煤矿安全监控教学实验系统设计与实现

洪卫东，孙泽宏，周 波，闫 峰

(1.淮南职业技术学院能源工程学院， 安徽 淮南 232001； 2.淮南职业技术学院教务处,安徽 淮南 232001； 3.淮河能源控股集团有限责任公司潘三煤矿安监处， 安徽 淮南 232001)

安全监测监控是安全技术与管理专业的一门核心专业课，学生主要来源于煤矿生产一线。作为煤矿六大系统之首的煤矿安全监控系统是煤矿生产的安全卫士，成为煤矿实现高产量、高效率、高安全生产的重要保障。随着科学技术发展，系统设备更替频繁，导致教材落后于生产实践，实验设备落后于生产实践，理论教学与实践教学不能及时配置。实验设备落后现象造成教师理论授课教学枯燥，实践教学与生产实践脱钩，学生学习缺乏积极性，教学实验系统设计具有必然性[1]。

1 教学实验系统存在的问题

1.1 存在问题一是系统本身问题。缺乏标准的接口和协议，传感器应用受限。有些系统，对煤矿安全监控系统进行维修的过程中，仅仅可以使用原厂生产的配件。使系统设备缺乏兼容性、扩展性，不利于创新型设备的应用和推广。造成传感器的供应渠道单一，形成了系统垄断设备的恶性循环。二是系统管理问题。实验室分站、传感器较多，管理不方便，维护问难。传感器安装频繁，没有条理，学生理解困难。多系统应用，集中布置困难。缺乏先进性和实用性，实践教学与煤矿企业生产现场不一致。有效资源未利用，如地下仿真采掘工作面。学生应用人数多，设备少。

1.2 解决办法对于系统本身问题，采取老系统保留、新系统配置、多系统融合使用，选择合适系统分站接口接入传感器。对于系统管理问题建立多组分站，分组实验。预设参考系统，便于理解。所以，采用树型数据传输拓扑网络建立一套分站、传感器集中应用的系统很有必要。

2 系统设计方案

在系统的设计过程中始终按照有关条例为依据，遵循系统设计原则，保证系统应具备高可靠性、先进性、实用性、可扩展性及开放性。利用空间：实验室2间及地下煤矿仿真采掘工作面。图1为煤矿安全监控实验教学系统设计拓扑图，系统由地面监控中心、井下分站、终端三级组成。选取树形网络拓扑建立通讯，中心站连接一台交换机，交换机连接总线，总线连接n条支路，每条支路连接多台分站，支路可进一步扩展更多分站，各个分站端口与传感器和断电器等终端设备相连接。系统数据传输选取树形网络拓扑连接方式，易于扩展，故障隔离较容易。单条支路出现故障，不影响其它支路数据传输，一台分站出现故障，不影响其它分站数据传输。每台分站通断信息在中心站显示。只用一台分站时，其它分站电源断开，使用灵活方便。

图1 煤矿安全监控实验教学系统设计拓扑图

3 监控教学实验系统软硬件设计

3.1 系统组成如图2所示为煤矿安全监控实验教学系统结构图，由虚框①、虚框②、虚框③三部分组成，其中虚框①为地面监控中心，由中心站、交换机、多媒体系统、打印机等组成，多媒体主机装有监控系统软件，能进行实验实时教学。中心站、多媒体主机、交换机用网线连接，并连接互联网；虚框②为实验室，通过RS485总线连接支路1、支路2、支路3三组支路，每条支路通过接线盒连接三台分站。支路1连接分站1、2、3，支路2连接分站4、5、6，支路3连接分站7、8、9。彼此之间连接通过接线盒、航空线、电缆和端口完成。传感器和断电器等在实验室与分站连接，就近实验；虚框③为地下仿真采掘工作面，分站与传感器之间实现远程传输。交换机担负中心站与分站之间构成系统信息传输部分，系统主干网采用工业以太网，分站采用RS485总线接入，增强了抗电磁干扰能力。三个节点接线盒连接三组分支线，每个分支线三个节点通过接线盒分别连接每个分站。通讯线路运用电缆作为传输介质，节点使用防爆接线盒连接。在中心站管理下通过网线、通讯线和航空线实现中心站与交换机、交换机与分站、分站与传感器、分站与断电器的信号传输，满足最大传输距离要求，地下仿真实验室传感器与实验室分站的传输距离在2 km范围内可调。

图2 煤矿安全监控实验教学系统结构图

3.2 实验室监控系统实验室监控系统主要有KJ90N、KJ73X和KJ218X三套系统。系统主要由中心站、环网交换机、直流稳压电源,矿用本安型安全监控分站、终端传感器和断电器等组成[2]。实验室三台电脑分别配置KJ90N、KJ73X、KJ218X系统软件作为中心站。表1为实验室三系统主要组成和信号传输对比。KJ90N系统传感器到中心站信号传输为模拟信号，模拟信号到达中心站后经过A/D模数转换器变成数字信号。KJ73X和KJ218X系统为数字化改造后的产品，传感器到中心站传输使用RS485数字信号传输，其A/D转换在传感器内完成，从而实现了中心站、交换机、分站、传感器和断路器(数字型)之间的全数字化传输。并且KJ218X系统在分站安插16口模拟信号采集板RCCJ-16，既可以接受模拟信号，也可以接受数字信号。系统在树形拓扑关系不变的情况下，通过改变中心站，同时改变分站和传感器，实现设备改造和数字化更新。

