分布式安全監控系統在煤礦中的應用分析

宋劍飛

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048400）

隨著安全技術水平的提高，我國煤礦安全現狀有了很大的改善，但總體形勢依然嚴峻。安全監測監控系統作為煤礦六大系統之首，為保障煤礦安全生產發揮出了重要作用。實踐中發現，目前煤礦機械化設備升級改造加速，安全監控系統檢索內容增加明顯，現有傳輸方式已經難以滿足安全生產保障得到需要，導致報警信息內容不全、速度較慢，對監測效果和應急處置方案的制定有一定影響[1]。

針對上述問題，唐安煤礦根據對本礦實際情況的調研分析，基于無主采集的系統設計理念及分布式控制的策略，實現了對煤礦安全監控系統的技術革新與升級。

1 唐安煤礦原有安全監控系統存在的問題

隨著唐安煤礦開采水平的提高，機械化、自動化、智能化設備的使用大幅增加，對本礦安全監控系統的負載也越來越大，原先可以避免的問題被逐步暴露出來。

（1）系統穩定性、準確性不足。井下機電設備工作環境復雜，隨著智能化設備的陸續投入，在數據傳輸過程中發現其抗電磁干擾的能力較弱；同時防護等級低，當水汽較多時容易出現誤報現象，導致冒大數、偽數據上傳至地面終端。

（2）配置缺失，性能偏弱。原安全監控系統由于投入使用時間較長，部分配置已經難以滿足現在的使用要求。數據方面，缺乏對數據自我診斷、自我篩選和自我恢復的功能；信息傳遞方面，由于供電線路的載荷較差，同時模擬量傳輸數級較大，存在一定的延遲和誤差，同時存在異地斷電時間較長的問題，約為巡檢周期的2倍。

（3）零部件問題。部分原件、傳感器由于長期磨損，存在一定老化現象；井下串并聯系統布線廣泛，融合性較差，線纜重復鋪設，不利于應急聯動作業。

2 新型安全監測系統的升級改造

本次安全監控系統的升級改造將以唐安煤礦現有設備為基礎，以經濟高效、安全穩定為原則，對新舊兩套系統并行使用，分步實現設備的連通試運行，最終達到系統高效運行的目的。

2.1 系統架構

KJ95X型煤礦安全監控系統主要包括井下和地面兩部分，具體如圖1所示[2]。

圖1 KJ95X型煤礦安全監控系統整體架構

地面部分：即主要信息展示層，包括軟件系統的管理和硬件的集合，設備方面以地面監測主（副）機為主，實現數據融合、信息收發和軟件操控等功能。通過KJJ14傳輸接口連接各個分電纜至井下，共同構成整個監控系統的主干路。功能上，監測主機以依次查詢的方式對監控分站的數據進行采集，并在地面主屏顯示。同時監測主機配置有報警、斷電等異常信息處理模式，監控人員可根據所提示的異常信息進行及時處理，確保煤礦安全生產。

井下部分：即安全監控系統升級改造的重點工程，在設備的更換中采取分時、分節點的方式進行施工。為提高數字化的傳輸速率，提升防護等級及抗干擾能力，需要對井下傳感器進行全面更換。所更換傳感器具有即插即用、自行修復、異常提醒的多元功能；在采掘機位置安裝低功耗激光甲烷傳感器，進行實時監測。

2.2 系統軟件的特點

KJ95X型安全監測監控系統采用模塊化設計，對軟件內部的易維性、擴展性及開放性進行了升級，具體體現在：

（1）高性能監控分站。對井下的監控分站將基于16位ARM嵌入式技術進行開發，對分站的數據采集、信息處理和顯示控制效率有了極大的提高。實驗室數據顯示，可以在2s內完成瓦斯斷電的控制工作[3]。

（2）硬件設備功耗降低。在保障設備載動能力的前提下，對硬件設備的功耗和傳感器的靈敏度進行了優化。因此當在本礦長距離傳輸時，可以減少設備的安裝、搬運和維護的工作量。

（3）不間斷電源功能升級。井上下所連接的不間斷電路除了具備基本的電壓、電流、電容和工作狀態等數據顯示功能外，還支持將數據實時傳輸至監測主機。

（4）傳感器實時標校。技術人員可以對監測主（副）機、監控（分）站、傳感器上設置及解除標校狀態，避免了只能依靠監測主機進行設置的不便情況。

2.3 系統分布式控制技術

KJ95X型安全監測監控系統采用分布式控制系統，按功能進行多模塊的劃分。首先在實際使用過程中有很好的擴展性，可以避免原集中控制系統對電控箱高度依賴的狀況；其次分布式控制技術的主電控箱采用隔爆兼本安型設計，支持與相關的本安設備關聯使用，具有良好的可操控性。具體由以下層級構成：

（1）中央控制層。中央控制層是礦井電控系統的中樞大腦，以中央控制器和其附帶的輸入/輸出接口為主。中央該控制層的核心處理器具備A／D轉換、實時時鐘、向量中斷等功能模塊，通信性能強大、抗干擾性強。

（2）數據采集層。數據采集層負責對已實現智能化控制的設備進行信號的傳遞和收集，由信息傳感器、本安操作箱等設備組成。主要負責對信號進行采集、隔離與調理分配。更新后的硬件電路以低功耗、低溫度的單片機為核心，對設備的執行效率和響應速度做了大幅提升，并重點集成了更加豐富的外設模塊、擴展了通訊協議。

（3）系統應用層。系統應用層的硬件設備包括專用控制箱和專用驅動箱，主要工作在于對電動機、變頻器、照明燈、語音報警等設備進行控制與監測。專業控制箱是一種高度集成的專業設備，直接控制電機、變頻器、饋電開關等設備。幫助操作人員完成所設定的簡單控制作業，具有豐富的I／O接口。專用控制箱將提供漏電檢測、隨時啟停等，并對過流、過熱、過載進行預警上報，對電機設備進行雙重保護。

3 系統巡檢周期與斷電時間實測試驗

KJ95X型安全監測監控系統安裝完成后，需要進行試運營試驗。新系統總計接入24臺監控分站，每臺監控分站接入12臺傳感器與斷電器，根據煤礦安全監控系統升級改造產品檢驗方案的權威要求，對全系統進行40d的不間斷運行試驗，并根據公式（1）對系統巡檢周期進行計算[4]。

式中：t——系統巡檢周期，s；

N——分站數，取24；

T1——全部監測分站所連接的所有測點同時報警，報警信號到達主機顯示完畢的停止時間，據試驗測得取4.2s；

T2——1臺監測分站滿載工況的巡檢時間，試驗測得取1.5s。

經計算，系統巡檢周期為5.68s，另外對斷電時間進行了實測，本地斷電時間為1.8s，異地斷電時間為4.5s，實測時間均滿足AQ6201-2006的行業標準，優化后的系統符合煤礦安全監控系統升級改造要求。

4 結束語

安全監測監控系統對于保障煤礦的安全高效生產意義重大，對此，分布式控制系統的加入更是有著良好的應用前景。根據唐安煤礦安全監測監控系統的升級改造發現，該系統的應用通過對采掘設備進行實時控制，不僅有助于煤礦采掘設備的智能化發展，還對當事故發生后的應急措施制定有參考價值。升級后的系統在實時性方面有了顯著提升，還增強了系統的穩定性與通信可靠性，減少了因通信問題導致的事故發生的概率。