邢東礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造優(yōu)化與現(xiàn)狀分析

靳鵬博

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

邢東礦井田位于河北省邢臺(tái)市東北約4 km 處，東距京深高速公路3.2 km，西部毗鄰市區(qū)，地理位置優(yōu)越。邢東礦采用立井多水平開(kāi)拓方式，礦井分為-760 和-980 兩個(gè)水平，其中-760 水平分為1100 采區(qū)和1200 采區(qū)；-980 水平分為2100 采區(qū)和2200 采區(qū)，目前該水平無(wú)采掘生產(chǎn)活動(dòng)。礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，副井進(jìn)風(fēng)，主井回風(fēng)，-760 軌道大巷、管子道、分揀硐室為礦井主要進(jìn)風(fēng)大巷，-760 皮帶大巷、-760 回風(fēng)巷為礦井主要回風(fēng)大巷；上下兩水平間由4 條暗斜井連通（進(jìn)風(fēng)斜井、副暗斜井、主暗斜井、回風(fēng)斜井），構(gòu)成“兩進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)。邢東礦為低瓦斯礦井，瓦斯絕對(duì)涌出量為4.51 m3/min，相對(duì)涌出量為2.33 m3/t；邢東礦開(kāi)采的2 號(hào)煤層為II 類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為54 d，煤塵具有爆炸性。

2 現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及存在的問(wèn)題

目前邢東礦安裝有重慶科技技術(shù)研究院生產(chǎn)的KJ90NB 安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)1 套，共安裝分站17臺(tái)，各類傳感器及斷電控制器近180 臺(tái)，目前系統(tǒng)采用總接線傳輸接口方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，傳感器采用電流信號(hào)方式進(jìn)行輸出。系統(tǒng)于2012 年安裝使用，已經(jīng)運(yùn)行多年，部分設(shè)備老化嚴(yán)重，功能不齊全，并出現(xiàn)了以下問(wèn)題。

（1）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性差。

現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)還采用主副式通信傳輸結(jié)構(gòu)，雖然已有光纖環(huán)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)，但其分支仍采用主從式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸效率低，經(jīng)常性出現(xiàn)傳感器中斷現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備間互聯(lián)互控、區(qū)域危險(xiǎn)快速控制。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備數(shù)字化程度不高。

目前在用的傳感器采用模擬量傳輸技術(shù)，從而導(dǎo)致傳感器與分站雙向傳輸數(shù)據(jù)以及工作狀態(tài)識(shí)別及故障判斷不能實(shí)現(xiàn)，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差性比較大。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)不具備開(kāi)放性能。

監(jiān)控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家依據(jù)自身協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致異構(gòu)系統(tǒng)無(wú)法接入，多網(wǎng)多系統(tǒng)融合性差。

（4）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)抗電磁干擾性較差。

井下設(shè)備存放安全性差，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)常受到磁波干擾，監(jiān)控設(shè)備抗干擾能力差，數(shù)據(jù)經(jīng)常性混亂傳輸，經(jīng)常產(chǎn)生冒大數(shù)、誤報(bào)警、誤斷電現(xiàn)象，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。

基于以上原因，必須升級(jí)改造邢東礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井中安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控更高更多功能的需求，提升邢東礦安全生產(chǎn)保障作用有重大及長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造

3.1 地面改造工程

地面改造工程中新增2 臺(tái)工業(yè)控制機(jī)，淘汰原有老化嚴(yán)重工控機(jī)，并配備工控機(jī)抗干擾模塊4 個(gè)。

新增2 臺(tái)服務(wù)器，多系統(tǒng)融合使用，新增2 臺(tái)上傳機(jī)，淘汰原有2 臺(tái)老化嚴(yán)重上傳機(jī)（上傳軟件維持不變，目前邢東礦往省局上傳軟件為沈陽(yáng)新元公司的KJ90 上傳軟件），新增UPS 電源1 套，新增地面輸出本安型交換機(jī)2 臺(tái)，用做光纖轉(zhuǎn)換。

對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有的預(yù)警、斷電報(bào)警功能進(jìn)行完善，利用新?lián)Q裝的2 臺(tái)上傳機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及聯(lián)網(wǎng)上傳，并滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)及聯(lián)網(wǎng)主機(jī)雙機(jī)熱備份、連續(xù)運(yùn)行的要求。

