煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)故障閉鎖功能的探討

黃偉++張杰

【摘 要】《煤礦安全規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）規(guī)定，安全監(jiān)控設(shè)備必須具有故障閉鎖功能。當(dāng)與閉鎖控制有關(guān)的設(shè)備未投入正常運(yùn)行或者故障時(shí)，必須切斷該監(jiān)控設(shè)備所監(jiān)控區(qū)域的全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源并閉鎖；當(dāng)與閉鎖控制有關(guān)的設(shè)備工作正常并穩(wěn)定運(yùn)行后，自動(dòng)解鎖。那么，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的故障閉鎖有幾種形式？如何實(shí)現(xiàn)？本文就該問題進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】煤礦 安全監(jiān)控系統(tǒng) 故障閉鎖 分析

1 傳感器故障閉鎖

1.1 甲烷傳感器未投入正常運(yùn)行

井下瓦斯嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)，這里以國(guó)內(nèi)煤礦井下常用的量程0～4.00%的甲烷傳感器為例探討傳感器的故障閉障功能。安全監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器輸出信號(hào)判斷傳感器運(yùn)行情況，當(dāng)傳感器下向漂移超過多時(shí)，則應(yīng)認(rèn)為該傳感器未投入正常運(yùn)行。

國(guó)家在甲烷傳感器精度誤差方面的相關(guān)規(guī)定：

《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》（AQ1029-2007）規(guī)定低濃度載體催化式甲烷傳感器調(diào)校時(shí)零點(diǎn)調(diào)校值控制在0.00～0.03%CH4之內(nèi)。

《煤礦甲烷檢測(cè)用載體催化元件》（AQ6202-2006）規(guī)定環(huán)境瓦斯氣體在0.00～1.00%CH4時(shí)，該傳感器元件絕對(duì)誤差為±0.06 CH4。

《煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器》（AQ6203-2006）規(guī)定甲烷傳感器的基本誤差在0.00～1.00%CH4時(shí)，絕對(duì)誤差為±0.10%CH4。

按照以上規(guī)定，量程0～4.00%甲烷傳感器的零點(diǎn)漂移低于0即應(yīng)重新調(diào)校；低于-0.06，傳感器中的傳感元件超過誤差規(guī)定，應(yīng)將傳感器更換上井檢查；低于-0.10說明傳感器未投入正常運(yùn)行。

對(duì)照《規(guī)程》規(guī)定，甲烷傳感器運(yùn)行不正?；蚬收蠒r(shí)，系統(tǒng)必須切斷該傳感器所監(jiān)控區(qū)域的全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源并閉鎖。所以，監(jiān)控系統(tǒng)中甲烷傳感器對(duì)應(yīng)的斷電控制除瓦斯超限設(shè)定的上控以外，還必須按照《規(guī)程》規(guī)定設(shè)定下控，下控值應(yīng)設(shè)為-0.06和-0.10之間，結(jié)合煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，如風(fēng)速、氣溫、粉塵以及傳感器吊掛位置等因素，筆者認(rèn)為下控值設(shè)為≤-0.10較為合理。

1.2 傳感器失電故障

安全監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控分站是否收到傳感器輸出信號(hào)來判斷傳感器傳輸是否正常。傳感器輸出信號(hào)有電壓型、電流型、頻率型及數(shù)字型等，檢測(cè)量程有0～4.00%、0～10. 0%、0～40.0%、0～100%等，這里以我國(guó)煤礦井下常用的頻率型甲烷傳感器為例，其采用載體催化元件作為傳感元件，檢測(cè)量程0～4.00%對(duì)應(yīng)輸出頻率200～1000Hz。

設(shè)傳感器檢測(cè)出的甲烷濃度為x，傳感器輸出頻率為f，二者關(guān)系可用以下公式表示。

傳感器失電時(shí)，無頻率信號(hào)輸出，安全監(jiān)控系統(tǒng)收到的頻率為0，代入上式，系統(tǒng)認(rèn)為甲烷傳感器的“輸出值”為-1。

對(duì)照《規(guī)程》規(guī)定，甲烷傳感器失電故障時(shí)，系統(tǒng)必須切斷該傳感器所監(jiān)控區(qū)域的全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源并閉鎖。所以，監(jiān)控系統(tǒng)中甲烷傳感器必須按照《規(guī)程》規(guī)定設(shè)定下控，下控值應(yīng)設(shè)為-1.00。

1.3 傳感器與分站連線中斷故障

傳感器無信號(hào)輸出或連接線纜中的信號(hào)正負(fù)芯線任一斷開，監(jiān)控系統(tǒng)不能收到甲烷傳感器的信號(hào)，即頻率為0，甲烷傳感器的“輸出值”為-1。與上相同，系統(tǒng)自動(dòng)切斷該傳感器所監(jiān)控區(qū)域的設(shè)備電源。