表1 实验室三系统组成和信号传输对比

3.3 电源管理支路1的1号分站、2号分站、3号分站三台电源箱共用多开关排插1(支路1开关)；支路2的4号分站、5号分站、6号分站三台电源箱共用多开关排插2(支路2开关)；支路3的7号分站、8号分站、9号分站三台电源箱共用多开关共用排插3(支路3开关)；排插1、2、3共用多开关排插4(总开关)。系统启动：先打开总开关，再打开中心站，接着打开各支路排插，最后打开各分站电源箱开关。系统关闭: 先断开各分站电源箱开关，再断开各支路排插，接着关闭中心站，最后断开总开关。电源使用方便，提高实验效率。

3.4 中心站中心站主程序流程如图3所示。监控系统的软件由主程序和中断服务程序组成。主程序的主要功能是中心站能实时采集由分站所挂接传感器的参数数据，并将传感器数据传送到地面监控主站。中断服务程序的主要功能是进行实时处理，响应、执行监控中心站发出的各种控制指令，返回执行结果，并根据需要对设备的运行进行控制[3]。中心站软件主要功能：①测点设置。设置分站、传感器的位置、类型、数量及其它参数。②实时监测功能。各种测量数据的瞬时值显示，包括各种机电设备的运行状况、分站巡检图及传输系统状态、各个测点超限报警、模拟图形及工艺过程模拟图形、实时时钟等，并以曲线和柱状图两种方式反映数据变化实时检测变化。③报警功能。如某个或者几个检测点的变化超过设定值，能够及时明确地进行实时显示、统计，并可完成本系统内历史报警的查询。④权限管理功能。支持建立不同权限的帐户，可以根据人员分配不同的使用和管理权限。⑤数据存储及检索功能。根据用户要求对数据进行存储，支持按时间，日期等条件的历史检索。⑥打印功能。通过中心站可以随时打印报表、故障统计、主要设备运行时间、主要参数日最大值和日平均值打印等。⑦远程访问。通过中心站连接局域网进行数据的发布，进行多媒体教学。

图3 煤矿安全监控实验教学系统的主程序流程图

3.5 分站分站对传感器传输信息进行处理与控制并将信息传送到中心站，接受中心站的反馈指令，并根据预置参数，发出声光报警、断电、闭锁等信号。分站和传感器地址号编码不能冲突，并与中心站测点定义一致[4]。

3.6 断电器将甲烷传感器[5]、断电器连接分站端口，断电器连接真空电磁启动器(开关)，真空电磁启动器连接电动机。设置甲烷传感器的报警值、断电值和复电值，通电检查系统通讯直到正常。通强电闭合真空电磁启动器启动电动机。通甲烷气体观看系统状态。当甲烷浓度达到报警点时，系统发出声光报警信号；当甲烷浓度低于报警值以下时，自动解除报警；当甲烷浓度达到断电点浓度时，被控区域动力电源闭锁，电动机停止运行；当甲烷浓度降到复电点浓度时，自动解锁，恢复供电，电动机运行。

3.7 传输电缆实验通讯电缆使用矿用MHYV电缆，最大传输距离不大于20km。电缆分布参数为分布电容≤0.06 μF/km，分布电感≤0.8 mH/km，直流电阻≤12.8Ω/km。

4 设计验证

为了证实实验设计的合理性和运行可靠性，2018年3月首次对KJ90N进行了组装和运行。数字改造后，至2022年7月，多次对KJ73X、KJ218X系统进行应用。第一次实验方案:采用上述树形拓扑连接图2相应设备。接入一台KJ90N系统中心站，一台数据接口交换机，三组九台KJ90-F16分站，每台分站由KDW0.3/660(A)型矿用隔爆兼本安直流稳压电源220伏交流接口供电，每台分站接入多台传感器和一台断电器。系统不间断运行40小时之后，查看中心站监控软件有无分站、传感器及断电器的故障和中断数据。同时进行人为设置每组分站和传感器故障及断电器中断，判断软件数据是否与硬件数据任务一致。第二次实验方案：在图2基础上更换KJ73X系统，按支路3连接到地下大型仿真采掘工作面。以设置采掘工作面瓦斯传感器实验为主题，终端使用数字瓦斯传感器。主要实验步骤可分为5步实施。①进行设备接线：电脑与数据接口之间连接、数据接口与分站之间接线、分站与传感器之间连接。②进行中心站设备定义：定义 6#分站，名称为“掘进工作面巷道口分站”；在 6#分站下定义3#高浓度甲烷传感器，名称为“掘进工作面瓦斯”。 ③进行设备地址号设置：设置分站地址号为“6”，设置传感器地址号为“3”。④ 检查设备通讯状态：观察分站、传感器、断电器通讯状态是否正常，如不正常排查原因直至通讯正常。⑤对传感器进行调校和标气校准：将传感器在新鲜空气中预热足够时间，对传感器遥控调“零”，调灵敏度，对瓦斯传感器报警值、断电值和复电值“三值”进行设置和自检及通标气校准。实验表明，KJ73X系统具有明显优势：功能安全、可靠、稳定；设备完好、轻巧、耐用；友好的软件操作界面；良好的人机接口，系统操作维护简单；检测智能精准高效，异常报警, 实时异地控制。第三次实验方案：在图2基础上更换KJ218X系统，在支路2分站运行多种传感器和模拟断电器，主要实验传感器有：高浓度激光甲烷传感器GJG100J(A)、煤矿用双向风速传感器GFY15X(A)、矿用一氧化碳传感器GTH1000、烟雾传感器GQLQ5、粉尘浓度传感器GCG1000(A)、设备开停传感器GKT5L、矿用温度传感器GWD100(A)、风筒风量传感器GFT6和矿用风门开闭状态传感器GFK50(A)等。通过三次实验验证了图2煤矿安全监控实验教学系统的可行性。通过数字化改造升级，先进传感技术及装备得到了广泛应用，提高了信号传输的抗干扰能力。通过KJ218X系统分站加插数模转换A/D卡，实现了对模拟终端的兼容。