| 項目名稱 | 臨縣華燁煤業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)改造方案設(shè)計 | |
| 項目分類 | 煤礦安全 | |
| 研究單位 | 無 | |
| 知識產(chǎn)權(quán)及獲獎情況 | 無 | |
| 項目介紹 | 臨縣華燁煤業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)改造方案設(shè)計 第一作者武奴順 2021.08 （山西臨縣華燁煤業(yè)有限公司,山西 呂梁 033200； 2 呂梁學(xué)院，山西 呂梁 033200）
摘 要：為了解決我礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用RS485單鏈路串聯(lián)傳輸容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷、傳輸速度慢等問題，我礦根據(jù)國家煤礦安監(jiān)局《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》要求對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)傳輸方式進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，采用了雙鏈路冗余環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)的傳輸模式。極大地提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，減少了因安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸故障而引發(fā)的安全事故，保障了煤礦安全生產(chǎn)。 1.引言 針對山西臨縣華燁煤業(yè)有限公司安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和需求，根據(jù)臨縣華燁煤業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，本文提出了山西臨縣華燁煤業(yè)有限公司安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)改造方案設(shè)計，針對改造前山西臨縣華燁煤業(yè)有限公司面臨問題：安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸光纜與礦井巷道范圍內(nèi)所控制的安全監(jiān)控分站進(jìn)行單鏈路串聯(lián)傳輸，這種單鏈路串聯(lián)傳輸?shù)姆绞?，如果有一點(diǎn)傳輸線路故障或者增加刪除監(jiān)控分站，就會導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)傳輸鏈路中斷，保障整個線路不出現(xiàn)故障點(diǎn)是非常困難的，導(dǎo)致這種單線串聯(lián)方式可靠性低，系統(tǒng)不穩(wěn)定，臨縣華燁煤業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)改造方案設(shè)計依據(jù)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求（AQ6201-2019）》和《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范（AQ1029-2019）》要求，極大地提高了安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span> 2.技術(shù)改造背景 山西臨縣華燁煤業(yè)有限公司位于臨縣林家坪鎮(zhèn)滴水局村南，北距臨縣縣城57km，行政區(qū)劃屬臨縣林家坪鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)臨近有離（石）—磧（口）公路通過，礦區(qū)距離石市區(qū)30km，于離石市區(qū)附近與臨（縣）—太（原）干線公路連接，至離石市西南3km交口可與孝柳鐵路交接。礦井井田南北寬3.75km，東西長2.38km，井田面積6.971Km2。煤礦產(chǎn)能：120萬噸/年；瓦斯等級：高瓦斯。 華燁煤礦目前在用的安全監(jiān)控系統(tǒng)為中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司生產(chǎn)的KJ90NB型安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2002年在華燁煤業(yè)安裝使用，系統(tǒng)型號為KJ90NA型，KJ90NB型安全監(jiān)控系統(tǒng)2013年進(jìn)行了第一次升級改造，第一次升級改造后的安全監(jiān)控系統(tǒng)符合當(dāng)時的老版的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求（AQ6201-2006）》和《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范（AQ1029-2007）》要求。