图1 新一代煤矿安全监控系统结构
煤矿安全监控系统升级改造
汪丛笑1,2
(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)
摘要：指出目前煤矿安全监控系统应用中存在的主要问题是传感器性能、供电不稳定，传输线路易受干扰，系统技术水平有差异，相关标准不完善等；分析了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案(征求意见稿)》中关于系统功能、性能、通信接口等方面的技术要求；结合《煤矿安全监控系统升级改造技术方案(征求意见稿)》相关要求，提出了新一代煤矿安全监控系统的设计方案，着重介绍了新一代煤矿安全监控系统采用的关键技术，包括新型数字传感技术，多系统数据融合技术，分布式、事件本地、异地控制技术，电磁兼容技术，设备故障诊断技术，即插即用技术，断线续传技术等。
关键词：煤矿安全监控； 升级改造； 数字传感器； 多系统数据融合； 电磁兼容； 故障诊断； 即插即用； 断线续传
安全监控系统是煤矿安全生产的重要保障系统，也是安全避险“六大系统”的重要组成部分，已纳入国家安全生产监督管理总局确定的安全生产“七大攻坚举措”。目前中国煤矿均已安装安全监控系统，为防范和减少煤矿重特大事故发挥了重要的监控、预警作用，但存在系统技术落后，稳定性、可靠性有待提高等问题。
2015年11月25日，国家煤矿安全监察局科技装备司发布了《关于征求〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案(征求意见稿)〉意见的通知》。通知指出：“为充分发挥安全监控系统的重要作用，提升煤矿安全保障能力，国家煤矿安监局拟于‘十三五’期间开展煤矿安全监控系统升级改造工作”[1]。
煤矿安全监控系统是涉及计算机、微处理、通信、传感等多学科的综合性系统，内容复杂，技术要求高，有必要对安全监控系统升级改造的关键技术进行研究。
1.1 传感器性能不稳定
井下环境恶劣，湿度及粉尘大，甚至伴有腐蚀性气体，导致传感器电路、感应元件、接插件等容易氧化，接触不良，造成工作不可靠。传感器在进水、受到振动和猛烈撞击时，输出数据会发生失真。井下空间狭小，存在复杂的强电场、磁场干扰源，导致部分传感器出现误报甚至不能工作。目前采用的传感技术落后，甲烷、一氧化碳等环境参数传感器仍采用催化、电化学技术，寿命短,工作稳定性差，且存在零点漂移。部分传感器元件一致性差，测量易受干扰气体影响，测量精度低。
1.2 传感器供电不稳定
AQ 6201—2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》规定甲烷传感器到分站的传输距离不得小于2 km。随着工作面推进，现场需要甲烷传感器到分站的本质安全供电距离已经超过6 km，距离远，线路上的压降及干扰增大，造成传感器无法正常启动，且存在频繁复位等现象。
1.3 传输线路易受干扰
传感器与分站之间采用200～1 000 Hz模拟信号单向无校验传输方式，抗干扰能力差，易受传输线路干扰，且无法分辨。目前大多数安全监控系统的传感器和分站的抗干扰设计考虑不充分，未从接口防护、布线方式等方面进行抗干扰设计和严格试验，且在技术方面，抗干扰设计与本质安全设计相互矛盾，这是目前传输线路易受干扰的内因。
安全监控系统具有测点多、分布广、传输距离长等特点，传感器到分站的距离从几十米到数千米不等，极易受到外部信号的干扰，主要包括：在井下狭小的空间内，本质安全型传感器弱电信号线与动力电缆多为平行敷设，形成一个耦合回路；大型电气设备启动和停止时会产生浪涌干扰；井下变频设备、大功率设备工作时会释放强烈的电磁干扰[2]。这些外部干扰会对信号传输造成较大影响，导致系统极易产生误报警，严重时通信中断，设备无法工作。
1.4 安全监控系统技术水平参差不齐，设计安装不规范
(1) 现有生产厂家的安全监控系统内部数据传输设备物理接口协议不规范，各系统间通信协议互不兼容，且受GB 3836系列标准对本质安全系统整体认证要求的制约，不同厂家的数据传输设备互换性差。系统设计存在漏洞，如通过调整模拟量比例系数，可使监控主机显示值小于实际值；测点超限后，可修改或删除历史数据，从而逃避监管；双机切换采用冷备方式，难以保证数据不丢失。
