王福峰 張 乾 徐洪澤

（山東能源棗礦集團(tuán)高煤公司，山東 棗莊 277000）

為符合煤礦行業(yè)的發(fā)展趨勢，2016年底國家和行業(yè)均對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的要求，尤其是《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》（煤安監(jiān)函〔2016〕5號）和山東煤礦安全監(jiān)察局《關(guān)于印發(fā)〈山東煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案實施標(biāo)準(zhǔn)〉的通知》（魯煤監(jiān)技裝〔2017〕70號）文件的相繼出臺，為系統(tǒng)的升級改造明確了方向，對原有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級換代勢在必行。高煤公司結(jié)合國家安監(jiān)部門要求和自身多年來的技術(shù)積累，對現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了全方位的優(yōu)化設(shè)計。

1 升級改造前情況分析

高煤公司安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采用江蘇三恒科技股份有限公司生產(chǎn)的KJ70N系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用RS485總線傳輸，TCP/IP傳輸，中心站位置在礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，是集環(huán)境安全、監(jiān)測監(jiān)控、信息管理、工業(yè)圖像等多種系統(tǒng)為一體的新型綜合監(jiān)控系統(tǒng)。由于主傳輸線遍布井下各處，當(dāng)任一地點線路老化漏電或短路時，就會造成整個系統(tǒng)的故障，系統(tǒng)巡檢周期長，達(dá)不到《關(guān)于加強(qiáng)煤礦井下生產(chǎn)布局管理控制超強(qiáng)度生產(chǎn)的意見》（發(fā)改運(yùn)行〔2014〕893號）要求的抗干擾四級。安全監(jiān)控系統(tǒng)部分設(shè)備反復(fù)使用，老化嚴(yán)重，系統(tǒng)運(yùn)行性能可靠性降低，不利于礦井的安全生產(chǎn)預(yù)測預(yù)報。高煤公司在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，對原有部分設(shè)備進(jìn)行更新，為滿足行業(yè)規(guī)定，還對原有系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，采用礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組建先進(jìn)1000M環(huán)網(wǎng)平臺進(jìn)行系統(tǒng)信號傳輸，對部分傳感器進(jìn)行補(bǔ)充，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性及抗干擾能力。通過分析研究，高煤公司主要存在以下幾點不足：

（1）監(jiān)測分站及各類監(jiān)測傳感器均為模擬傳輸方式，不符合要求。

（2）未推廣使用先進(jìn)傳感技術(shù)及裝備，各類監(jiān)測設(shè)備的防護(hù)等級為IP54。

（3）系統(tǒng)未實現(xiàn)根據(jù)瓦斯?jié)舛却笮?、瓦斯超限持續(xù)時間、瓦斯超限范圍等設(shè)置不同的報警級別、實施分級響應(yīng)以及邏輯報警功能。

（4）系統(tǒng)未具有自診斷、自評估功能及異常數(shù)據(jù)分析功能、瓦斯涌出、火災(zāi)等預(yù)測預(yù)警功能。

（5）監(jiān)測分站后備電源方面，KJ70N安全監(jiān)控系統(tǒng)中為監(jiān)測分站、交換機(jī)供電的電源備用時間均能達(dá)到2h，未達(dá)到斷電后備用電源能維持正常供電4h的要求。

2 升級改造原則及目標(biāo)

2.1 升級改造原則

根據(jù)高煤公司實際，本次系統(tǒng)改造設(shè)計為滿足《煤礦安全規(guī)程》（2016版）、《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》（煤安監(jiān)函〔2016〕5號）和山東煤礦安全監(jiān)察局《關(guān)于印發(fā)〈山東煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案實施標(biāo)準(zhǔn)〉的通知》（魯煤監(jiān)技裝〔2017〕70號），系統(tǒng)由KJ70N升級為KJ70X，依據(jù)以下原則進(jìn)行設(shè)計：

（1）規(guī)范性原則。滿足現(xiàn)行規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求；

（2）穩(wěn)定、可靠、成熟的原則。采用先進(jìn)成熟的技術(shù)及產(chǎn)品；

（3）投資最優(yōu)化原則。充分利用已有系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)投資最優(yōu)化，在原有傳感器的基礎(chǔ)上，更換芯片、探頭等硬件，節(jié)約資金。

2.2 升級改造目標(biāo)

高煤公司安全監(jiān)控系統(tǒng)升級后，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)如下：

