煤矿安全监控系统故障闭锁功能的探讨

黄伟++张杰

【摘 要】《煤矿安全规程》（以下简称《规程》）规定，安全监控设备必须具有故障闭锁功能。当与闭锁控制有关的设备未投入正常运行或者故障时，必须切断该监控设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后，自动解锁。那么，煤矿安全监控系统的故障闭锁有几种形式？如何实现？本文就该问题进行探讨。

【关键词】煤矿 安全监控系统 故障闭锁 分析

1 传感器故障闭锁

1.1 甲烷传感器未投入正常运行

井下瓦斯严重威胁煤矿安全生产，这里以国内煤矿井下常用的量程0～4.00%的甲烷传感器为例探讨传感器的故障闭障功能。安全监控系统通过传感器输出信号判断传感器运行情况，当传感器下向漂移超过多时，则应认为该传感器未投入正常运行。

国家在甲烷传感器精度误差方面的相关规定：

《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》（AQ1029-2007）规定低浓度载体催化式甲烷传感器调校时零点调校值控制在0.00～0.03%CH4之内。

《煤矿甲烷检测用载体催化元件》（AQ6202-2006）规定环境瓦斯气体在0.00～1.00%CH4时，该传感器元件绝对误差为±0.06 CH4。

《煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器》（AQ6203-2006）规定甲烷传感器的基本误差在0.00～1.00%CH4时，绝对误差为±0.10%CH4。

按照以上规定，量程0～4.00%甲烷传感器的零点漂移低于0即应重新调校；低于-0.06，传感器中的传感元件超过误差规定，应将传感器更换上井检查；低于-0.10说明传感器未投入正常运行。

对照《规程》规定，甲烷传感器运行不正常或故障时，系统必须切断该传感器所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁。所以，监控系统中甲烷传感器对应的断电控制除瓦斯超限设定的上控以外，还必须按照《规程》规定设定下控，下控值应设为-0.06和-0.10之间，结合煤矿井下现场实际，如风速、气温、粉尘以及传感器吊挂位置等因素，笔者认为下控值设为≤-0.10较为合理。

1.2 传感器失电故障

安全监控系统通过监控分站是否收到传感器输出信号来判断传感器传输是否正常。传感器输出信号有电压型、电流型、频率型及数字型等，检测量程有0～4.00%、0～10. 0%、0～40.0%、0～100%等，这里以我国煤矿井下常用的频率型甲烷传感器为例，其采用载体催化元件作为传感元件，检测量程0～4.00%对应输出频率200～1000Hz。

設传感器检测出的甲烷浓度为x，传感器输出频率为f，二者关系可用以下公式表示。

传感器失电时，无频率信号输出，安全监控系统收到的频率为0，代入上式，系统认为甲烷传感器的“输出值”为-1。

对照《规程》规定，甲烷传感器失电故障时，系统必须切断该传感器所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁。所以，监控系统中甲烷传感器必须按照《规程》规定设定下控，下控值应设为-1.00。

1.3 传感器与分站连线中断故障

传感器无信号输出或连接线缆中的信号正负芯线任一断开，监控系统不能收到甲烷传感器的信号，即频率为0，甲烷传感器的“输出值”为-1。与上相同，系统自动切断该传感器所监控区域的设备电源。

以上探讨传感器未投入正常运行、失电、无信号输出等故障，该故障闭锁功能均为系统对传感器输出信号的判别，且同为下控，鉴于传感器未投入运行的故障闭锁设置值（-0.1）高于失电、无信号输出的故障闭锁值（-1.0），当传感器失电或连接线缆故障时，系统已按-0.1先于-1.0执行断电了，所以设置了-0.1后，该设置值（-1.0）可设可不设，笔者认为只要系统允许二者均应设置。

2 断电控制器的故障闭锁

按照《煤矿安全监控系统通用技术要求》（AQ6201-2006）中的术语和定义，断电控制器是监控系统控制磁力启动器、馈电开关等供电开关的装置。因监控分站本身提供的断电触点容量较小且为本质安全型，不能直接用来控制矿用供电开关的控制回路，一般在监控分站和供电开关之间加装一台触点容量较大、本安转隔爆的断电控制器，煤矿常简称为断电器。

对照《规程》要求，当与闭锁控制有关的断电控制器未投入正常运行或者故障时，必须切断该断电控制器所控区域的全部非本质安全型电气设备并闭锁。

断电控制器通过内部继电器实施断电，继电器接收断电命令输出常开或常闭接点达到故障闭锁功能。当中心站设置完成后，实现断电控制器故障闭锁功能在于选择常开或常闭接点。下面分三种情况简要说明：