(2) 部分煤矿安装安全监控系统时没有进行专项设计，有关作业规程、规章制度中均未对电缆的敷设及传感器的种类、数量、位置、断电范围等作出明确规定。部分安全监控系统功能不全，主要表现为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井未按AQ 6201—2006的规定对安全监控系统配设瓦斯抽采(放)监测功能、馈电状态监测功能。部分安全监控系统的井下设备本质安全回路未按GB 3836系列标准要求进行整体防爆评定和认证，存在失爆隐患。更严重的是，个别煤矿将传感器报警、断电浓度调高，不使用断电控制功能等，导致系统安全作用丧失，严重影响了煤矿安全生产。
1.5 相关标准规范不完善
(1) 目前，受限于本质安全系统在线检测技术，且国家没有出台安全监控系统在用检测检验标准和本质安全系统标准化设计标准，只有生产厂家的制造标准，目前在用的安全监控系统主要进行定性分析检查，对部分性能无法进行定量分析。
(2) 安全监控系统的通信协议、数据库、网络软件功能要求无统一标准，不便于现场使用监督管理。
(3) 安全监控系统的部分技术要求过低，已无法满足煤矿安全生产需要，数据安全性有待提高。如异地断电时间指标过低，目前规定异地控制时间应不大于2倍的系统最大巡检周期，即最长可达60 s，可能造成事故隐患。
针对煤矿安全监控系统使用中存在的问题，系统升级改造技术主要归纳为以下4个部分。
(1) 系统可靠性、稳定性提高。安全监控系统设备进行抗电磁干扰试验，模拟量传感器采用数字传输，鼓励使用激光甲烷传感器，采掘工作面传感器防护等级提高到IP65，存储数据加密。
(2) 系统功能提升。系统实现分级报警，推广逻辑报警；完善就地断电，推行区域断电；支持有线、无线传输融合，安全监控系统与GIS融合，地面可融合的系统包括环境监测系统、人员定位系统、应急广播系统、电力监控系统，其他可融合的系统包括视频监测系统、无线通信系统、设备监测系统、机车监控系统等；系统具有定期自诊断、自评估功能，伪数据标注及异常数据分析功能，瓦斯涌出、火灾等预测预警功能；在瓦斯超限、断电等紧急情况下，系统具有可自动与应急广播系统、通信系统、人员定位系统等的应急联动功能；系统具有与安全监控系统检查分析工具对接数据功能。
(3) 系统性能提升。系统巡检周期不超过20 s，异地断电时间不超过40 s；备用电源能维持断电后正常供电4 h，只能维持2 h供电时必须更换；模拟量传输处理误差不超过0.5%；分站最大本质安全供电距离为6 km。
(4) 系统通信接口规范。系统主干网应采用工业以太网；分站至主干网之间宜采用工业以太网，也可采用RS485、CAN、LonWorks、Profibus总线；模拟量传感器至分站的有线传输方式包括工业以太网、RS485总线、CAN总线,无线传输方式包括WaveMesh、ZigBee、WiFi、RFID。
3.1 系统工作原理
新一代煤矿安全监控系统采用工业以太网+现场总线架构，如图1所示。井下分站向主机传输数据可采用2种方式：① 在矿井环网交换机处，采用以太网接口与各自业务主机通信；② 在环网交换机内设置数据通信网关，网关通过以太网与主机通信，通过RS485、CAN总线与分站通信，网关具备分站通信管理功能，网关下可同时挂接不同业务系统分站，实现井下分站数据传输的融合。
在方式①中，分站可实现多种业务融合，RS485、CAN总线可挂接不同业务系统传感器，如安全监控系统、人员定位系统、矿压监测系统、瓦斯抽放监测系统等。传感器接入分站时，分站自动识别传感器固定业务属性，并将采集的数据上传到业务所属主机。分站根据业务主机配置的控制逻辑执行本地控制功能，同时分站业务间可实现一定范围内的数据融合，如甲烷监测与人员定位联动，实现了分站级井下多业务数据共缆传输及信息融合功能。
地面各业务主机接收分站数据，进行显示、报警、数据存储、报表打印等业务处理，并将数据发送至全矿井数据采集平台[3]，完成地面各系统数据融合功能。
图1 新一代煤矿安全监控系统结构
为降低巡检时间，数据传输采用不变不传策略。为加快报警、控制响应速度，构建了基于RS485主从式通信条件下的事件抢先上传模式，在方式②下系统巡检时间小于10 s，异地控制时间小于5 s。
