寺河煤礦礦井監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)實踐

馮智棟

（晉煤集團(tuán)寺河煤礦，山西 晉城 048000）

0 引言

在我國對煤礦安全生產(chǎn)要求越來越高的形勢下，通過監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)合理應(yīng)用，提高了生產(chǎn)水平與管理效率，并在一定程度上促進(jìn)了這項技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

目前寺河礦區(qū)礦井等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)已完成5309、5310、W2303、W3308等綜采工作面的設(shè)計、安裝工作；4個掘進(jìn)工作面及固定地點監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)完成各掘進(jìn)頭面、千米鉆場、變電所等監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計、安裝、回收等工作；完成安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)圖及斷電控制圖的繪制及每月更新工作，全年迎檢圖紙繪制及資料整理準(zhǔn)備工作；以及各工作面規(guī)程措施的審核工作；監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)升級改造工作面的通用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工作；東、西井區(qū)所有千米鉆機安全監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試、安裝工作；完成了風(fēng)筒傳感器升級工作，并制定了使用規(guī)范；機載、車載傳感器的報警值、斷電值的下浮工作。

1 遠(yuǎn)程生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)特點

信息化技術(shù)快速發(fā)展，以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的IP網(wǎng)正得以廣泛應(yīng)用。主干網(wǎng)的逐步建成與高速接入系統(tǒng)不斷發(fā)展，推動了以IP技術(shù)為核心的視頻通信實際應(yīng)用［1］。在煤礦生產(chǎn)的安全監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代化監(jiān)控技術(shù)是一種必然的發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)主要具有網(wǎng)絡(luò)化、可擴(kuò)展性、可用性與可靠性、互冗余備份等特點。網(wǎng)絡(luò)化是指借助網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)能實現(xiàn)圖像信息傳輸與共享；可擴(kuò)展性是指系統(tǒng)控制部件為集中式結(jié)構(gòu)，并采用嵌入式等先進(jìn)技術(shù)，能十分靈活且方便的實現(xiàn)擴(kuò)充，使系統(tǒng)具有良好適應(yīng)性，減少或避免重復(fù)投資；可用性與可靠性是指通過對視頻壓縮方式的應(yīng)用，能有效降低帶寬與延時，并實現(xiàn)全雙工，在回訪查看時，具有很高的清晰度；互冗余備份是指管理、錄像服務(wù)器均能實現(xiàn)相互之間的冗余備份，使系統(tǒng)具有良好的可靠性與穩(wěn)定性，技術(shù)保障充分。

1.2 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

建立不同部門應(yīng)急條件下的指揮和調(diào)度系統(tǒng)，當(dāng)事故發(fā)生時，在第一時間采用短信通知的模式組織相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及工作人員開展應(yīng)急會議，同時把現(xiàn)場的監(jiān)控圖像傳輸至?xí)h室，為決策的制定與應(yīng)急程序的啟動提供依據(jù)，從根本上減少或避免人員傷亡。建立煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的視頻監(jiān)控會議系統(tǒng)，為相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及工作人員的教育培訓(xùn)實施提供便利，使工作人員形成較高的安全意識，并不斷提高工作能力。組建專業(yè)技術(shù)與管理隊伍，為正確且規(guī)范的操作監(jiān)控系統(tǒng)提供便利，及時發(fā)現(xiàn)和處理各類故障，使系統(tǒng)始終處于正常的運行狀態(tài)。建立嚴(yán)格且完善的考核制度，對上述幾個方面實施獎罰，使監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到良好運行質(zhì)量，最后，建立一個行之有效的互相促進(jìn)和聯(lián)防組織［2］。對于單純的視頻監(jiān)控，它只能對視頻圖像進(jìn)行上傳和管理，在此基礎(chǔ)上還需要和其它系統(tǒng)充分結(jié)合，只有這樣才能使調(diào)度指揮系統(tǒng)真正掌握全方面信息。

