煤矿安全监控系统设计问题分析论文
摘要：：分析了目前煤矿安全监控系统的结构和应用中存在的主要问题，提出了监控系统全数字化传输的解决方案。在全数字化传输系统中对监控分站的功能，以及断电器、多系统融合的工作流程进行了重新定义，使多网融合和系统间的联动在煤矿安全监控系统中的实现变得简单易行，可为煤矿实现信息共享及协同处理提供新的解决思路。
关键词：数据融合；数字化；监控系统；联动；数据转发
煤矿安全监控系统是煤矿安全生产的重要保证，其具有监测连续性、实时性及可靠性，煤矿安全监控系统作为煤矿瓦斯防治中重要的安全监控设备，《煤矿安全规程》、AQ6201—2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》、AQ1029—2007《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》对监控系统的技术及使用规范等都进行了要求，并要求煤矿安全监控系统必须24h连续运行，因此煤矿安全监控系统在煤矿的安全生产中起到了巨大的作用［1－4］。自AQ6201—2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》颁布实施以来，近50家煤矿安全监控系统生产企业对各自生产的煤矿安全监控系统均对应行业标准进行了整改，使其在技术上基本符合AQ6201—2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》的要求。根据《煤矿安全规程》的相关规定，目前所有的煤矿均装备了煤矿安全监控系统，但在实际使用过程中存在一些问题。在2016年底国家煤矿安全监察局印发了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》，文件对传输环节进行数字化升级，对设备的抗干扰、多网多系统融合及应急联动等功能进行了明确的要求。笔者就安全监控系统存在的问题提出了全数字化的解决方案，并对监控分站在系统中的功能及作用做了重新定义，使多网融合和系统间的联动在煤矿安全监控系统中的实现变得简单、方便。
1现有监控系统的结构及存在的问题
煤矿监控系统主要由计算机、网络交换机、监控分站、传感器和断电控制器等设备组成，绝大多数煤矿的安全监控系统都采用了工业以太网+现场总线的方式进行数据的传输［5－8］，其主要连接方式为树形、环形和总线形等，如图1所示。从监控系统在现场应用所反馈的信息来看，目前监控系统普遍存在的问题主要有以下几个方面：
1）监控系统出现伪数据、冒大数的情况普遍存在，可靠性较差，动力电缆干扰感应到传感器电缆上而产生的干扰是监控系统冒大数的原因之一［9－12］。
2）监控系统与其他系统相互独立自成一体，未对数据进行融合、深度挖掘和实现应急联动。
3）系统平台不能共用，导致重复投资，增加煤矿投资成本。
4）设备智能化程度较低，兼容性较差［13］，设备没有统一的协议，不能适应矿井数字化发展的需要。
2利用数字通讯技术打通关键节点
监控分站是煤矿安全监控系统中的核心，是必不可少的设备，是监控系统的区域数据传输枢纽站［14］；起着承上启下的重要作用，由于目前的监控分站设计相对封闭，导致监控分站成为安全监控系统数据融合、系统间联动的瓶颈。要打破瓶颈就需要在系统设计中全面采用数字通讯技术，对所有接入系统的设备采用统一的通讯方式并制订统一的通讯协议，同时对监控分站的任务进行重新定义。升级后的安全监控系统组成结构如图2所示。
3监控分站工作流程
由于ＲS485接口具有良好的抗噪声干扰能力、较长的'传输距离等优点，因此该传输方式在煤矿安全监控系统中被广泛使用［15］。由图2可以看出，升级后的安全监控系统与传统的安全监控系统的差别在于监控分站与传感器之间采用ＲS485总线进行数据传输，实现数字化，舍弃了传统的频率和电流传输方式。同时对分站的功能及作用进行了重新定义，监控分站保留接收中心站下发定义信息、控制逻辑和上传各传感器数据的功能，增加发送定义信息到传感器和断电器的功能，但不再对传感器数据进行分析、判断，只将传感器数据按照预先设置的路径进行转发，断电器接收到传感器数据后进行分析判断，达到断电条件时执行断电。监控分站工作流程如图3所示。监控分站挂接的各类传感器、断电器和其他矿用设备，利用现场总线在分站通道配置许可的情况下互相通讯；由于煤矿井下环境恶劣，井下通讯线路易砸断、进水、短路，从而导致整条通讯线路无法通讯，故障影响范围大、处理时间长，对煤矿安全生产有很大的危害。优化设计后的监控分站具有数据路由转发功能，当一台设备总线出现短路等故障时分站会关闭该通道从而不会对其他设备产生影响，因此该分站具有响应快、故障影响范围小、故障处理时间短等优点。
4断电器工作流程
传统断电器单向接收来自于监控分站的电平或触点类控制信号，按照分站所发出的指令执行断电。由于采用数字通讯技术的监控分站不再对断电器发出控制指令，断电器需自行对传感器数据进行分析、判断并按照预先设置的断电阈值执行断电，实现准确、快速响应。断电器工作流程如图4所示。
5系统间的联动与融合
由于系统内设备都采用了现场总线通讯方式并使用了统一的通讯协议，因此系统间的融合和联动就变得简单易行。以一个工作面中安全监控与人员定位的联动为例，重点说明系统间的联动。在工作面分别安装甲烷传感器T1和T2，并在相同位置安装人员定位读卡器；4台设备通讯接入同一台监控分站，在中心站软件上配置好设备间的通讯路由并设置断电撤人阈值，即T1、T2传感器数据除了发送给断电器，还要实时发送给2台人员定位读卡器，当工作面CH4体积分数达到断电撤人阈值后，人员定位读卡器向定位卡发送撤人命令，定位卡接收到撤人命令后发出声光报警提示，人员的撤离情况实时被读卡器采集并上传到软件中；调度室值班人员通过软件及时了解现场人员撤离情况，有效避免人员撤离不及时或漏撤导致的意外事故发生。系统融合与联动流程如图5所示。
6结语
通过在煤矿安全监控系统中使用数字通讯技术和制订统一的通讯协议，对监控分站的功能重新定义并增加数据路由转发功能，使监控系统在传感器冒大数等异常数据方面的抑制能力有极大提高，同时系统具备了多网融合和系统间的联动功能，实现了监控数据的深度挖掘和利用，也为矿井数字化发展起到了促进作用。新设计的安全监控系统可共用平台，降低维护人员的工作量，提高了工作效率，煤矿不需要重复投资建设，节省了建设资金，同时也产生了良好的社会和经济效益。
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