以上探討傳感器未投入正常運(yùn)行、失電、無信號(hào)輸出等故障，該故障閉鎖功能均為系統(tǒng)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的判別，且同為下控，鑒于傳感器未投入運(yùn)行的故障閉鎖設(shè)置值（-0.1）高于失電、無信號(hào)輸出的故障閉鎖值（-1.0），當(dāng)傳感器失電或連接線纜故障時(shí)，系統(tǒng)已按-0.1先于-1.0執(zhí)行斷電了，所以設(shè)置了-0.1后，該設(shè)置值（-1.0）可設(shè)可不設(shè)，筆者認(rèn)為只要系統(tǒng)允許二者均應(yīng)設(shè)置。

2 斷電控制器的故障閉鎖

按照《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》（AQ6201-2006）中的術(shù)語和定義，斷電控制器是監(jiān)控系統(tǒng)控制磁力啟動(dòng)器、饋電開關(guān)等供電開關(guān)的裝置。因監(jiān)控分站本身提供的斷電觸點(diǎn)容量較小且為本質(zhì)安全型，不能直接用來控制礦用供電開關(guān)的控制回路，一般在監(jiān)控分站和供電開關(guān)之間加裝一臺(tái)觸點(diǎn)容量較大、本安轉(zhuǎn)隔爆的斷電控制器，煤礦常簡(jiǎn)稱為斷電器。

對(duì)照《規(guī)程》要求，當(dāng)與閉鎖控制有關(guān)的斷電控制器未投入正常運(yùn)行或者故障時(shí)，必須切斷該斷電控制器所控區(qū)域的全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備并閉鎖。

斷電控制器通過內(nèi)部繼電器實(shí)施斷電，繼電器接收斷電命令輸出常開或常閉接點(diǎn)達(dá)到故障閉鎖功能。當(dāng)中心站設(shè)置完成后，實(shí)現(xiàn)斷電控制器故障閉鎖功能在于選擇常開或常閉接點(diǎn)。下面分三種情況簡(jiǎn)要說明：

（1）對(duì)于磁力起動(dòng)的磁力起動(dòng)器、饋電開關(guān)及高壓防爆真空接觸器，俗稱“電保持”的供電開關(guān)，應(yīng)采取斷電控制器提供的常開接點(diǎn)串入接觸器的停止按鈕的方式；如圖1。

（2）對(duì)于采取脫扣器的饋電開關(guān)及高壓防爆真空斷路器，俗稱“機(jī)械保持”的供電開關(guān)，應(yīng)采取斷電控制器提供的常閉觸點(diǎn)并入斷路器的分勵(lì)接點(diǎn)的方式；如圖2。

（3）由于礦用供電開關(guān)普遍采用智能綜合保護(hù)器，提供瓦斯電閉鎖信號(hào)的接點(diǎn)，斷電控制器可以按開關(guān)說明書要求直接提供常開或常閉接點(diǎn)；如圖3。

3 監(jiān)控分站的故障閉鎖

安全監(jiān)控系統(tǒng)的分站具有超限判別、邏輯運(yùn)算以及輸出控制信號(hào)等能力，其對(duì)外輸出控制接點(diǎn)的方式有二類，一類是輸出觸點(diǎn)直接控制礦用供電開關(guān)，如圖4；另一類是通過斷電控制器間接控制礦用供電開關(guān)，該類又分成觸點(diǎn)型和電位型二種形式，如圖5、圖6。以下分別說明。

（1）圖4所示的控制方式，在監(jiān)控系統(tǒng)中稱為近程斷電。監(jiān)控分站在其防爆電源箱內(nèi)部專設(shè)的控制觸點(diǎn)，一般為2組，每組均有常閉常開供選擇，可用來直接控制礦用供電開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是觸點(diǎn)容量大，無需斷電控制器轉(zhuǎn)接；缺點(diǎn)是觸點(diǎn)為隔爆型，控制距離近，維護(hù)較為繁瑣。

分站故障閉鎖功能簡(jiǎn)述如下，分站提供礦用供電開關(guān)相應(yīng)的控制觸點(diǎn)（圖中所示為常開），監(jiān)控分站停電且蓄電池電源耗盡后，分站內(nèi)部繼電器失電，（常開）觸點(diǎn)打開，礦用供電開關(guān)控制回路的繼電器失電，供電開關(guān)分?jǐn)?，?fù)荷無電。

有的煤礦監(jiān)控部門采用分站提供的本安觸點(diǎn)直接控制供電開關(guān)控制回路，效果很好。但這里需要指出的是分站本質(zhì)安全輸出觸點(diǎn)必須對(duì)應(yīng)供電開關(guān)的本質(zhì)安全型接口，且須按規(guī)定進(jìn)行聯(lián)檢；分站的防爆觸點(diǎn)必須對(duì)應(yīng)供電開關(guān)的防爆接口，禁止本安、防爆相互交叉，相互混淆，否則會(huì)釀大禍。

