煤矿安全监控系统升级改造探究与实践

王福峰 张 乾 徐洪泽

（山东能源枣矿集团高煤公司，山东 枣庄 277000）

为符合煤矿行业的发展趋势，2016年底国家和行业均对煤矿安全监控系统提出了新的要求，尤其是《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》（煤安监函〔2016〕5号）和山东煤矿安全监察局《关于印发〈山东煤矿安全监控系统升级改造技术方案实施标准〉的通知》（鲁煤监技装〔2017〕70号）文件的相继出台，为系统的升级改造明确了方向，对原有煤矿安全监控系统的升级换代势在必行。高煤公司结合国家安监部门要求和自身多年来的技术积累，对现有的安全监控系统进行了全方位的优化设计。

1 升级改造前情况分析

高煤公司安全监测监控系统采用江苏三恒科技股份有限公司生产的KJ70N系统，该系统采用RS485总线传输，TCP/IP传输，中心站位置在矿生产调度指挥中心，是集环境安全、监测监控、信息管理、工业图像等多种系统为一体的新型综合监控系统。由于主传输线遍布井下各处，当任一地点线路老化漏电或短路时，就会造成整个系统的故障，系统巡检周期长，达不到《关于加强煤矿井下生产布局管理控制超强度生产的意见》（发改运行〔2014〕893号）要求的抗干扰四级。安全监控系统部分设备反复使用，老化严重，系统运行性能可靠性降低，不利于矿井的安全生产预测预报。高煤公司在原系统基础上进行升级改造，对原有部分设备进行更新，为满足行业规定，还对原有系统进行扩充，采用矿用本安型网络交换机组建先进1000M环网平台进行系统信号传输，对部分传感器进行补充，提升系统稳定性及抗干扰能力。通过分析研究，高煤公司主要存在以下几点不足：

（1）监测分站及各类监测传感器均为模拟传输方式，不符合要求。

（2）未推广使用先进传感技术及装备，各类监测设备的防护等级为IP54。

（3）系统未实现根据瓦斯浓度大小、瓦斯超限持续时间、瓦斯超限范围等设置不同的报警级别、实施分级响应以及逻辑报警功能。

（4）系统未具有自诊断、自评估功能及异常数据分析功能、瓦斯涌出、火灾等预测预警功能。

（5）监测分站后备电源方面，KJ70N安全监控系统中为监测分站、交换机供电的电源备用时间均能达到2h，未达到断电后备用电源能维持正常供电4h的要求。

2 升级改造原则及目标

2.1 升级改造原则

根据高煤公司实际，本次系统改造设计为满足《煤矿安全规程》（2016版）、《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》（煤安监函〔2016〕5号）和山东煤矿安全监察局《关于印发〈山东煤矿安全监控系统升级改造技术方案实施标准〉的通知》（鲁煤监技装〔2017〕70号），系统由KJ70N升级为KJ70X，依据以下原则进行设计：

（1）规范性原则。满足现行规程、标准及规范要求；

（2）稳定、可靠、成熟的原则。采用先进成熟的技术及产品；

（3）投资最优化原则。充分利用已有系统设备实现投资最优化，在原有传感器的基础上，更换芯片、探头等硬件，节约资金。

2.2 升级改造目标

高煤公司安全监控系统升级后，预期达到的目标如下：

（1）传感器到分站数据传输实现数字化，使用RS485总线传输技术，通信速率2400bps，确保数据传输的可靠性。

（2）升级的分站及传感器通过监控系统及组成设备达到静电抗扰度3级、电磁辐射抗扰度2级、脉冲群抗扰度3级、浪涌抗扰度3级等抗干扰认证，且系统取得抗干扰安标认证，高于国家标准。

（3）升级的分站、传感器防护等级均达到IP65，满足在恶劣环境中能正常工作。

（4）增设多参数传感器、激光甲烷传感器等先进技术装备。

（5）系统软件可设置4级报警，传感器的报警响度达到85dB，声光报警频率可实现4级，用不同频率进行区分。

（6）KJ70X系统支持地面、井下的数据融合，软件提供融合接口及协议规范：支持人员定位系统、应急广播系统、视频监控系统等系统融合，方便实现融合及应急联动，联动参数可设置。

（7）设计系统传输平台采用工业以太环网+总线技术，环网切换时间不大于50ms，实现多路数据并行快速传输。

（8）智能传感器实现标校提醒及故障诊断功能。

（9）软件实现自诊断功能，根据操作系统运行环境、设备布置及监测数据，对系统软件、分站、传感器等异常情况进行诊断，出具诊断报告，以便于系统维护。

（10）软件实现双机热备，当主机出现异常时，备机可自动切换为主机进行工作，实现无缝切换。

（11）实现了数据分析及应用：传感器标校数据分析、异常数据分析及大数据分析等。

（12）数据存储采用RSA加密算法，防止数据被破解篡改。

（13）系统性能指标得到大幅提升，巡检周期不超过10s，异地断电时间缩至5s，备用电源断电后正常供电时间提升到8h，双机热备实现自动切换，模拟量传输处理误差不超过0.5%，分站本安电源实现分级管理。