3.2 井下全礦井改造工程

根據(jù)國(guó)家總局要求，所有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)都要升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化方式傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)融合，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備具備抗干擾能力，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。為提高傳輸數(shù)據(jù)數(shù)字化、抗干擾能力、系統(tǒng)性能，對(duì)分站、傳感器等設(shè)備進(jìn)行更換。

（1）監(jiān)控分站。目前使用的20 臺(tái)監(jiān)控分站，傳感器與分站傳輸方式為電流傳輸，抗干擾能力弱，不符合模擬量傳感器到分站采用數(shù)字化傳輸（抗干擾）的規(guī)定。此次全部更換為支持工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、CAN 傳感器采樣與滿足抗干擾要求的監(jiān)控分站，分站通過(guò)光纖傳輸方式，將井下實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心站軟件。

（2）電源箱。目前井下正在工作的電源箱不具備電源信息管理及抗干擾要求，應(yīng)予以淘汰，全部更換為符合抗干擾要求的電源。

（3）模擬量傳感器。在利用舊系統(tǒng)自帶的傳輸線纜，更換所有傳感器并實(shí)現(xiàn)了IP65 的防護(hù)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)井下傳感器的全數(shù)字化建設(shè)。

（4）開(kāi)關(guān)量傳感器及斷電器。將目前使用的所有開(kāi)關(guān)量傳感器及斷電器全部更換，以達(dá)到數(shù)字化改造傳輸?shù)囊蟆?/p>

（5）工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸平臺(tái)。由于目前使用的監(jiān)控系統(tǒng)未使用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸平臺(tái)，巡檢周期及傳輸穩(wěn)定性都達(dá)不到相關(guān)要求，需要建設(shè)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，并將光纜從不同的井筒進(jìn)入井下，形成冗余環(huán)網(wǎng)。分別在地面調(diào)度室監(jiān)控中心機(jī)房、井底車場(chǎng)變電所、1100 采區(qū)變電所、2200 采區(qū)變電所，這4 個(gè)地點(diǎn)設(shè)置環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，并配置配套的電源箱，光纜直接接入地面調(diào)度室監(jiān)控中心機(jī)房核心交換機(jī)，敷設(shè)多芯光纖冗余通道，并組成環(huán)網(wǎng)。地面電、光纜與動(dòng)力、照明電纜共用室外電纜溝及電纜排管敷設(shè)，無(wú)電纜溝及電纜排管處，采用電纜穿柵格式塑料管埋地敷設(shè)。井下光纜敷設(shè)主巷道采用幫槽內(nèi)隱藏性鋪設(shè)，其它巷道采用電纜掛鉤方式敷設(shè)。光纖為了保證信號(hào)衰減，盡量減少熔接次數(shù)。主干光纖每500 m 要求有20 m 的預(yù)留，為熔接預(yù)留長(zhǎng)度。光纜/電纜敷設(shè)過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，需要做保護(hù)光纜/電纜段必須嚴(yán)格做保護(hù)；環(huán)網(wǎng)均以地面調(diào)度室監(jiān)控中心機(jī)房為起點(diǎn)，分別經(jīng)過(guò)井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，最終連接回到監(jiān)控中心機(jī)房，組建高速冗余環(huán)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的快速傳輸。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸平臺(tái)如圖1 所示。

圖1 邢東礦工業(yè)以太網(wǎng)傳輸平臺(tái)示意Fig.1 Industrial ethernet transmission platform of Xingdong Mine

3.3 系統(tǒng)融合及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)

升級(jí)后的安全監(jiān)控系統(tǒng)提供了多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)在瓦斯超限時(shí)，通過(guò)應(yīng)急廣播系統(tǒng)播放撤離信息，通過(guò)人員定位系統(tǒng)發(fā)送撤離信號(hào)。通信、應(yīng)急廣播、人員定位系統(tǒng)等須按照安全監(jiān)控系統(tǒng)提供的交互協(xié)議實(shí)現(xiàn)并提供接口，即可實(shí)現(xiàn)交互聯(lián)動(dòng)。

由于邢東礦在用供電系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等不是同一廠家生產(chǎn)提供，邢東礦將對(duì)在用多系統(tǒng)實(shí)行地面融合，各系統(tǒng)按照安全監(jiān)控系統(tǒng)提供的交互協(xié)議實(shí)現(xiàn)并提供接口。