（1）对于磁力起动的磁力起动器、馈电开关及高压防爆真空接触器，俗称“电保持”的供电开关，应采取断电控制器提供的常开接点串入接触器的停止按钮的方式；如图1。

（2）对于采取脱扣器的馈电开关及高压防爆真空断路器，俗称“机械保持”的供电开关，应采取断电控制器提供的常闭触点并入断路器的分励接点的方式；如图2。

（3）由于矿用供电开关普遍采用智能综合保护器，提供瓦斯电闭锁信号的接点，断电控制器可以按开关说明书要求直接提供常开或常闭接点；如图3。

3 监控分站的故障闭锁

安全监控系统的分站具有超限判别、逻辑运算以及输出控制信号等能力，其对外输出控制接点的方式有二类，一类是输出触点直接控制矿用供电开关，如图4；另一类是通过断电控制器间接控制矿用供电开关，该类又分成触点型和电位型二种形式，如图5、图6。以下分别说明。

（1）图4所示的控制方式，在监控系统中称为近程断电。监控分站在其防爆电源箱内部专设的控制触点，一般为2组，每组均有常闭常开供选择，可用来直接控制矿用供电开关。优点是触点容量大，无需断电控制器转接；缺点是触点为隔爆型，控制距离近，维护较为繁琐。

分站故障闭锁功能简述如下，分站提供矿用供电开关相应的控制触点（图中所示为常开），监控分站停电且蓄电池电源耗尽后，分站内部继电器失电，（常开）触点打开，矿用供电开关控制回路的继电器失电，供电开关分断，负荷无电。

有的煤矿监控部门采用分站提供的本安触点直接控制供电开关控制回路，效果很好。但这里需要指出的是分站本质安全输出触点必须对应供电开关的本质安全型接口，且须按规定进行联检；分站的防爆触点必须对应供电开关的防爆接口，禁止本安、防爆相互交叉，相互混淆，否则会酿大祸。

（2）图5所示的控制方式是监控系统中常用断电方式。监控分站一般提供6至8组本安型触点，且均有常开常闭选择，该触点通过断电控制器转接控制矿用供电开关，其优点是安全可靠，维护方便；缺点是中间多了一个环节。

分站故障闭锁功能简述如下，分站提供给断电控制器常开触点，断电控制器提供给供电开关相应的控制触点（一般为常开）。监控分站停电且蓄电池电源耗尽后，分站内部继电器失电，常开触点打开，断电控制器输出触点打开，供电开关控制回路的继电器失电，供电开关分断，负荷无电。

（3）图6所示的控制方式是监控系统近年来兴起的一种方式。监控分站提供电位控制断电控制器并进而控制供电开关，其优缺点同图5，一般来说，分站与断电器应配套使用。

分站故障闭锁功能简述如下，分站提供给断电控制器电位控制口，断电控制器提供给供电开关相应的控制触点（一般为常开）。正常情况下，分站输出高电位给断电控制器，断电控制器输出触点闭合，供电开关可以送电；监控分站停电且蓄电池电源耗尽后，分站电位为零，控制断电器输出触点打开，供电开关控制回路的继电器失电，供电开关分断，负荷无电。

4 分站通讯中断的故障闭锁

随着煤矿采深的增加，突出煤层的管理愈加困难、通风系统愈加复杂，分站异地控制几乎存在于所有煤矿安全监控系统，但其通讯中断的故障闭锁功能却常常易于忽视，甚至很多厂家的监控系统根本没有该项功能；有该项功能的系统，煤矿监控部门也不使用。

如图7中分站B，监控分站B接受系统中心站初始化命令后，即可在甲烷传感器超限的情况下，自动切断本分站所控区域设备电源。但安全监控系统在使用过程中常常遇见甲烷传感器与断电控制端口不在同一分站的现象，如采煤工作面上下风巷、远距离回风系统、多个采掘工作面的回风系统相互影响、模拟量较多一个分站不能容下等，这种情况下必须采用异地控制。

如图7所示，当分站B所带甲烷传感器超限后，本分站不能直接控制分站A的控制口，只能传递超限信息至地面监控中心站，中心站发布断电命令至分站A，分站A驱动相应控制口，切断被控区域设备电源，此谓异地断电。

当控制分站（B）无电、控制分站（B）或被控分站（A）通讯线路断开或短路等情况下，一旦控制分站（B）所带甲烷传感器超限，被控分站（A）就无法接受命令实施异地斷电。这种情况下，被控分站即应实施通讯中断故障闭锁。

5 监控系统的故障闭锁

监控系统出现服务器当机、交换机故障、主通讯线缆断线等系统故障时，执行本地断电的井下分站仍可以独立运行，继续接收传感器传送的数据，判断超限信息并自动发出断电指令；执行异地断电的分站是由中心站发出指令（如上图），对监控区域执行断电。所以，监控系统出现上述情况后，异地分站（图7监控分站B）所带甲烷传感器超限后，受异地控制的分站（图7监控分站A）无法接收断电指令，其瓦斯电闭锁区域属于失控状态。由于系统故障后，分站接受不到中心站指令，同属分站通讯中断，所以监控系统的故障闭锁可由分站通讯中断的故障闭锁功能替代。