煤矿安全监控系统分站以太网传输改造

杨 威

(霍州煤电集团 煤炭生产管理部， 山西 霍州 031400)

根据国家煤矿安监局关于印发《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的通知[1](煤安监函[2016]5号)文件要求，“十三五”末监控分站至主干网数据应实现以太网传输。但目前部分煤矿仍然采用RS485方式传输信号，急需更换为以太网传输，来满足方案要求。通过对薛虎沟煤业监控分站进行升级改造，实现监控分站数据的以太网传输，降低了系统巡检周期、异地断电时间，提高了系统技术性能及安全稳定性。

1 安全监控系统概况

霍州煤电薛虎沟煤业安装有一套中煤科工重庆研究院生产的KJ90X型煤矿安全监控系统。该系统于2018年4月开始进行系统升级改造，并于当年5月底竣工，2020年5月通过上级主体企业验收。地面中心站安装2台数据采集服务器，实现双机热备，地面安装1台网络交换机、井下安装4台本安型网络交换机(型号为：KJJ15(A))，主、副斜井分别铺设一趟光缆，形成冗余光纤环网结构。各类传感器到监控分站、监控分站再到主干网交换机数据传输均采用总线型连接，信号制式为RS485型。井下共安装监测分站22台(型号为：KJ90-F16(C))、瓦斯传感器28台、一氧化碳传感器31台、馈电断电器22台，其他传感器按规定进行了安装，实现对井下所有采掘工作面等地点24小时实时监测、控制。

2 安全监控系统升级改造后存在的问题

根据监控系统升级改造技术方案要求，各矿井要限期完成煤矿安全监控系统升级改造。由于时间紧迫，全国煤矿升级改造集中，监控系统厂商供货紧张，分站缺少光纤模块，导致升级改造的监控分站不具备光纤传输功能，仍采用电信号传输，存在系统巡检周期长、异地断电时间长、信号传输受变频设备影响等问题。同时，《方案》要求各矿要于2020年完成监控分站至主干网数据以太网传输改造[2]，薛虎沟煤业面临监控分站以太网升级改造的问题。

3 监控分站以太网改造的具体方案

为降低成本，在现有监测分站、网络交换机基础上进行升级。通过在分站预留接口上增加光模块，传输介质由电缆改造为光纤，实现分站至交换机以太网传输。分站至交换机间的网络拓扑结构可根据交换机光口数量、分站数量、布线距离的不同进行优化选择，主要包括：类星形网络拓扑结构、环形网络拓扑结构。

3.1 类星型拓扑结构

类星形拓扑结构为交换机与分站连接采用类似星型的拓扑结构[3-6]. 由于煤矿采用的KJJ15(A)型矿用本安型网络交换机具有4个光口，除去用于组成环网的2个千兆光口，只剩余2个百兆光口用于连接分站。如采用标准的星型拓扑结构，1台交换机只能带载2台分站，需要增加6台交换机，不仅浪费设备，而且会增加设备维护成本，造成人力及资金的浪费。如采用分站通过尾纤串联到下一个分站，可增加交换机带载分站的数量，但是串联分站过多会造成光信号衰减、分站故障率增加等现象。因此，采用类星型网络拓扑结构，限制交换机每组光口串接分站数量不得超过2台，既可以降低分站数据传输故障率，又可以简化监控系统，降低设备成本及维护成本。

3.2 环形拓扑结构

环形拓扑结构为先将若干个分站通过光纤形成分站环网，再通过两组网线将分站环网内的2台分站与交换机环网内的2台交换机连接，形成“大环套小环”(交换机环网套分站环网)的网络连接方式[3-6]. 通过环形拓扑结构形成双冗余环网结构，可以降低分站数据传输故障率，而且不受网络交换机光口数量限制，每台交换机预留1个光口即可使用。薛虎沟煤业监控系统网络拓扑图见图1.