2 設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)主要由主監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視視頻、微機保護(hù)系統(tǒng)3部分組成。其中，主監(jiān)控系統(tǒng)還連接有空壓機、通風(fēng)機與水泵等子監(jiān)控系統(tǒng)，通過和不同子系統(tǒng)之間的通信，對各類設(shè)備實際運行進(jìn)行集中監(jiān)控，對水泵、空壓機與通風(fēng)機進(jìn)行參數(shù)檢測，明確設(shè)備工作狀態(tài)，識別報警信息，同時還能將各類設(shè)備信息都傳輸至調(diào)度中心。下位機不僅可以實現(xiàn)獨立運行，而且還能和上位機之間實現(xiàn)聯(lián)動運行，如果其中1個下位機發(fā)生故障，則不會對其它下位機造成影響；分別對5個水泵、4個空壓機和2個通風(fēng)機實施報警信息、運行參數(shù)及工作狀態(tài)的實時集中監(jiān)測；而上位機能對具有水泵和空壓機啟閉予以遠(yuǎn)程集中控制；對設(shè)備運行模擬情況進(jìn)行動態(tài)且直觀的模擬顯示。在上、下位機間，采用現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸通訊，保證設(shè)備快速性及實時性；對空壓機而言，其下位機控制能實現(xiàn)恒壓供風(fēng)，以運行時間為依據(jù)，對空壓機工作進(jìn)行自動啟閉；對于歷史數(shù)據(jù)的記錄，可采用很多種不同的查詢方式，比如根據(jù)信息的類型、時間和下位機等進(jìn)行查詢；可形成歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)的變化曲線，包括液位曲線、溫度曲線與壓力曲線；能使用戶實現(xiàn)安全登錄；在下位機顯示屏上能顯示所有子系統(tǒng)對應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線與模擬圖［3］。

2.2 系統(tǒng)特點

各子系統(tǒng)之間的關(guān)系：不同子系統(tǒng)間不會產(chǎn)生干擾，都能使控制具有相對獨立性，不僅能以集中聯(lián)網(wǎng)的形式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，而且還能獨立就地控制。利用IPC和PLC分別實現(xiàn)高程面監(jiān)控及物理層面的實時采樣和控制，這兩者的控制和數(shù)據(jù)處理之間的相互配合，能達(dá)到優(yōu)勢互補的效果，使設(shè)備監(jiān)控充分體現(xiàn)各自性能［4］。無論是工業(yè)控制部分，還是前置與局部控制，其CPU均具備看門狗定時器使用功能，當(dāng)主機由于軟件方面的原因發(fā)生死機時，可在無人干預(yù)情況下實現(xiàn)自動復(fù)位。

操作系統(tǒng)軟件：工控軟件能十分方便地實現(xiàn)軟件開發(fā)。在視頻系統(tǒng)中，其數(shù)碼錄像部分能做到模塊化設(shè)計，利用先進(jìn)可行的軟件及硬件技術(shù)，有效解決由于錄像帶多次使用造成的畫面模糊、費用較高和管理難度高等實際問題，使不同形式的錄像實現(xiàn)聯(lián)動，在錄滿后自動刪除，具有軟件防死機與斷電后來電可實現(xiàn)自動恢復(fù)等功能。由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能十分先進(jìn)，所以能在寬帶網(wǎng)、數(shù)據(jù)專線及電話線實現(xiàn)圖像傳輸。

3 煤礦調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成與原理

該系統(tǒng)主要由分站與傳感器兩部分構(gòu)成，其測點的監(jiān)控內(nèi)容包括風(fēng)速監(jiān)控、瓦斯監(jiān)控、電流和電壓監(jiān)控、設(shè)備啟停監(jiān)控、風(fēng)門啟閉監(jiān)控、蒸汽壓力監(jiān)控、風(fēng)壓監(jiān)控、絞車啟停監(jiān)控和位置監(jiān)控。該系統(tǒng)將地面計算機作為控制中心，也就是系統(tǒng)的主機，利用通信接口和分站實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。各分站都通過通信線實現(xiàn)掛接，不同分站間不聯(lián)絡(luò)。主機先以分站和傳感器之間的連接端口為依據(jù)，對分站測點予以定義，其內(nèi)容主要包括測點數(shù)量、端子號、順序號、模擬量或開關(guān)量。在定義結(jié)束后，在初始化的菜單上對各分站予以初始化［5］。待初始化完成后，由分站將從主機發(fā)出的參數(shù)存至存儲器當(dāng)中。如果分站由于故障而斷電，則在恢復(fù)送電后，分站的單片機可自動提取原參數(shù)實施循環(huán)監(jiān)測，此時無需二次初始化。

3.2 硬件的設(shè)計與選型

通信接口：這是和主機之間進(jìn)行信號通信的重要轉(zhuǎn)換裝置，也是系統(tǒng)重要設(shè)備之一。它和主機之間的通信采用的是RS232接口，和分站之間的通信采用的是基帶信號；由于存在光耦隔離電路，所以能對主機和從機進(jìn)行自動切換；能提供通信指示使用功能，能有效降低通信的誤碼率，光耦元件如圖1所示。通過對自動切換電路合理設(shè)計，能使系統(tǒng)運行具有良好的連續(xù)性，同時使主機能實現(xiàn)接口優(yōu)先使用。如果主機由于故障而中斷通信，則從機能在1 s內(nèi)實現(xiàn)自動投入。從機工作過程中，若主機也需要工作，僅需主機向外發(fā)出信號，就能使接口用于主機。此外，因運用了光電耦合器，所以能提高通信過程中的抗干擾能力［6］。