为满足现场对系统可靠性、安全性、易用性的要求，系统采用分布式控制策略，异地控制逻辑下发到分站和执行器，在主传电缆、主机故障等情况下，井下分站和执行器能够正常工作。传感器采用可调谐半导体激光光谱[4-6]、红外探测[7]技术设计，提高了稳定性。同时，传感器具有即插即用功能，安装方便。井下设备内置软硬件故障探针，支持本地、远程故障诊断业务。系统采用自供电技术[8]，解决了抗电磁干扰与本质安全之间的矛盾，通过了2级电磁辐射抗扰度试验，3级脉冲群抗扰度试验，交流电源端口3级、直流电源与信号端口3级浪涌(冲击)抗扰度试验，且评价等级均为A。
3.2 系统关键技术
3.2.1 新型数字传感技术
导致传感器性能不稳定的主要因素为传感技术落后。激光甲烷传感器采用可调谐半导体激光光谱技术，其基于半导体激光器的波长可调谐特点，通过输出电流的变化控制波长在气体吸收峰附近扫描，
以获得待测气体的特征吸收光谱，从而实现气体测量。激光甲烷传感器不受其他气体的影响，适用于粉尘大、潮湿等恶劣环境，具有测量范围宽、响应速度快、长期免标校等特点。
传感器信号通过RS485、CAN总线进行数字传输，除测点实时值外，还可传输传感器诊断及调校数据。传感器防护等级提升至IP65，防爆型式提高到ia，满足工作面0区对本质安全设备的要求。传感器设计有软启动抗干扰电源模块，可在长距离传输条件下稳定工作。传感器内置唯一ID，便于产品溯源和跟踪；结构设计采用二次仪表+微型变送器形式，在煤矿运维时只需更换微型变送器即可。
3.2.2 多系统数据融合技术
多系统数据井下融合如图2所示。分站采用ARM处理器，具有以太网接口和RS485、CAN接口[9]，以及大容量存储器。不同系统传感器、执行器通过RS485、CAN总线接入分站，分站通信链路控制器将各系统设备数据分发至业务单元，各业务单元按照主机配置工作，并通过主机配置业务间数据关联模型，实现分站级数据融合，如瓦斯超限报警时实现关联区域人员告警。分站通过以太网、RS485接口，将各业务单元数据上传至对应主机。
图2 多系统数据井下融合示意
多系统数据地面融合如图3所示。业务主机将数据通过文本、WCF、OPC等方式发送至全矿井综合自动化系统数据采集模块，全矿井综合自动化系统进行数据融合处理，并以Web方式展示给各业务科室，实现安全监控系统基本功能和信息融合功能[10-11]。实现的多系统融合模型包括应急救援展示与联动(人员定位、视频联动、应急广播、无线通信)、面域(区域)安全评估、区域综合信息显示、“一矿一图”式信息展示等[12-13]。
图3 多系统数据地面融合示意
3.2.3 分布式、事件本地、异地控制技术
系统采用分布式、事件本地、异地控制策略，如图4所示。1号、2号分站挂接于1号网关下，3号分站挂接于2号网关下，4号分站挂接于以太网，如1号传感器控制1—3号异地断电器，系统工作前，监控主机将控制条件配置于1号传感器，将控制逻辑配置于1—4号分站，将异地控制关联地址表配置于1号、2号网关。系统有3种异地控制方式：① 同一网关下执行异地控制，控制数据流如图4中虚线1所示。1号传感器发起异地控制指令，1号分站在总线上发送该指令，2号分站接收并解析传输线路上的异地控制指令，1号断电器执行控制指令。② 不同网关下执行异地控制，控制数据流如图4中虚线2所示。网关解析到传输线路上有异地控制指令，按照控制异地关联表将源分站发出的控制信息发送到目标网关，目标网关将控制指令发送到目标分站，执行断电指令。③ 基于以太网执行异地控制，控制数据流如图4中虚线3所示，其工作原理与异地控制方式②相同。通过3种异地控制方式，系统在主传电缆、监控主机发生故障等情况下，能够快速进行井下异地控制。
图4 分布式、事件本地、异地控制策略原理
CAN总线具有多主和优先级仲裁特性，可优先上传紧急事件。RS485总线为主从半双工工作方式，一般从节点只有在收到一个有效轮询后才允许发送数据，但RS485总线具有传输距离远、抗干扰能力强等特点。为了提高RS485总线对关键信息的响应速度，链路协议采用令牌原理[14]，为从节点提供事件优先响应机会，使得从节点在没有收到主节点的轮询请求时，也可以向总线抢先发送信息。传感器、断电器、分站等设备的紧急事件主要包括当前值超过报警值、断电值,异地控制,监测值快速上升等。该类事件在总线上可以抢先发送，无需等待轮询周期，缩短了紧急事件响应时间。
