劉 肸

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

引言

隨著煤礦資源的大量開采，要求所開采區(qū)域具有更高的安全性，這也是當(dāng)前企業(yè)實(shí)施煤礦智能化開采的重要任務(wù)。因此，國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》的通知煤安監(jiān)函〔2016〕5號(hào)，要求煤礦開采區(qū)域需要進(jìn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不斷進(jìn)行升級(jí)改造[1]。當(dāng)前，由于井下環(huán)境的惡劣性，大部分區(qū)域的煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)線路短路、漏電、信號(hào)傳輸不及時(shí)、信號(hào)監(jiān)測范圍較窄等問題，這給實(shí)施井下的全面監(jiān)控及控制造成了較大困難。不斷開展井下監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)礦井智能化建設(shè)的首要任務(wù)。

1 現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

通過對現(xiàn)有井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和分析，得知井下安全監(jiān)控系統(tǒng)存在較多問題，主要包括如下幾點(diǎn)：

1）監(jiān)控系統(tǒng)整體的信號(hào)傳輸能力及效率相對較低，基本上還采用了傳統(tǒng)的頻率型傳輸方式，在傳輸過程中存在信號(hào)易受外界干擾、自身電磁屏蔽性能較弱等問題，無法獲取實(shí)時(shí)及準(zhǔn)確的井下狀態(tài)參數(shù)[2]；

2）由于井下環(huán)境的惡劣性，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)中的較多零件及設(shè)備出現(xiàn)了性能不穩(wěn)定、性能較弱等問題，使用時(shí)也出現(xiàn)了設(shè)備失靈現(xiàn)象，導(dǎo)致所監(jiān)控的相關(guān)信息存在較大的差異性及不準(zhǔn)確性；

3）隨著井下開采設(shè)備及區(qū)域的不斷擴(kuò)大，前期設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心存在運(yùn)行速度較慢、信息處理量較低等問題，整套系統(tǒng)的運(yùn)行及計(jì)算能力已無法滿足大數(shù)據(jù)監(jiān)控下的計(jì)算需求[3]；

4）所匹配的監(jiān)控系統(tǒng)中采集單元模塊相對較少，精度相對較低，采集單元無自診能力，整體的系統(tǒng)布局及全面檢測能力不足，已無法滿足當(dāng)前多數(shù)據(jù)、多狀態(tài)的井下監(jiān)控需求；

為此，有必要結(jié)合當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，采用更加先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，對其進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)井下作業(yè)的安全性。

2 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

結(jié)合現(xiàn)有的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀，開展了井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)包括了采集終端、電力監(jiān)控、人員定位、廣播系統(tǒng)、區(qū)域控制器、WIFI通訊模塊、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、多系統(tǒng)融合平臺(tái)、PC控制機(jī)等部分，其中，采集終端包括了一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷、溫度、壓力等傳感器，主要負(fù)責(zé)對井下相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，所采集數(shù)據(jù)通過RS485總線和CAN總線方式將其傳輸至區(qū)域控制器中進(jìn)行信號(hào)的分析、運(yùn)算及處理，經(jīng)過環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的信號(hào)轉(zhuǎn)換后，將處理后的信號(hào)傳輸至PC終端訪問機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示[4]。同時(shí)，利用光纖通訊方式，將采集數(shù)據(jù)通過服務(wù)器和無線WIFI模塊傳輸至相應(yīng)操作人員的手機(jī)中，保證操作人員能對井下狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，針對發(fā)現(xiàn)的故障問題，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急操作。另外，系統(tǒng)中的系列化智能監(jiān)控分站，主要負(fù)責(zé)對所監(jiān)測的傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、分類顯示、報(bào)警、斷電控制與地面監(jiān)控中心站的數(shù)據(jù)通訊、所接傳感器的集中供電等。升級(jí)后的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖如下頁圖1所示。

圖1 煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)

結(jié)合所設(shè)計(jì)的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，確定了整套監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)，具體如下：

1）傳輸距離：分站至環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的距離不小于5 km。

2）傳輸電纜：模擬量傳感器電纜4芯（可接兩個(gè)傳感器），開關(guān)量傳感器電纜4芯。

3）系統(tǒng)誤碼率小于10%～8%；模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%。

4）本地控制執(zhí)行時(shí)間小于2 s；系統(tǒng)巡檢周期小于20 s。

5）分站電源箱輸入輸出電壓交流輸入電壓為90～900 V AC。

6）本安直流電源輸出參數(shù)：25V/470mA、19V/800 mA、13.5 V/1.2 A。

7）傳感器信號(hào)制式：模擬量為RS485；開關(guān)量為RS485或電流信號(hào)。

8）斷電容量：36 V/5 A、660 V/0.3 A。

3 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

3.1 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合展示設(shè)計(jì)

多系統(tǒng)融合的目的是要將安全監(jiān)控平臺(tái)相關(guān)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成融合到安全監(jiān)控平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的融合展示、分析和利用。多系統(tǒng)融合展示采用開源二維GIS技術(shù)，具有編輯、分層、移動(dòng)、縮放、測量、實(shí)時(shí)曲線展示等功能，支持WEB瀏覽，多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合展示界面如圖2所示。主要具有以下幾點(diǎn)功能[5]：