图1 监控系统网络拓扑图

3.3 方案选择

根据矿井实际情况，确定薛虎沟煤业安全监控系统网络架构采用以环形拓扑机构为主，类星型拓扑结构为辅的混合型拓扑结构。地面风机房2台分站选取类星型拓扑结构连接，井下选取环形拓扑结构方式连接形成两个分站光环网。随着测点数量增加，如需增加2台以内数量的分站，也可采用类星型拓扑结构。如增加分站数量较多，则应优先选取环形拓扑结构较为合适。

3.4 实施步骤

1) 根据设计方案中网络拓扑图，在2#煤、10#煤胶带运输大巷及其他地点完成网线、6芯光缆的铺设，并留有备用线路。2) 在地面将改造所用的模块IP地址进行统一编号。3) 将光模块安设到监测分站内，并连接好线路。4) 完成光纤熔接，将2#煤层采区16台分站、10#煤层采区内6台分站用光纤连接形成2个分站环网。5) 将环网内其中一台主分站通过网线连接至环网1#交换机电口，一台从分站通过网线连接至最近的另一台2#交换机电口上，形成“大环套小环”的网络拓扑结构，实现分站至交换机以太网传输。6) 地面风机房内的3#分站、8#分站使用光纤串联方式再接入地面网络交换机。7) 对监控分站主板固件进行升级，修改分站、监控软件通讯传输模式，重新做分站链路定义。

4 升级改造成效分析

4.1 降低监控系统巡检周期

升级前系统巡检周期测试方法：在井下通过遥控器调整2-1102巷回风流甲烷传感器的测试值，使其达到报警值，并记录调整的时刻(分别记做TT1、TT2、TT3)，保持3 min后恢复正常工作状态，3 min后再次调整测试值，如此重复3次；升井后在系统软件中找到该甲烷测点的实时数据记录，记录3次报警值的时刻(分别记做TR1、TR2、TR3)，分别计算TRi到TTi(i取1/2/3)的时间差，取最大值为系统巡检周期。

Δti=TRi-TTi

式中：

Δti—系统巡检周期，s；

TRi—井上系统软件记录报警值时刻,s；

TTi—井下调整报警值时刻，s.

经测试计算，系统巡检周期为8 s. 改造前巡检周期测试数据见表1.

表1 改造前巡检周期测试数据表

升级后系统巡检周期测试：使用以上巡检周期测试方法，经3次测试系统巡检周期为1 s. 改造后巡检周期测试数据见表2.

表2 改造后巡检周期测试数据表

通过分站以太网传输升级改造前后的系统巡检周期测试数据来看，改造前系统巡检周期为8 s，改造后系统巡检周期为1 s，系统巡检周期降低了7 s.

4.2 降低异地断电时间

升级前异地断电时间测试方法：选取跨交换机异地断电作为测试样本，通过遥控器调整被测甲烷传感器的监测值，使其达到异地断电触发数值0.80% CH4，保持1 min后恢复传感器正常工作，如此重复3次，每次时间间隔不少于5 min. 出井后，在监控系统软件中找到异地断电事件的3次记录，分别记录对应断电器每一次动作时对应馈电状态为“无电”的最早时刻(分别记做TT1、TT2、TT3)；调取被试传感器的数据记录表，找到在井下进行遥控器设定的断电值，分别记录每个断电值出现的最早时刻(分别记做TD1、TD2、TD3)；分别计算TTi到TDi(i取1/2/3)的时间差，取最长时间为异地断电时间[7].

ΔTi=TTi-TDi

式中：

Ti—异地断电时间，s；

TTi—断电器动作时对应馈电状态为“无电”的最早时刻，s；

TDi—断电值出现的最早时刻，s.

经3次测试，异地断电时间为16 s. 改造前异地断电时间测试数据见表3.

表3 改造前异地断电时间测试数据表

升级后异地断电时间测试：使用以上异地断电测试方法，经3次测试异地断电时间为3 s. 改造后异地断电时间测试数据见表4.

通过分站以太网传输改造前后异地断电时间测试数据分析，改造前异地断电时间为16 s，改造后异地断电时间为3 s，异地断电时间降低了13 s.

4.3 提高安全性、稳定性

通过分站以太网传输改造，将信号由原来的电缆传输升级为光纤传输，而采用光纤传输时，杜绝了电缆传输过程中可能出现的电气失爆及电磁干扰的问题，提高了数据传输的稳定性及安全性。

表4 改造后异地断电时间测试数据表

5 结 论

通过对监控分站的升级改造，实现分站至交换机以太网数据传输。根据设备型号特点将分站至交换机数据传输按照类星形拓扑结构及环形拓扑结构两种方式混合连接，降低了系统巡检周期、异地断电时间及升级改造成本，提高了系统性能及安全可靠性，为煤矿“一通三防”管理提供了稳定可靠的监测监控手段。同时，对全国其他煤矿和监控系统厂家的安全监控分站以太网传输改造具有重要指导意义。