多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能的條件、參數(shù)和應(yīng)急方案由邢東礦根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。聯(lián)動(dòng)控制邏輯模塊在監(jiān)測(cè)到超限并符合用戶設(shè)定的聯(lián)動(dòng)條件時(shí)，系統(tǒng)不斷發(fā)出告警聲音，并彈出對(duì)話框由值班人員確認(rèn)是否發(fā)出聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)。值班人員確定后，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)預(yù)設(shè)方案進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，如圖2 所示。

圖2 KJ83X(A)系統(tǒng)融合平臺(tái)架構(gòu)Fig.2 KJ83X(A)system convergence platform architecture

4 升級(jí)改造安全監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)

邢東礦升級(jí)改造后使用的是煤炭科學(xué)技術(shù)研究院的KJ83X(A)型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)中模擬量傳感器、開(kāi)關(guān)量傳感器、控制量傳感器、電源箱全部采用CAN2.0B 數(shù)字總線傳輸數(shù)據(jù)；后備電源、分站全部采用數(shù)字化方式傳輸，所有設(shè)備全為數(shù)字化，一根線帶載能力強(qiáng)（5～10 個(gè)傳感器）；邢東礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在冊(cè)使用的傳感器、分站的防護(hù)等級(jí)均達(dá)到了能夠滿足淋水環(huán)境下設(shè)備正常工作的要求；采用多主并發(fā)的通訊模式，系統(tǒng)巡檢及斷電時(shí)間大為縮短，系統(tǒng)在正常及異常情況下，巡檢周期不大于10 s，本地?cái)嚯姇r(shí)間不大于2 s，異地?cái)嚯姇r(shí)間最短縮至5 s，完全滿足相關(guān)文件要求。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前邢東礦KJ83X(A)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用千兆光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行多種傳輸結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 KJ83X(A)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置示意Fig.3 KJ83X(A)system structure layout

5 升級(jí)改造后運(yùn)行現(xiàn)狀

邢東礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造后已穩(wěn)定運(yùn)行一年多時(shí)間，各項(xiàng)功能使用正常無(wú)異常情況發(fā)生，但隨著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行目前發(fā)現(xiàn)2 大問(wèn)題。一是抗干擾能力仍需加強(qiáng)。隨著煤礦采掘工作面智能化設(shè)備越來(lái)越大，設(shè)備越來(lái)越大，其相應(yīng)產(chǎn)生電磁擾能力也在不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致甲烷傳感器有誤報(bào)警現(xiàn)象偶爾發(fā)生，傳感器的中斷次數(shù)也隨著大型智能化設(shè)備的開(kāi)啟頻繁而增加，造成安全監(jiān)測(cè)工的維修力度增大。針對(duì)此問(wèn)題應(yīng)該不斷升級(jí)傳感器版本，增強(qiáng)抗電磁干擾能力，減少誤報(bào)警次數(shù)和傳感器中斷次數(shù)。二是現(xiàn)在提倡的智能化礦山中智能化通風(fēng)系統(tǒng)與安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)互動(dòng)聯(lián)動(dòng)缺失，缺少兩者之間的系統(tǒng)融合與控制，不能實(shí)現(xiàn)根據(jù)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)施實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制和預(yù)警閉鎖通風(fēng)設(shè)施功能，不能實(shí)現(xiàn)智能化通風(fēng)系統(tǒng)功能。針對(duì)此問(wèn)題應(yīng)該加強(qiáng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠家聯(lián)系，增加多系統(tǒng)融合功能的擴(kuò)展性和擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)智能化系統(tǒng)融合。

6 結(jié) 語(yǔ)

邢東礦KJ83X(A)型安全監(jiān)控系統(tǒng)自改造后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，順利通過(guò)了河北省煤監(jiān)局的升級(jí)改造驗(yàn)收工作和河北省應(yīng)急管理廳升級(jí)改造驗(yàn)收再抽查工作。升級(jí)改造后的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤礦智能化、自動(dòng)化的重要組成部分。邢東礦KJ83X(A)型安全監(jiān)控系統(tǒng)功能更加全面、數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)融合，為邢東礦安全作業(yè)工作提供強(qiáng)有力的保障。