（2）圖5所示的控制方式是監(jiān)控系統(tǒng)中常用斷電方式。監(jiān)控分站一般提供6至8組本安型觸點(diǎn)，且均有常開常閉選擇，該觸點(diǎn)通過斷電控制器轉(zhuǎn)接控制礦用供電開關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，維護(hù)方便；缺點(diǎn)是中間多了一個(gè)環(huán)節(jié)。

分站故障閉鎖功能簡(jiǎn)述如下，分站提供給斷電控制器常開觸點(diǎn)，斷電控制器提供給供電開關(guān)相應(yīng)的控制觸點(diǎn)（一般為常開）。監(jiān)控分站停電且蓄電池電源耗盡后，分站內(nèi)部繼電器失電，常開觸點(diǎn)打開，斷電控制器輸出觸點(diǎn)打開，供電開關(guān)控制回路的繼電器失電，供電開關(guān)分?jǐn)?，?fù)荷無電。

（3）圖6所示的控制方式是監(jiān)控系統(tǒng)近年來興起的一種方式。監(jiān)控分站提供電位控制斷電控制器并進(jìn)而控制供電開關(guān)，其優(yōu)缺點(diǎn)同圖5，一般來說，分站與斷電器應(yīng)配套使用。

分站故障閉鎖功能簡(jiǎn)述如下，分站提供給斷電控制器電位控制口，斷電控制器提供給供電開關(guān)相應(yīng)的控制觸點(diǎn)（一般為常開）。正常情況下，分站輸出高電位給斷電控制器，斷電控制器輸出觸點(diǎn)閉合，供電開關(guān)可以送電；監(jiān)控分站停電且蓄電池電源耗盡后，分站電位為零，控制斷電器輸出觸點(diǎn)打開，供電開關(guān)控制回路的繼電器失電，供電開關(guān)分?jǐn)?，?fù)荷無電。

4 分站通訊中斷的故障閉鎖

隨著煤礦采深的增加，突出煤層的管理愈加困難、通風(fēng)系統(tǒng)愈加復(fù)雜，分站異地控制幾乎存在于所有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，但其通訊中斷的故障閉鎖功能卻常常易于忽視，甚至很多廠家的監(jiān)控系統(tǒng)根本沒有該項(xiàng)功能；有該項(xiàng)功能的系統(tǒng)，煤礦監(jiān)控部門也不使用。

如圖7中分站B，監(jiān)控分站B接受系統(tǒng)中心站初始化命令后，即可在甲烷傳感器超限的情況下，自動(dòng)切斷本分站所控區(qū)域設(shè)備電源。但安全監(jiān)控系統(tǒng)在使用過程中常常遇見甲烷傳感器與斷電控制端口不在同一分站的現(xiàn)象，如采煤工作面上下風(fēng)巷、遠(yuǎn)距離回風(fēng)系統(tǒng)、多個(gè)采掘工作面的回風(fēng)系統(tǒng)相互影響、模擬量較多一個(gè)分站不能容下等，這種情況下必須采用異地控制。

如圖7所示，當(dāng)分站B所帶甲烷傳感器超限后，本分站不能直接控制分站A的控制口，只能傳遞超限信息至地面監(jiān)控中心站，中心站發(fā)布斷電命令至分站A，分站A驅(qū)動(dòng)相應(yīng)控制口，切斷被控區(qū)域設(shè)備電源，此謂異地?cái)嚯姟?/p>

當(dāng)控制分站（B）無電、控制分站（B）或被控分站（A）通訊線路斷開或短路等情況下，一旦控制分站（B）所帶甲烷傳感器超限，被控分站（A）就無法接受命令實(shí)施異地?cái)嚯?。這種情況下，被控分站即應(yīng)實(shí)施通訊中斷故障閉鎖。

5 監(jiān)控系統(tǒng)的故障閉鎖

監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)服務(wù)器當(dāng)機(jī)、交換機(jī)故障、主通訊線纜斷線等系統(tǒng)故障時(shí)，執(zhí)行本地?cái)嚯姷木路终救钥梢元?dú)立運(yùn)行，繼續(xù)接收傳感器傳送的數(shù)據(jù)，判斷超限信息并自動(dòng)發(fā)出斷電指令；執(zhí)行異地?cái)嚯姷姆终臼怯芍行恼景l(fā)出指令（如上圖），對(duì)監(jiān)控區(qū)域執(zhí)行斷電。所以，監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)上述情況后，異地分站（圖7監(jiān)控分站B）所帶甲烷傳感器超限后，受異地控制的分站（圖7監(jiān)控分站A）無法接收斷電指令，其瓦斯電閉鎖區(qū)域?qū)儆谑Э貭顟B(tài)。由于系統(tǒng)故障后，分站接受不到中心站指令，同屬分站通訊中斷，所以監(jiān)控系統(tǒng)的故障閉鎖可由分站通訊中斷的故障閉鎖功能替代。