采用上述措施后，异地控制不基于主机转发，事件响应时间不基于巡检周期，实现了快速异地控制。
3.2.4 电磁兼容技术
电磁兼容是指设备或系统在电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。煤矿安全监控系统中的设备信号都是本质安全弱电信号，不具备对外界骚扰的能力，且能在煤矿井下电磁环境中正常工作。抑制干扰的主要途径是切断干扰源，通常采用电气隔离、屏蔽、接地、滤波、端口防护技术，因此监控设备防护宜采用带屏蔽功能的金属外壳。
煤矿安全监控系统设备如分站、传感器等一般设计为本质安全型。根据GB 3836.4—2010要求，本质安全电路对电容、电感容量有限制，与滤除干扰需要大的电容、电感相矛盾，同时本质安全电路接线端子与外壳需承受500 V交流耐压，绝缘电阻不小于10 MΩ。这些特殊要求使得本质安全电路必须通过Y电容隔离接地，对地释放干扰信号，影响干扰抑制效果，因此本质安全设备抗干扰等级要小于地面设备。
煤矿本质安全设备的抗浪涌干扰等级难以提高。由于本质安全电源设计了过压、过流保护，产生的能量不足以引爆甲烷，所以本质安全电源在施加浪涌时，本质安全输出会关断，造成负载设备重启。设计本质安全设备时,可考虑电源短时自供电技术，采用电池、电容等蓄能元件，采取防爆措施，有效提高本质安全设备的抗浪涌干扰能力。
3.2.5 系统设备故障诊断技术
通信故障诊断原理：串行通信时如果接收到一帧数据，其CRC校验错误，或字符错误，或数据长度溢出，或命令错误，对错误次数进行累加，进行通信故障计数。
设备复位故障诊断原理：设备自身具备复位源识别寄存器，能将自身的复位状态保存于寄存器中。上电后，设备通过读该寄存器，能够识别复位状态，包括上电复位、外部复位、看门狗复位、掉电检测复位。
传感器故障类型主要有欠压故障、检测元件故障。传感器设计有电源电压AD变换电路，可监测电缆末端供电电压，如监测到电压异常，将电压值上传到监控主机。
电源故障类型主要有电池容量不足、本质安全输出短路，其故障诊断原理是通过对后备电池充电电流进行积分统计，计算出后备电池的荷电状态参数，并以上一周期后备电池完整放电容量为基础，对当前电池容量进行诊断，当不满足供电2 h时进行故障提醒。
3.2.6 即插即用、断线续传技术
系统传感器、执行器分配有ID号和系统属性。ID号用于描述设备类别、量程等基本属性。ID号上传至分站，分站在正确接收到该信息后，可以识别所接设备的属性及所属业务，并显示测量实时值，同时将所接设备的ID号通过网关或以太网直接传送至地面所属系统业务主机。系统软件接收到该ID号后，提示操作人员配置该设备的安装位置、根据实际情况修改配置参数，确认该设备接入，实现设备的即插即用功能。
在分站与主机的通信中断后，分站利用其自身的大容量存储器，存储通信中断期间传感器、执行器等设备的过程数据，即断线数据。当分站与主机的通信恢复后，根据分站与主机通信接口方式不同，采取不同的方式完成断线数据上传。基于RS485接口的分站采用读取断线续传数据方式，基于以太网接口的分站采用主动发送断线续传数据方式。
结合煤矿实际应用和国家煤矿安全监察局对煤矿安全监控系统升级改造的要求，重点介绍了系统升级改造的关键技术。该技术已应用于新一代煤矿安全监控系统中。经现场应用验证，系统运行稳定、可靠，系统巡检时间小于10 s，异地控制时间小于5 s，满足参考文献[15]提出的技术要求。
参考文献：
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WANG Congxiao1,2
(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changhzou 213015, China; 2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)
