煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

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摘要:分析了目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用中存在的主要問題，提出了監(jiān)控系統(tǒng)全數(shù)字化傳輸?shù)慕鉀Q方案。在全數(shù)字化傳輸系統(tǒng)中對監(jiān)控分站的功能，以及斷電器、多系統(tǒng)融合的工作流程進(jìn)行了重新定義，使多網(wǎng)融合和系統(tǒng)間的聯(lián)動在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)變得簡單易行，可為煤礦實現(xiàn)信息共享及協(xié)同處理提供新的解決思路。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)融合;數(shù)字化;監(jiān)控系統(tǒng);聯(lián)動;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證，其具有監(jiān)測連續(xù)性、實時性及可靠性，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)作為煤礦瓦斯防治中重要的安全監(jiān)控設(shè)備，《煤礦安全規(guī)程》、AQ6201—2006《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》、AQ1029—2007《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》對監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)及使用規(guī)范等都進(jìn)行了要求，并要求煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)必須24h連續(xù)運行，因此煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)中起到了巨大的作用［1－4］。自AQ6201—2006《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》頒布實施以來，近50家煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)對各自生產(chǎn)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)均對應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了整改，使其在技術(shù)上基本符合AQ6201—2006《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》的要求。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，目前所有的煤礦均裝備了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，但在實際使用過程中存在一些問題。在2016年底國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》，文件對傳輸環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化升級，對設(shè)備的抗干擾、多網(wǎng)多系統(tǒng)融合及應(yīng)急聯(lián)動等功能進(jìn)行了明確的要求。筆者就安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題提出了全數(shù)字化的解決方案，并對監(jiān)控分站在系統(tǒng)中的功能及作用做了重新定義，使多網(wǎng)融合和系統(tǒng)間的聯(lián)動在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)變得簡單、方便。

1現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及存在的問題

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要由計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機、監(jiān)控分站、傳感器和斷電控制器等設(shè)備組成，絕大多數(shù)煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)都采用了工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸［5－8］，其主要連接方式為樹形、環(huán)形和總線形等。從監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用所反饋的信息來看，目前監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在的問題主要有以下幾個方面:1)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)偽數(shù)據(jù)、冒大數(shù)的情況普遍存在，可靠性較差，動力電纜干擾感應(yīng)到傳感器電纜上而產(chǎn)生的干擾是監(jiān)控系統(tǒng)冒大數(shù)的原因之一［9－12］。2)監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相互獨立自成一體，未對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、深度挖掘和實現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)動。3)系統(tǒng)平臺不能共用，導(dǎo)致重復(fù)投資，增加煤礦投資成本。4)設(shè)備智能化程度較低，兼容性較差［13］，設(shè)備沒有統(tǒng)一的協(xié)議，不能適應(yīng)礦井?dāng)?shù)字化發(fā)展的需要。

2利用數(shù)字通訊技術(shù)打通關(guān)鍵節(jié)點

監(jiān)控分站是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的核心，是必不可少的設(shè)備，是監(jiān)控系統(tǒng)的區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸樞紐站［14］;起著承上啟下的重要作用，由于目前的監(jiān)控分站設(shè)計相對封閉，導(dǎo)致監(jiān)控分站成為安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)間聯(lián)動的瓶頸。要打破瓶頸就需要在系統(tǒng)設(shè)計中全面采用數(shù)字通訊技術(shù)，對所有接入系統(tǒng)的設(shè)備采用統(tǒng)一的通訊方式并制訂統(tǒng)一的通訊協(xié)議，同時對監(jiān)控分站的任務(wù)進(jìn)行重新定義。

3監(jiān)控分站工作流程

由于RS485接口具有良好的抗噪聲干擾能力、較長的傳輸距離等優(yōu)點，因此該傳輸方式在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中被廣泛使用［15］。由圖2可以看出，升級后的安全監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的差別在于監(jiān)控分站與傳感器之間采用RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)字化，舍棄了傳統(tǒng)的頻率和電流傳輸方式。同時對分站的功能及作用進(jìn)行了重新定義，監(jiān)控分站保留接收中心站下發(fā)定義信息、控制邏輯和上傳各傳感器數(shù)據(jù)的功能，增加發(fā)送定義信息到傳感器和斷電器的功能，但不再對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，只將傳感器數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)置的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，斷電器接收到傳感器數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析判斷，達(dá)到斷電條件時執(zhí)行斷電。監(jiān)控分站掛接的各類傳感器、斷電器和其他礦用設(shè)備，利用現(xiàn)場總線在分站通道配置許可的情況下互相通訊;由于煤礦井下環(huán)境惡劣，井下通訊線路易砸斷、進(jìn)水、短路，從而導(dǎo)致整條通訊線路無法通訊，故障影響范圍大、處理時間長，對煤礦安全生產(chǎn)有很大的危害。優(yōu)化設(shè)計后的監(jiān)控分站具有數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，當(dāng)一臺設(shè)備總線出現(xiàn)短路等故障時分站會關(guān)閉該通道從而不會對其他設(shè)備產(chǎn)生影響，因此該分站具有響應(yīng)快、故障影響范圍小、故障處理時間短等優(yōu)點。

4斷電器工作流程

傳統(tǒng)斷電器單向接收來自于監(jiān)控分站的電平或觸點類控制信號，按照分站所發(fā)出的指令執(zhí)行斷電。由于采用數(shù)字通訊技術(shù)的監(jiān)控分站不再對斷電器發(fā)出控制指令，斷電器需自行對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷并按照預(yù)先設(shè)置的斷電閾值執(zhí)行斷電，實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速響應(yīng)。

5系統(tǒng)間的聯(lián)動與融合

由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備都采用了現(xiàn)場總線通訊方式并使用了統(tǒng)一的通訊協(xié)議，因此系統(tǒng)間的融合和聯(lián)動就變得簡單易行。以一個工作面中安全監(jiān)控與人員定位的聯(lián)動為例，重點說明系統(tǒng)間的聯(lián)動。在工作面分別安裝甲烷傳感器T1和T2，并在相同位置安裝人員定位讀卡器;4臺設(shè)備通訊接入同一臺監(jiān)控分站，在中心站軟件上配置好設(shè)備間的通訊路由并設(shè)置斷電撤人閾值，即T1、T2傳感器數(shù)據(jù)除了發(fā)送給斷電器，還要實時發(fā)送給2臺人員定位讀卡器，當(dāng)工作面CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到斷電撤人閾值后，人員定位讀卡器向定位卡發(fā)送撤人命令，定位卡接收到撤人命令后發(fā)出聲光報警提示，人員的撤離情況實時被讀卡器采集并上傳到軟件中;調(diào)度室值班人員通過軟件及時了解現(xiàn)場人員撤離情況，有效避免人員撤離不及時或漏撤導(dǎo)致的意外事故發(fā)生。

6結(jié)語

通過在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中使用數(shù)字通訊技術(shù)和制訂統(tǒng)一的通訊協(xié)議，對監(jiān)控分站的功能重新定義并增加數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，使監(jiān)控系統(tǒng)在傳感器冒大數(shù)等異常數(shù)據(jù)方面的抑制能力有極大提高，同時系統(tǒng)具備了多網(wǎng)融合和系統(tǒng)間的聯(lián)動功能，實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的深度挖掘和利用，也為礦井?dāng)?shù)字化發(fā)展起到了促進(jìn)作用。新設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)可共用平臺，降低維護(hù)人員的工作量，提高了工作效率，煤礦不需要重復(fù)投資建設(shè)，節(jié)省了建設(shè)資金，同時也產(chǎn)生了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

作者:徐闖 何青松 單位:中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室