3 升级改造步骤

（1）成立安全监控系统升级改造专项领导小组，任务分解落实，制定工作任务清单，明确责任归属。

（2）为确保升级改造期间监控系统稳定有效运行，制定《高煤公司安全监控系统升级改造期间应急处置措施》。

（3）建设一套千兆工业以太环网用于安全监控系统专业传输。

（4）为了不影响老安全监测系统的运行，在地面监控室利用新主备机、服务器等搭建一套新安全监控系统，两套系统并行运行。同时新系统的上传软件，应将数据上传至上级集团公司。

（5）分阶段、分主次、分重点进行分站与电源的更换，优先把非重点区域的分站及传感器（如避难硐室）进行更换，接入新系统。

（6）安装重点采区的分站和传感器并接入新系统，实现新老系统的平滑过渡。

4 安全监控系统升级要点

4.1 系统组网方式升级

系统主干网应采用工业以太网，分站至主干网之间宜采用工业以太网，也可采用RS485、CAN、LonWorks、Prof i bus。“十三五”末应采用工业以太网，系统巡检周期不超过20s。地面中心站增加核心交换机，用于监控系统内网和连接外网的管理；增加井下环网交换机，和地面核心交换机形成一体式冗余环网方式；安装环网交换机管理软件平台1套，用于工业以太网实时对网络设备的配置。

4.2 提升传感器防护等级

高煤公司升级改造前使用的分站为KJ70N-F型分站，分站与传感器通信采用频率/电流模式。为满足RS485智能传感器的接入，提高设备抗干扰能力、信号传输可靠性及稳定性，并增加传感器自识别功能，需要将KJ70N-F型分站升级为KJ770-F5矿用智能型本安型分站。分站升级后，与传感器之间全部采用数字信号进行数据通讯。可实现对传感器远程参数设置、远程查看设备状态信息等功能，有效提升传感器、断电器等设备数据传输的抗干扰能力，解决了安全监控系统的“误报、误控”现象。

4.3 电源箱升级

备用电源能维持断电后正常供电时间由2h提升到4h；更换电池要求由仅能维持1h时必须更换，提高到仅能维持2h时必须更换；分站的最大远程本安供电距离（在设计工况条件下）实行分级管理，分别为2km、3km、6km。电源箱具备通信网络的工作状态显示。

4.4 推广应用先进技术及装备

推广使用架构简单系统以及激光、红外等低功耗传感器、自诊断型传感器，鼓励使用多参数传感器。突出矿井的采煤工作面进、回风巷、煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面回风流中，采区回风巷、总回风巷瓦斯传感器推荐使用激光、红外等全量程传感器。高煤公司在采煤工作面和掘进工作面分阶段、分批次更换GJG100J激光甲烷传感器，利用甲烷特征气体对应的独立的吸收波长进行测量，本身不受水汽的影响，利用光路可分特性，实现了传感器实时自校准功能，调校周期长，适于井下工作面或含有硫化氢气体的矿井使用。

4.5 支持多网多系统融合、应急联动

多系统采用地面融合方式，由于各系统属于不同厂家，需要各厂家共同配合，对各自软件进行统一协议，开放数据库端口，增加部分设备，并在公司调度指挥中心建立多系统融合平台，从而达到系统多网、多系统融合及应急联动的功能。

工控机共计2台，型号：研华工控610/i7/8G/1T/1G独立显卡；2×1000网卡；数字转接板；24寸显示器（2台）。

软件接口：定制版，内含报警电话联动模块(实现区域报警电话联系)、人员定位联动模块(实现区域报警时人员收到信息双向紧急呼叫功能)、应急广播联动模块(实现区域报警时广播播放通知)。

安装辅材：硬件防火墙一套（信息中心要求增加硬件防火墙(华为USG6308)；铠装尾纤60根、MHYVR1×4×7/0.52电缆300m。

5 升级改造效果分析

高煤公司利用光纤环网将井下各采掘头面及主要巷道所有监测点数据正常传输至地面监控中心站，系统运行稳定可靠，达到效果具体如下：

（1）升级改造后有效地实现新技术、新工艺的应用，实现安全监控系统的全数字化，传感器的防护等级由IP54提升到IP65，能够有效抵御矿尘、淋水等对设备性能的影响。构建多主并发、对等通信高速率、冗余数据传输平台，提升安全监控系统的抗电磁干扰能力，增强大数据的分析，具有自诊断、突出报警等功能，提高监控系统的可靠性、稳定性，同时大大缩短系统巡检周期（由原来23s缩短为11s），提高了工作效率。分站备用电源由2h提升到4h，提高了安全监控系统防护能力。

（2）当瓦斯超限、断电需立即撤人的紧急情况下，安全监控系统可自动与人员定位系统、报警电话及应急广播系统联动。