（1）傳感器到分站數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)數(shù)字化，使用RS485總線傳輸技術(shù)，通信速率2400bps，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（2）升級的分站及傳感器通過監(jiān)控系統(tǒng)及組成設(shè)備達(dá)到靜電抗擾度3級、電磁輻射抗擾度2級、脈沖群抗擾度3級、浪涌抗擾度3級等抗干擾認(rèn)證，且系統(tǒng)取得抗干擾安標(biāo)認(rèn)證，高于國家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）升級的分站、傳感器防護(hù)等級均達(dá)到IP65，滿足在惡劣環(huán)境中能正常工作。

（4）增設(shè)多參數(shù)傳感器、激光甲烷傳感器等先進(jìn)技術(shù)裝備。

（5）系統(tǒng)軟件可設(shè)置4級報警，傳感器的報警響度達(dá)到85dB，聲光報警頻率可實現(xiàn)4級，用不同頻率進(jìn)行區(qū)分。

（6）KJ70X系統(tǒng)支持地面、井下的數(shù)據(jù)融合，軟件提供融合接口及協(xié)議規(guī)范：支持人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)融合，方便實現(xiàn)融合及應(yīng)急聯(lián)動，聯(lián)動參數(shù)可設(shè)置。

（7）設(shè)計系統(tǒng)傳輸平臺采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+總線技術(shù)，環(huán)網(wǎng)切換時間不大于50ms，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)并行快速傳輸。

（8）智能傳感器實現(xiàn)標(biāo)校提醒及故障診斷功能。

（9）軟件實現(xiàn)自診斷功能，根據(jù)操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備布置及監(jiān)測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)軟件、分站、傳感器等異常情況進(jìn)行診斷，出具診斷報告，以便于系統(tǒng)維護(hù)。

（10）軟件實現(xiàn)雙機(jī)熱備，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)異常時，備機(jī)可自動切換為主機(jī)進(jìn)行工作，實現(xiàn)無縫切換。

（11）實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用：傳感器標(biāo)校數(shù)據(jù)分析、異常數(shù)據(jù)分析及大數(shù)據(jù)分析等。

（12）數(shù)據(jù)存儲采用RSA加密算法，防止數(shù)據(jù)被破解篡改。

（13）系統(tǒng)性能指標(biāo)得到大幅提升，巡檢周期不超過10s，異地斷電時間縮至5s，備用電源斷電后正常供電時間提升到8h，雙機(jī)熱備實現(xiàn)自動切換，模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%，分站本安電源實現(xiàn)分級管理。

3 升級改造步驟

（1）成立安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造專項領(lǐng)導(dǎo)小組，任務(wù)分解落實，制定工作任務(wù)清單，明確責(zé)任歸屬。

（2）為確保升級改造期間監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定有效運(yùn)行，制定《高煤公司安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造期間應(yīng)急處置措施》。

（3）建設(shè)一套千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)用于安全監(jiān)控系統(tǒng)專業(yè)傳輸。

（4）為了不影響老安全監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行，在地面監(jiān)控室利用新主備機(jī)、服務(wù)器等搭建一套新安全監(jiān)控系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)并行運(yùn)行。同時新系統(tǒng)的上傳軟件，應(yīng)將數(shù)據(jù)上傳至上級集團(tuán)公司。

（5）分階段、分主次、分重點進(jìn)行分站與電源的更換，優(yōu)先把非重點區(qū)域的分站及傳感器（如避難硐室）進(jìn)行更換，接入新系統(tǒng)。

（6）安裝重點采區(qū)的分站和傳感器并接入新系統(tǒng)，實現(xiàn)新老系統(tǒng)的平滑過渡。

4 安全監(jiān)控系統(tǒng)升級要點

4.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方式升級

系統(tǒng)主干網(wǎng)應(yīng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，分站至主干網(wǎng)之間宜采用工業(yè)以太網(wǎng)，也可采用RS485、CAN、LonWorks、Prof i bus?！笆濉蹦?yīng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，系統(tǒng)巡檢周期不超過20s。地面中心站增加核心交換機(jī)，用于監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)和連接外網(wǎng)的管理；增加井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，和地面核心交換機(jī)形成一體式冗余環(huán)網(wǎng)方式；安裝環(huán)網(wǎng)交換機(jī)管理軟件平臺1套，用于工業(yè)以太網(wǎng)實時對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置。