單片機及其自動復(fù)位：對于監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，其分站中的單片機不能發(fā)生死機故障，基于此需要采用自動復(fù)位功能。振蕩器在正常運行過程中，會以一定間隔持續(xù)輸出正脈沖，提供給復(fù)位電路，使單片機完成復(fù)位。當(dāng)單片機發(fā)生死機故障時才會進(jìn)行正脈沖的輸出，而在正常工作過程中無需復(fù)位，這就要求單片機與振蕩器實現(xiàn)互補。對此，通過對清零引腳的合理應(yīng)用，當(dāng)單片機正常運行時，向振蕩器持續(xù)輸入清零脈沖，以此使振蕩器始終輸出低電平，只有發(fā)生死機故障時，才會啟動。

圖1 光耦元件

4 智能監(jiān)控終端系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

智能監(jiān)控終端除了可對現(xiàn)場所有物理參數(shù)實時采集，還能對電參數(shù)實時采集，同時從終端開始向監(jiān)控中心不斷傳輸信息，實現(xiàn)從監(jiān)控中心對現(xiàn)場執(zhí)行動態(tài)監(jiān)視的根本目標(biāo)；當(dāng)監(jiān)控中心發(fā)出相應(yīng)的控制指令后，就能實現(xiàn)對設(shè)備的控制。

智能監(jiān)控終端的功能包括：四遙，即遙測、遙控、遙信和遙調(diào)；對電能予以實時計量；智能無功補償；數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計；遠(yuǎn)程通訊；自診斷；智能測控。通過對智能監(jiān)控終端的合理應(yīng)用，對生產(chǎn)現(xiàn)場予以實時監(jiān)視，并通過對控制指令的實時發(fā)送，實現(xiàn)對通風(fēng)機等設(shè)備的有效控制［7］。

4.2 工作原理

該智能終端將采樣的基本原理作為主要理論依據(jù)，并引入ARM、DSP和現(xiàn)場總線等先進(jìn)技術(shù)，對各種參數(shù)進(jìn)行采集、交換、計算與分析，并實現(xiàn)以下功能：對模擬量進(jìn)行輸入和輸出；對開關(guān)量進(jìn)行輸入和輸出；用鍵盤等外接設(shè)備輸入，并用液晶顯示屏進(jìn)行實時顯示。

將智能監(jiān)控終端作為核心組成部分的系統(tǒng)及裝置，往往都有著簡單緊湊的結(jié)構(gòu)、便利的維護(hù)條件、較高的精度與可靠性、較寬的動態(tài)范圍、良好的溫度特性與極強的抗干擾能力。該監(jiān)控系統(tǒng)除了能對單臺通風(fēng)機實施動態(tài)監(jiān)控，還能形成大型整體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對若干通風(fēng)機設(shè)備設(shè)施監(jiān)控。除此之外，通過對無線收發(fā)模塊的引入，還能進(jìn)行無線監(jiān)控，形成既能實現(xiàn)有線通信，又能實現(xiàn)無線通信的實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。對電動機等設(shè)備實際運行狀況實施動態(tài)監(jiān)控是現(xiàn)在很多用戶的基本要求，利用這一智能監(jiān)控終端，能對設(shè)備各項參量進(jìn)行檢測，及時找出設(shè)備運行過程中存在的故障，避免故障發(fā)展造成損壞和報廢［8］。

該系統(tǒng)的應(yīng)用能為動力環(huán)境等的實時監(jiān)控提供有效且完整的技術(shù)解決方案，其主要目的在于對廣泛分布的不同設(shè)備及環(huán)境相關(guān)參數(shù)實施遙控、遙測與遙信，通過監(jiān)視掌握所有設(shè)備及系統(tǒng)所處實際運行狀態(tài)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，在第一時間找出故障，并將其通知給相關(guān)人員進(jìn)行故障處理，達(dá)到提高效益、保證生產(chǎn)安全和減少能耗的根本目標(biāo)。

5 結(jié)語

綜上所述，在礦區(qū)礦井生產(chǎn)和管理工作中應(yīng)用監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)，不僅能在一定程度上保證礦井生產(chǎn)正常進(jìn)行，使相關(guān)人員了解井內(nèi)實際情況，而且能有效預(yù)防事故的發(fā)生，實現(xiàn)安全生產(chǎn)目標(biāo)，并對井下的設(shè)備和人員進(jìn)行正確的調(diào)度指揮。