Abstract：Main problems about application of existing coal mine safety monitoring and control system were pointed out, such as unstable sensor performance and power supply, poor anti-interference performance of transmission lines, different system technology level, incomplete standards and so on. Technology requirements ofTechnologyschemesofupgradingofcoalminesafetymonitoringandcontrolsystem(exposuredraft) were analyzed about system functions, performances and communication interfaces. A design scheme of new coal mine safety monitoring and control system was proposed according to requirements ofTechnologyschemesofupgradingofcoalminesafetymonitoringandcontrolsystem(exposuredraft). Key technologies of the new system were introduced in details including new digital sensing, multi-system data fusion, distributed/local event/remote control, electromagnetic compatibility, fault diagnosis, plug and play, resuming from broken point, etc.
Key words：coal mine safety monitoring and control; upgrading; digital sensor; multi-system data fusion; electromagnetic compatibility; fault diagnosis; plug and play; resuming from broken point
文章编号：1671-251X(2017)02-0001-06
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.02.001
收稿日期：2016-11-03；
修回日期：2016-12-25；责任编辑：李明。
基金项目：煤炭科学研究总院科技创新基金资助项目(2015ZYJ006)。
作者简介：汪丛笑(1970-)，男，安徽宁国人，高级工程师，主要从事煤矿安全监控技术研究工作，E-mail：wcxslj@126.com。
中图分类号：TD76
文献标志码：A
网络出版：时间：2017-01-22 10:05
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170122.1005.001.html
【编者按】煤矿安全监控系统是防治煤矿瓦斯、火灾、水害、冲击地压、煤尘、冒顶等重特大事故的重要工具，在煤矿安全生产中发挥着重要作用，但在实际使用过程中也暴露出很多问题。2015年11月25日，国家煤矿安全监察局科技装备司发布了《关于征求〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案(征求意见稿)〉意见的通知》，指出国家煤矿安全监察局拟于“十三五”期间开展煤矿安全监控系统升级改造工作。一年多来，各安全监控系统研发和生产厂家按照《煤矿安全监控系统升级改造技术方案(征求意见稿)》要求，对各自产品进行了升级设计。为促进科研成果交流，我刊策划了“煤矿安全监控系统升级改造”专题，邀请安全监控系统研发和生产厂家的相关科研人员撰稿，深入解析煤矿安全监控系统升级改造中的关键技术，以期有效推动我国煤矿安全监控系统升级改造进程及科研成果在煤矿现场的应用。2016年12月29日,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》。
汪丛笑.煤矿安全监控系统升级改造及关键技术研究[J].工矿自动化，2017,43(2)：1-6.