煤矿安全监控系统升级改造

苏科科

（山西晋煤集团晋圣坡底煤业有限公司机电管理部 山西省晋城市 048006）

国家煤矿安监局组织制定《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》，该方案要求煤矿在用的安全监控系统应当进行升级改造。由于煤矿井下作业环境比较恶劣，为确保安全监控设备的稳定、可靠运行，应当保证升级改造方案的可行性和可操作性。借此，下面以某煤矿为例，对安全监控系统升级改造过程进行分析探讨。

1 矿井安全监控系统的现状分析

某煤矿现有的安全监控系统为KJ95N 型，双机热备份，主机故障后，备用机能够在5min 内投入运行。其他安装有有线通信系统，可提供传统的调度功能，语音广播与无线通信系统目前尚未安装，矿井并未建设工业环网。依据煤安监函〔2016〕5 号的要求，由相关专家对该煤矿现有的安全监控系统进行评估，根据评估结果为该系统升级改造提供依据。本次评估结果如下：该煤矿现有的KJ95N型安全监控系统在软件数据应用分析、融合联动、报警断电等方面，传感器在数字化、防护等级、抗电磁干扰以及故障自诊断等方面，监控分站、防爆电源在抗干扰等方面，均与《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的要求不符。据此提出如下建议：对安全监控系统进行更换，实现人员定位系统的融合与联动。

2 煤矿安全监控系统升级改造方案

2.1 升级改造方案的设计原则

在煤矿安全监控系统升级改造方案设计的过程中，应当遵循以下几点原则：

2.1.1 安全性原则

2.1.2 可靠性原则

升级改造后的安全监控系统要选用性能优、质量高、技术先进的设备，以确保能够全年全天候不间断运行。系统中的所有设备及线路应当能够适应煤矿井下恶劣的环境，如高温、高压、高瓦斯等，并且要具备足够的抗干扰能力，这样才能确保整个系统的运行可靠性。

2.1.3 可扩展性原则

升级改造后的系统应当能够支持本地与远程访问，在这两种情况下，操作人员应当能够从屏幕上观察到相关的监控数据。系统要有良好的人机交互界面，并实现文字符号化、数据图形化。同时，整个系统要有配置、告警以及安全管理等基本功能。

2.2 系统的改造方案

由于煤矿现有的安全监控系统在诸多方面都无法满足相关要求，经过研究之后决定引入一套新的安全监控系统，即KJ823X，该系统已取得新的煤安标志证书，并且与升级条件完全相符，本次更新改造的内容包括以下几个方面：监控服务器、软件、分站、传感器以及传输线缆。具体的改造方案如下：

2.2.1 机房内关键设备的改造

煤矿机房内关键设备的更新改造以煤安监函〔2016〕5 号和AQ6201-2006 为依据，新系统选用的是KJ823X 安全监控系统。监控主机共两台，一主一备，型号为华北工控（IPC-610）；核心交换机1 台，采用的是IES5028-4GS 系列产品。在机房内配备了UPS电源，即不间断电源，如果交流电源因故障断电，UPS 会自行启动，并为中心站设备提供不少于8h 的电能供应。同时在机房内配备网络防火墙，保证网络运行的安全性。

移动应用的类型选择确定了其开发模式，开发模式的确定影响着技术栈的选择，技术栈的选择影响着开发团队的建设；反之，开发团队的技术积累会影响技术选型和开发模式，进而影响移动应用的类型选择。

2.2.2 监控分站的改造

由于煤矿现有安全监控系统的监控分站抗干扰能力与《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中的有关规定要求不符。故此，需要更换为与KJ823X 关联的矿用本安型监控分站，关键参数如下：电源的输入电压为12V，电流在800mA 以内，并具有煤安标志及防爆证书；通讯接口为上下行，上行4 路，2 路百兆光接口，2 路百兆RJ45 接口，下行11 路，其中独立隔离型CAN 接口6 路，隔离型485 接口1 路，DI 接口4 路；显示方式为液晶屏（5 寸彩显）；分站支持的总线型传感器的接入数量为20，不限类型，分站与传感器之间的最大通信距离为6.0km。