4.2 提升傳感器防護(hù)等級

高煤公司升級改造前使用的分站為KJ70N-F型分站，分站與傳感器通信采用頻率/電流模式。為滿足RS485智能傳感器的接入，提高設(shè)備抗干擾能力、信號傳輸可靠性及穩(wěn)定性，并增加傳感器自識別功能，需要將KJ70N-F型分站升級為KJ770-F5礦用智能型本安型分站。分站升級后，與傳感器之間全部采用數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊?？蓪崿F(xiàn)對傳感器遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程查看設(shè)備狀態(tài)信息等功能，有效提升傳感器、斷電器等設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，解決了安全監(jiān)控系統(tǒng)的“誤報、誤控”現(xiàn)象。

4.3 電源箱升級

備用電源能維持?jǐn)嚯姾笳９╇姇r間由2h提升到4h；更換電池要求由僅能維持1h時必須更換，提高到僅能維持2h時必須更換；分站的最大遠(yuǎn)程本安供電距離（在設(shè)計工況條件下）實行分級管理，分別為2km、3km、6km。電源箱具備通信網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)顯示。

4.4 推廣應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)及裝備

推廣使用架構(gòu)簡單系統(tǒng)以及激光、紅外等低功耗傳感器、自診斷型傳感器，鼓勵使用多參數(shù)傳感器。突出礦井的采煤工作面進(jìn)、回風(fēng)巷、煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌出的巖巷掘進(jìn)工作面回風(fēng)流中，采區(qū)回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷瓦斯傳感器推薦使用激光、紅外等全量程傳感器。高煤公司在采煤工作面和掘進(jìn)工作面分階段、分批次更換GJG100J激光甲烷傳感器，利用甲烷特征氣體對應(yīng)的獨立的吸收波長進(jìn)行測量，本身不受水汽的影響，利用光路可分特性，實現(xiàn)了傳感器實時自校準(zhǔn)功能，調(diào)校周期長，適于井下工作面或含有硫化氫氣體的礦井使用。

4.5 支持多網(wǎng)多系統(tǒng)融合、應(yīng)急聯(lián)動

多系統(tǒng)采用地面融合方式，由于各系統(tǒng)屬于不同廠家，需要各廠家共同配合，對各自軟件進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)議，開放數(shù)據(jù)庫端口，增加部分設(shè)備，并在公司調(diào)度指揮中心建立多系統(tǒng)融合平臺，從而達(dá)到系統(tǒng)多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合及應(yīng)急聯(lián)動的功能。

工控機(jī)共計2臺，型號：研華工控610/i7/8G/1T/1G獨立顯卡；2×1000網(wǎng)卡；數(shù)字轉(zhuǎn)接板；24寸顯示器（2臺）。

軟件接口：定制版，內(nèi)含報警電話聯(lián)動模塊(實現(xiàn)區(qū)域報警電話聯(lián)系)、人員定位聯(lián)動模塊(實現(xiàn)區(qū)域報警時人員收到信息雙向緊急呼叫功能)、應(yīng)急廣播聯(lián)動模塊(實現(xiàn)區(qū)域報警時廣播播放通知)。

安裝輔材：硬件防火墻一套（信息中心要求增加硬件防火墻(華為USG6308)；鎧裝尾纖60根、MHYVR1×4×7/0.52電纜300m。

5 升級改造效果分析

高煤公司利用光纖環(huán)網(wǎng)將井下各采掘頭面及主要巷道所有監(jiān)測點數(shù)據(jù)正常傳輸至地面監(jiān)控中心站，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到效果具體如下：

（1）升級改造后有效地實現(xiàn)新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的全數(shù)字化，傳感器的防護(hù)等級由IP54提升到IP65，能夠有效抵御礦塵、淋水等對設(shè)備性能的影響。構(gòu)建多主并發(fā)、對等通信高速率、冗余數(shù)據(jù)傳輸平臺，提升安全監(jiān)控系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，增強(qiáng)大數(shù)據(jù)的分析，具有自診斷、突出報警等功能，提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，同時大大縮短系統(tǒng)巡檢周期（由原來23s縮短為11s），提高了工作效率。分站備用電源由2h提升到4h，提高了安全監(jiān)控系統(tǒng)防護(hù)能力。

（2）當(dāng)瓦斯超限、斷電需立即撤人的緊急情況下，安全監(jiān)控系統(tǒng)可自動與人員定位系統(tǒng)、報警電話及應(yīng)急廣播系統(tǒng)聯(lián)動。