圖2 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合展示界面

1）可以進(jìn)行CAD圖紙導(dǎo)入操作，以礦井巷道圖作為背景，實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測點(diǎn)位置、值和狀態(tài)，并具有放大、縮小、移動(dòng)功能；

2）瓦斯監(jiān)控、廣播監(jiān)測在點(diǎn)擊后顯示監(jiān)測點(diǎn)詳細(xì)信息，并有實(shí)時(shí)曲線監(jiān)視功能；

3）人員定位讀卡器監(jiān)測點(diǎn)顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)，并顯示當(dāng)前位置的總?cè)藬?shù)，點(diǎn)擊后顯示當(dāng)前位置人員的實(shí)時(shí)信息列表；

4）電網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)在點(diǎn)擊后，顯示當(dāng)前設(shè)備下各參數(shù)的實(shí)時(shí)值及狀態(tài)，以及監(jiān)測點(diǎn)的定義信息；

5）具有按系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)設(shè)備數(shù)據(jù)、異常設(shè)備數(shù)量的功能。

3.2 一氧化碳傳感器選型設(shè)計(jì)

井下作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的一氧化碳?xì)怏w，濃度一旦超過相應(yīng)閥值，則極可能使井下出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患。為此，選用了市場上成熟的GTH1000型礦用一氧化碳傳感器。該傳感器是一種專門用以監(jiān)測煤礦作業(yè)現(xiàn)場內(nèi)一氧化碳?xì)怏w濃度的固定式本質(zhì)安全型檢測儀表。儀器采用特殊的防塵、防水等措施，可有效克服現(xiàn)場目標(biāo)氣體各種參數(shù)變化帶來的影響，實(shí)現(xiàn)0～1 000×10-6范圍內(nèi)一氧化碳?xì)怏w的準(zhǔn)確測量并就地顯示，防護(hù)等級(jí)：IP67，設(shè)備響應(yīng)時(shí)間不大于35 s，同時(shí)將一氧化碳濃度值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳輸給配接設(shè)備[6]。本傳感器還具有聲光報(bào)警、故障自檢等功能，其實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 一氧化碳傳感器實(shí)物圖

3.3 煙霧傳感器選型

井下開采過程中，若出現(xiàn)了火災(zāi)而未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將給井下造成嚴(yán)重的安全隱患。因此，可通過煙霧報(bào)警器對井下煙霧進(jìn)行檢查，以掌握井下是否發(fā)生火災(zāi)情況。為此，選用了GQQ5型煙霧傳感器，該傳感器主要用于監(jiān)測煤礦井下因機(jī)械摩擦、煤層燃燒等原因引起的火災(zāi)事故，工作電壓為9～25V DC，輸出信號(hào)為RS485總線型，聲光報(bào)警。傳感器自帶聲光報(bào)警功能，可與各種生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。煙霧傳感器實(shí)物圖詳見下頁圖4。

圖4 煙霧傳感器實(shí)物圖

3.4 本安型溫度監(jiān)測儀的選型

由于井下通風(fēng)效果相對較差，加上人員長期在井下作業(yè)，溫度過高，將會(huì)對井下作業(yè)安全造成嚴(yán)重影響，也會(huì)對人員的生命健康構(gòu)成威脅。為此，選用了YHW200礦用本安型溫度監(jiān)測儀通過接入PT100鉑電阻測量溫度，其工作電壓為9.0～25.0V DC，工作電流≤300 mA，路數(shù)為16路，測量范圍為-40～200℃，最大傳輸距離為2 km，具有RS485通信功能，可在煤礦井下存在瓦斯或煤塵爆炸危險(xiǎn)的場所工作，也可應(yīng)用于地面非爆炸性危險(xiǎn)場所。本安型溫度監(jiān)測儀實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 本安型溫度監(jiān)測儀實(shí)物圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能，將其在煤礦現(xiàn)場中進(jìn)行了為期6個(gè)月的應(yīng)用測試。測試過程中，主要對井下的各類參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并測試系統(tǒng)的整體性能。通過測試可知，該監(jiān)控系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，能實(shí)時(shí)對井下一氧化碳、甲烷、二氧化碳、溫度等各類參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，并能快速地將各類井下參數(shù)通過顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)井下某一參數(shù)超過相應(yīng)閥值時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出不同等級(jí)的聲光報(bào)警提示，整個(gè)過程無需人員在井下進(jìn)行操作。對于出現(xiàn)的各類問題和故障位置，人員將會(huì)有針對性地對故障進(jìn)行維護(hù)排除，以保證井下作業(yè)的安全性。該系統(tǒng)應(yīng)用后，井下的故障率降低了40%左右，企業(yè)也因故障率降低及人員人數(shù)減少而減少了大量的費(fèi)用支出，整體控制功能達(dá)到了預(yù)期效果。這對保障井下作業(yè)安全性具有重要作用。