2.2.3 分站电源设备的改造

煤矿现有系统的监控分站电源备用电池的供电时长为2h，与《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中给出的4h 规定要求不符。因此，要将电源更换为与KJ823X 系统关联的电源设备。新电源的关键技术参数如下：电源的输入为127V-660V，输出为3 路本安型电源，其中1 路可为监控分站提供稳定的工作电源，另外两路则为传感器提供电源，最高的输出电压为28V。当交流断电时，电源能够持续工作4h 以上，电源设备应当具备煤安标志及防爆证书。电源要自带交直流切换，时间应≤500ms，并且还要带有自动恢复功能，故障后能自行恢复工作。电源可以对如下监测信息进行上传：交直流供电状态、电池工作状态及电量等。

2.2.4 传感器的升级改造

煤矿现有安全监控系统在传输、防护以及抗电磁干扰等方面均与《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中给出的规定要求不符。因此，需要更换为与KJ823X 系统相关联的传感器，以CAN 总线进行数据传输。传感器的技术特征如下：传输数字化、分级报警、井下在线标校等，防护等级为IP65，且具有煤安标志。

2.2.5 网络与线缆的改造

对煤矿中原有的光缆加以充分利用，组建成一个监测环网，起点设置在调度楼，经由主斜井至甩车场敷设一根光纤，即地面上1台核心交换机，井下中央变电所1 台交换机，煤仓临时配电点1 台交换机，通过光纤实现两两连接。监控分站与环网交换机之间采用MGXTW-4B 型光纤，监控分站与现场传感器之间的通信线缆更换为具有屏蔽层的通信电缆；监控分站的电源线缆采用矿用阻燃橡套电缆，煤矿井下设备使用的电缆均为阻燃型且具有煤安标志。

2.3 新系统的主要功能

煤矿升级改造后的安全系统（以下简称新系统），除了符合《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的相关规定要求之外，还具备诸多功能，如数据传输数字化、抗电磁干扰、报警与断电控制、分级报警、逻辑报警、支持多网多系统融合、数据格式规范、综合数据应用分析、系统运行维护与管理、报表打印、应急联动、自诊断、电源管理、图表显示等等。

2.4 多系统融合

煤矿安全监控系统升级改造是一项复杂的工作，其中涵盖的内容比较多，上至系统主机、下至传感器，因此需要考虑安全类监测系统之间的数据融合问题。多系统融合是比较可行的解决方案，包括地面“一矿一图”式信息显示，井下联动报警、应急救援指挥以及井下设备数据与信息融合。在本次升级改造中，融合模块通过专有数据接口与人员定位系统之间形成互联互通的神经网络，从而实现多系统的信息融合，以图形的方式对相关数据进行显示，便于直观了解井下情况。多系统融合的方式有两种，一种是地面，另一种是井下，在本次升级改造中，采用的是地面加井下的融合方式，前者为软件融合，后者是对人员定位系统的融合。为满足多系统融合需要，单独为融合平台设计1 台核心交换机，并配置一套软件，系统可在矿井GIS 图上，实现相关的可视化操作与管理。

3 煤矿新系统的安装与调试

3.1 新系统安装与现场管理

3.1.1 设置管理机构

为确保新系统安装的顺利进行，煤矿应建立相应的管理机构，包括领导组，可由机电副矿长担任组长，机电部部长担任常务副组长；由监测队队长担任监控组组长，监控工为组员，主要负责配合厂家进行系统安装与调试；通风部部长担任井下通风组的组长，该部门的职工兼组员，重点负责系统调试运行期间的井下瓦斯等气体监测。