系統(tǒng)自2018升級以后，全部設(shè)備防護(hù)等級已達(dá)到IP65，并具備數(shù)字化傳輸要求，并具有融合人員定位系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)的接口，但目前分站之間串聯(lián)傳輸，任何一點(diǎn)故障都會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，系統(tǒng)穩(wěn)定性很差。目前系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用通訊線纜傳輸不符合《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案（煤安監(jiān)函[2016]5號）》[1]通知要求的主干傳輸采用環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)囊蟆?/span> 山西臨縣華燁煤業(yè)有限公司根據(jù)國家能源局、國家礦山安全監(jiān)察局有關(guān)智能化煤礦建設(shè)的有關(guān)要求[2，4]，中華人民共和國應(yīng)急管理部4號令《煤礦重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)》[5]及《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的通知煤安監(jiān)函〔2016〕5號文的要求，在2021年對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了全面環(huán)網(wǎng)傳輸方式技術(shù)改進(jìn)。 在改造前期，延用了傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)到安全監(jiān)控分站之間采用RS485傳輸光纜傳輸方式，一條光纜連接多臺分站。傳輸光纜一旦發(fā)生故障或者增加刪除監(jiān)控分站，將影響多臺安全監(jiān)控分站數(shù)據(jù)傳輸。 我礦在井下三個變電所設(shè)置了三臺重慶煤科院生產(chǎn)的KJJ103型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，三臺環(huán)網(wǎng)交換機(jī)互相通過光纜連接，再由中央變電所環(huán)網(wǎng)交換機(jī)支出兩條光纜從不同井口傳輸至地面中心站，從而形成井下安全監(jiān)控環(huán)網(wǎng)。井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)通過RS485轉(zhuǎn)換模塊，利用傳輸光纜與區(qū)域內(nèi)每臺安全監(jiān)控分站進(jìn)行單鏈路串聯(lián)傳輸。在實際使用中發(fā)現(xiàn)，這種傳輸方式存在可靠性低的弊端，雖然井下三臺環(huán)網(wǎng)交換機(jī)中可以實現(xiàn)某一交換機(jī)斷開不影響實際數(shù)據(jù)傳輸，但是采用RS485單鏈路串聯(lián)傳輸?shù)陌踩O(jiān)控分站，只要其中一段傳輸光纜出現(xiàn)或者增加刪除監(jiān)控分站，那么故障光纜后面所接的全部安全監(jiān)控分站就處于中斷傳輸狀態(tài)。這就造成了各類傳感器數(shù)據(jù)不能及時傳輸?shù)降孛嬷行恼?，不僅影響范圍大、還不能及時掌握井下各類傳感器的實時數(shù)據(jù)，從而不能保證煤礦的安全生產(chǎn)。在這種狀況下，就必須解決這單一故障而影響多臺瓦斯監(jiān)控分站正常傳輸?shù)膯栴}。在確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的前提下，我們打破常規(guī)，對井下安全監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)傳輸方式進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。
華燁煤業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)升級改造工作。在分站至中心站數(shù)字化傳輸?shù)幕A(chǔ)上，實現(xiàn)模擬量傳感器至分站數(shù)字化傳輸；監(jiān)控系統(tǒng)及組成設(shè)備達(dá)到靜電抗擾度3級、電磁輻射抗擾度2級、脈沖群抗擾度2級、浪涌抗擾度3級；通過地面統(tǒng)一平臺實現(xiàn)多系統(tǒng)的有機(jī)融合；傳感器的防護(hù)等級由IP54提升到IP65；系統(tǒng)網(wǎng)傳輸速率全部達(dá)到100M；完善報警、斷電等控制功能；數(shù)據(jù)存儲采用RSA加密算法，防止數(shù)據(jù)被破解篡改；系統(tǒng)性能指標(biāo)得到大幅提升，巡檢周期不超過15S，異地斷電時間不超過30S，備用電源斷電后正常供電時間提升到4h,雙機(jī)熱備實現(xiàn)自動切換，模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%，分站本安電源實現(xiàn)分級管理，實現(xiàn)多系統(tǒng)融合與聯(lián)動等功能，華燁煤業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)升級改造滿足了2016年版《煤礦安全規(guī)程》[6]和相關(guān)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7，8]對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)要求。 （1）升級改造后須達(dá)到《煤礦安全規(guī)程》2016版及《安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》煤安監(jiān)函〔2016〕5號文件的要求； （2）在分站至中心站數(shù)字化傳輸?shù)幕A(chǔ)上，實現(xiàn)傳感器（模擬量）至分站升級為數(shù)字傳輸，實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化； （3）增強(qiáng)抗電磁干擾能力，實現(xiàn)傳感器RS-485總線的數(shù)字化通信，以及類型、狀態(tài)、故障自診斷等智能化功能的實現(xiàn)和信息上傳； （4）傳感器的防護(hù)等級由IP54提升到IP65； （5）系統(tǒng)實現(xiàn)分級報警，根據(jù)瓦斯?jié)舛却笮?、瓦斯超限持續(xù)時間、瓦斯超限范圍等，設(shè)置不同的報警級別，實施分級響應(yīng)； （6）實現(xiàn)瓦斯監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中展示，對多系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，并可實現(xiàn)應(yīng)急救援聯(lián)動； （7）系統(tǒng)主干網(wǎng)采用穩(wěn)定可靠的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，滿足系統(tǒng)融合需求； （8）實現(xiàn)系統(tǒng)定期的自診斷、自評估，能夠預(yù)先發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在安裝使用中存在的問題。自診斷的內(nèi)容應(yīng)包括：傳感器、控制器的設(shè)置及定義；模擬量傳感器維護(hù)、定期未標(biāo)校提醒；模擬量傳感器、控制器、電源箱等設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)；中心站軟件自診斷，包括雙機(jī)熱備、數(shù)據(jù)庫存儲、軟件模塊通信； （9）安全監(jiān)控系統(tǒng)具有大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用功能，至少包括：異常數(shù)據(jù)判別及偽數(shù)據(jù)標(biāo)注；大數(shù)據(jù)分析，如多系統(tǒng)融合條件下的綜合數(shù)據(jù)分析等，以實現(xiàn)瓦斯涌出、火災(zāi)等的預(yù)測預(yù)警；可與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)檢查分析工具對接數(shù)據(jù)； （10）系統(tǒng)對外提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)接口，并具有安全驗證功能； （11）在瓦斯超限、斷電等需立即撤人的緊急情況下，自動與應(yīng)急廣播、通信、人員定位等系統(tǒng)的應(yīng)急聯(lián)動； （12）性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到：系統(tǒng)巡檢周期不超過20s；異地斷電時間不超過40s；備用電源能維持?jǐn)嚯姾笳９╇姇r間由2h提升到4h，具有雙機(jī)熱備自動切換功能；模擬量傳輸處理誤差不超過0.5%；分站的最大遠(yuǎn)程本安供電距離（在設(shè)計工況條件下）實行分級管理，分別為2km、3km、6km； 4.技術(shù)改進(jìn)： 改進(jìn)前：井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)到安全監(jiān)控分站之間采用RS485傳輸光纜傳輸方式，一條光纜連接多臺分站。傳輸光纜一旦發(fā)生故障或者增加減少分站時，將影響多臺安全監(jiān)控分站數(shù)據(jù)傳輸。 改進(jìn)后：井上下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)到安全監(jiān)控分站之間采用雙鏈路冗余環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)的先進(jìn)傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。分別為KJ90-F16(B)和KJJ18(A)， KJJ18(A)交換機(jī)主干網(wǎng)為千兆傳輸，KJJ18(A)交換機(jī)與分站組網(wǎng)為百兆傳輸，KJ90-F16(B)交換機(jī)置于分站網(wǎng)為百兆傳輸。 