巷道中的瓦斯?jié)舛然蛘呤峭咚咕奂痊F(xiàn)象的防護(hù)。

1.2 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采用的是基于.Net Framework 環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)的，因此需要采用.Net 代碼庫進(jìn)行程序的編寫。結(jié)合煤炭開采過程中的實(shí)際采煤工藝，煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要是由監(jiān)控主機(jī)、地面網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電源、中心站等組成的。整套系統(tǒng)采用分布式處理模式，能夠在實(shí)際應(yīng)用過程中獲得穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)信號以及較強(qiáng)的可操作性。煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)其核心是井上的監(jiān)控中心以及網(wǎng)絡(luò)終端等，其對整個系統(tǒng)所采集到的信息進(jìn)行綜合的分析和管理。網(wǎng)絡(luò)終端是將系統(tǒng)采集到的信息以及控制器的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時共享，將信息傳輸?shù)礁鱾€終端。井上監(jiān)控中心與其他設(shè)備之間采用局域網(wǎng)的方式進(jìn)行通信。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為整個系統(tǒng)的傳輸平臺。煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的最前端是由多種模擬量信號采集器組成的，其各個部分能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的搜集和采集，同時能夠接受來自主站的數(shù)據(jù)信息，執(zhí)行主站的相應(yīng)命令。煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

2 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計

2.1 礦井水泵房的監(jiān)測監(jiān)控模塊設(shè)計

煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的礦井水泵房的設(shè)計是按照煤礦井下“地測防治水”的要求，為了達(dá)到20h將24h內(nèi)的涌水量排出的目的。該系統(tǒng)采用了四臺離心式水泵作為主要的工作水泵，在日常正常情況下處于兩用兩備的情況，利用GKG2-6C 高壓開關(guān)柜，就地控制柜。PLC 控制器對排水模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，就地控制柜對四臺離心式水泵進(jìn)行就地啟停、電磁閥的開關(guān)以及電磁閥的開關(guān)等控制操作。設(shè)計有兩條排水管道，每臺水泵都利用電磁閥與兩條管道相連接，當(dāng)其中一條出現(xiàn)故障需要維修時，可啟動另一條管道作為排水。PLC集中程序根據(jù)井下的水位高低以及排水量的情況，對排水泵的啟停進(jìn)行控制，設(shè)計有手動和自動兩種模式。自動模式情況下能夠24h 對井下的排水情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

2.2 供電電網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控模塊設(shè)計

煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的井下供電網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控模塊是由三部分組成的井下隔爆交換機(jī)、電力監(jiān)控站以及監(jiān)測單元。隔爆交換機(jī)是對井下的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，第一時間傳輸?shù)骄拢瑫r當(dāng)出現(xiàn)事故時能夠及時地將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸。監(jiān)控站和電力檢測單元都是為了實(shí)現(xiàn)對井下的電力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，通過對電力情況進(jìn)行保障，將測得的數(shù)據(jù)傳遞到井上，在獲取到井上控制中心的信息后，在對井下的終端進(jìn)行控制執(zhí)行操作命令。

2.3 礦井排水系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控模塊

煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的礦井排水系統(tǒng)的監(jiān)測監(jiān)控主要是由實(shí)時排水?dāng)?shù)據(jù)信息監(jiān)測、排水設(shè)備的自動化管理、顯示檢測結(jié)果以及數(shù)據(jù)的查詢。排水?dāng)?shù)據(jù)信息監(jiān)測是對井下的涌水情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的，當(dāng)監(jiān)測到的參數(shù)值超過預(yù)期設(shè)定值時，就需要進(jìn)行預(yù)警和處理。排水設(shè)備自動化管理是對排水設(shè)備的各個運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控的，保證排水設(shè)備能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn)。顯示檢測結(jié)果和數(shù)據(jù)查詢兩方面的內(nèi)容是指在實(shí)時監(jiān)測的過程中對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示，同時在工作人員需要查詢能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存取。

2.4 礦井瓦斯監(jiān)測監(jiān)控模塊

瓦斯作為煤礦井下的重要檢測指標(biāo)，其是相當(dāng)重要的。瓦斯監(jiān)測監(jiān)控模塊其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。瓦斯監(jiān)測監(jiān)控模塊是由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成的，同時軟件和硬件之間采用的是遠(yuǎn)距離無線傳輸和有線傳輸相結(jié)合的方式。實(shí)現(xiàn)對井下瓦斯數(shù)據(jù)的實(shí)時掌控，當(dāng)出現(xiàn)瓦斯超過監(jiān)測設(shè)定值時，就需要進(jìn)行預(yù)警并采取相應(yīng)的指令對其進(jìn)行處理。

圖2 瓦斯監(jiān)測監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)圖

3 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的測試試驗(yàn)

為了保證煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)測試服務(wù)器端采用的是WindowsNET 操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)采用WindowsNET 系統(tǒng)或者是Microsoft Windows XP 系統(tǒng)，瀏覽器使用的為IE6.0 以上配置。其硬件配置如表1所示。

表1 測試試驗(yàn)硬件配置表

對煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航測試，對系統(tǒng)的導(dǎo)航界面顯示情況進(jìn)行判斷。在實(shí)際操作的過程中界面導(dǎo)航未出現(xiàn)錯亂，各圖形都能夠較好地顯示出來。其次就是對煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行兼容性測試，觀察界面在640×400、600×800的分辨率情況下能否正常顯示。經(jīng)過測試界面均可以在正常條件下使用。對系統(tǒng)進(jìn)行通訊測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 通訊測試結(jié)果

通過對表內(nèi)的數(shù)據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)在通訊方面數(shù)據(jù)未出現(xiàn)丟包，通訊穩(wěn)定。

4 總結(jié)

煤炭開采關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其安全、穩(wěn)定是煤礦開采過程中的重中之重，為了保證煤炭開采過程中有著較好的安全性，必須將傳統(tǒng)的人力監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑陌踩诰€監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦井下的礦井水泵房的監(jiān)測監(jiān)控、供電電網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控、礦井排水系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控、礦井瓦斯監(jiān)測監(jiān)控，通過多參數(shù)對煤礦井下狀態(tài)的了解，能夠?qū)崟r掌握煤礦井下的環(huán)境狀態(tài)。同時煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能夠極大地降低人為操作過程中存在的誤差，也能夠減輕工作人員的工作壓力和工作量，滿足現(xiàn)代化的煤炭開采速度和開采效率，在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)約人力物力。將煤炭安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦的生產(chǎn)過程中極大地促進(jìn)了我國煤炭朝著智能化、機(jī)械化轉(zhuǎn)變速度，加快煤炭行業(yè)的發(fā)展。