3.1.2 安装准备

在正式开始安装前，应当做好相关的检测与调试与工作，可以采用直观检查的方法，并对传感器进行本质安全电源试验。同时，还要进行通气、指示与跟踪、线性、报警、断电、停测等试验。安装时应当对如下事项加以注意：安全监控设备的供电电源必须取自被控开关的电源侧，不得接在负荷侧；所有与安全监控设备相关联的电气设备、电源线等，在改线或是排除故障时，应由机电部与项目部共同处理；在断电范围内，严禁设置隔爆本安型电源；在原系统处于稳定运行的情况下，对新系统进行安装时，应使新旧系统一并运行，并在新系统通过验收且稳定运行90 天后，对旧系统进行拆除。

3.1.3 明确设备在井下的安装位置

在煤矿井下各个监控分站的硐室中设置时应垫支架，隔爆本安型电源应当设置在采区的变电所中，不得设置在断电范围内、低瓦斯作业面和回风巷以及井下掘进作业面内；甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器应当以垂直悬挂的方式进行设置，与顶板之间的距离应当保持在300mm 以内，与巷道侧壁之间的距离应当保持在200mm 以上；风速传感器应当设置在巷道前后10m 无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化且能够准确计算风量的地方；烟雾传感器可设置在煤矿井下带式输送机滚筒下风侧10-15m 的位置处；断电器应当安装在被控开关的附近，二者之间的距离不宜过远。其它传感器的安装可以参考现行AQ1029 等规范标准的规定要求。

3.1.4 监测与监控范围

根据新的《煤矿安全规程》，结合现场实际情况，对安全监测与监控内容进行落实，并对回风巷道、主要风道、采掘作业面进行现场监测，以此来实现瓦斯超限自动报警、断电，故障闭锁、断电器反馈检测，各个监测环节均可自动进行记录。新系统能够以列表的形式，对各个传感器的监测值以及故障情况进行实时显示，并能够打印各种监测报表。同时，新系统还能对矿井生产、运输设备进行24h 连续不间断地监测，对工作、停止时间进行统计。

3.2 系统升级改造的实施

3.2.1 实施步骤

本次系统升级改造采用的是新旧两套系统并列运行的方式，对不同的区域在规定的时间内逐一升级改造，具体的实施思路如下：先完成系统软件及环网的建设，然后按照片区完成监控分站、电源、传感器等设备的更换。对系统专用的千兆工业以太网进行建设，为保证旧系统的正常运行，并测试新系统对各类传感器监测数据的稳定性，在监控室搭建一个安全监控系统平台，使新旧系统的软件以并列的方式运行，同时对各个测点的甲烷、一氧化碳等数据进行监测，在新系统验收前，保证旧系统的正常使用与数据上传；采用分阶段、分区域的方法，对监控分站、电源以及传感器进行更换，并对不具备断电控制功能的监控分站及传感器进行优先改造，逐步接入到新系统当中；与煤矿井下作业人员管理系统进行对接，从而实现多系统融合与联动；新系统试运行30 天左右，确认稳定之后，将旧系统拆除掉，正式投入新系统并完成数据上传。

3.2.2 系统安装与调试

新系统的安装调试工作包括三个部分，即井下设备、井上设备和系统总体调试。在对井下设备进行安装调试时，重点是监控分站的电源以及各种传感器，需要与井上联调之后方可进行现场安装。在具体安装时，可以监控分站作为单位，边安装、边调试，确保分站与主机之间的通信正常；所有的传感器全部按照方案中给出的位置进行安装和调试，保证编号正确、测值与状态正常，通讯稳定。井上设备放到指定位置处安装后需要进行现场调试，确保调试好的设备运行正常。当系统总体调试完毕后，应当达到规定的技术要求。

4 结论

综上所述，依据《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中的规定要求，煤矿应当对现有的安全监控系统进行升级改造，在具体的实施过程中，要保证改造方案的合理性、可行性及可操作性，同时要做好系统及设备的安装与调试工作，从而使新系统能够顺利投入使用。