我礦在井上設(shè)置了2臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，井下中央變電所設(shè)置2臺,4#煤一采區(qū)變電所設(shè)置1臺,4#煤二采區(qū)設(shè)置1臺重慶煤科院生產(chǎn)的KJJ18（A）型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，6臺環(huán)網(wǎng)交換機(jī)互相通過光纜連接，再由井下中央變電所2臺環(huán)網(wǎng)交換機(jī)支出兩條光纜從不同井口傳輸至地面中心站，從而形成井上下安全監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)。 4#煤一采區(qū)瓦斯監(jiān)控分站距離比較近比較集中，由4#煤一采區(qū)變電所KJJ18A交換機(jī)引出一條網(wǎng)線連接變電所KJJ90-F16(B)型分站在由變電所KJJ90-F16(B)型引出一條光纜走4#煤一采區(qū)軌道巷采用“手拉手式”方式連接4105回風(fēng)、4105運(yùn)輸、4106運(yùn)輸、4106回風(fēng)走4#一采區(qū)運(yùn)輸巷回到中央變電所KJJ18A交換機(jī)用網(wǎng)線連接組成小環(huán)網(wǎng)互聯(lián)互通，使用這種方式如果有任意一線路或者一點(diǎn)發(fā)生故障都會走備線路正常傳輸瓦斯監(jiān)控分站數(shù)據(jù)，不影響網(wǎng)絡(luò)正常傳輸。 4#煤二采區(qū)瓦斯監(jiān)控分站比較分散距離又遠(yuǎn)，由4#二采區(qū)變電所KJJ18A交換機(jī)用光纜連接4#煤二采區(qū)KJJ90-F16(B)、再由4#煤二采區(qū)變電所KJJ90-F16(B)用光纜走4#煤二采區(qū)運(yùn)輸巷采用“手拉手式”方式連接4#煤二采區(qū)水倉、5201回風(fēng)、5201運(yùn)輸、4#煤二采區(qū)移動救生艙回到4#煤二采區(qū)變電所KJJ18A交換機(jī)組成小環(huán)網(wǎng)互聯(lián)互通。使用這種方式如果有任意一線路或者一點(diǎn)發(fā)生故障都會走備線路正常傳輸瓦斯監(jiān)控分站數(shù)據(jù)，不影響網(wǎng)絡(luò)正常傳輸。 。
改造后井下數(shù)據(jù)傳輸原理圖 5.安全監(jiān)控系統(tǒng)分站的布置 根據(jù)華燁煤礦實際情況，共設(shè)置18個監(jiān)控分站。 地面部分設(shè)置在監(jiān)控中心站，主通風(fēng)機(jī)房（１號分站）、地面筒倉（２號分站）、地面瓦斯抽放泵站（3號分站）等共3臺監(jiān)控分站。 井下設(shè)置中央變電所（2號分站）、4#煤一采區(qū)變電所（4號分站）、4#煤二采區(qū)變電所（9號分站）、4#煤二采區(qū)水泵房（23號分站）、永久避難硐室（12號分站）、永久避難硐室（13號分站）、4#煤倉上部（17號分站）、4#煤倉下部（19號分站）、2#煤倉上部（13號分站）、4#煤二采區(qū)移動救生艙（24號分站）、4105回風(fēng)掘進(jìn)（27號分站）、4105運(yùn)輸掘進(jìn)（6號分站）、5201回風(fēng)掘進(jìn)（17號分站）、5201運(yùn)輸掘進(jìn)（18號分站）、4106綜采工作面（21號分站）、等共15臺監(jiān)控分站。 井下監(jiān)控分站必須安裝在便于人員觀察、調(diào)試、檢驗及支護(hù)良好、無滴水、無雜物的進(jìn)風(fēng)巷道或硐室中，安設(shè)時應(yīng)墊支架，或吊掛在巷道中，使其距巷道底板不小于300mm。 6.結(jié)論 （1）通過以上環(huán)形式網(wǎng)絡(luò)連接可以規(guī)避傳統(tǒng)級聯(lián)式網(wǎng)絡(luò)連接帶來的“一點(diǎn)斷全網(wǎng)斷” 的隱患，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。 （2）增加了瓦斯監(jiān)控分站組網(wǎng)的備用環(huán)網(wǎng)鏈路，完全杜絕了由于瓦斯監(jiān)控分站單條傳輸鏈路故障或者增加刪除監(jiān)控分站，而導(dǎo)致的分站數(shù)據(jù)傳輸中斷問題，解決了安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不正常就是重大隱患。 （3）實現(xiàn)井下采掘工作面及其它地點(diǎn)涉及的各類傳感器實時數(shù)據(jù)持續(xù)穩(wěn)定上傳，全面保障了礦井的安全生產(chǎn)。 （4）改進(jìn)安全監(jiān)控環(huán)網(wǎng)傳輸方式后，既使用新技術(shù)又使用了新工藝，光纜保護(hù)介質(zhì)穩(wěn)定、不易損壞，完全杜絕了井下瓦斯監(jiān)控分站因傳輸鏈路故障引起數(shù)據(jù)中斷的時間。 （5）保障了井下采掘工作面及其它地點(diǎn)涉及的各類傳感器實時數(shù)據(jù)能夠及時有效的傳輸?shù)降孛嬷行恼荆瑴p少了因安全監(jiān)控系統(tǒng)故障導(dǎo)致煤礦停產(chǎn)而造成的經(jīng)濟(jì)損失。 （6）為井下安全生產(chǎn)安全提供了可靠的,保障一方面保障了礦井的安全生產(chǎn)，另一方面杜絕了井下安全監(jiān)控分站鏈路的故障率，提高生產(chǎn)效益，減少因安全監(jiān)控系統(tǒng)故障失控而引發(fā)的安全事故, 參考文獻(xiàn)
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