永定庄煤业甲烷监控系统优化设计与应用_苏建秀.pdf

2002023 年第 2 期永定庄煤业甲烷监控系统优化设计与应用苏建秀（晋能控股煤业集团永定庄煤业有限责任公司，山西 大同 037003）摘 要 针对永定庄煤矿 KJ88S 型甲烷安全监控系统存在的传感器防护等级低、信号传输精度差、无多系统融合功能等问题进行优化设计，主干传输网络优化为工业以太网，多台综合型监控分站采用星型网络架构采集数字型传感器数据，在前端数据采集与控制系统和地面监控系统配合下，通过多系统融合服务器完成甲烷浓度实时监测、数据综合管理分析、多系统应急联动等功能。关键词 甲烷监测；以太网；多系统融合；联动中图分类号 TD712 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.069Optimal Design and Application of Methane Monitoring System in Yongdingzhuang Coal IndustrySu Jianxiu(Jinneng Holding Coal Industry Group Yongdingzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Datong 037003)Abstract:Aiming at the problems existing in the KJ88S type methane safety monitoring system of Yongdingzhuang Coal Mine,such as low sensor protection grade,poor signal transmission accuracy and no multi-system fusion function,the optimization design is carried out.The backbone transmission network is optimized for industrial Ethernet,multiple integrated monitoring substations use star network architecture to collect digital sensor data,with the cooperation of front-end data acquisition and control system and ground monitoring system,through the multi-system fusion server to complete the methane concentration real-time monitoring,data comprehensive management and analysis,multi-system emergency linkage and other functions.Key words:methane monitoring;Ethernet;multi-system fusion;linkage收稿日期 2022-07-15作者简介 苏建秀（1992），女，山西应县人，2017 年毕业于山西大同大学煤炭工程学院电气自动化专业，本科，助理工程师，研究方向：煤矿机电。苏建秀：永定庄煤业甲烷监控系统优化设计与应用苏建秀：永定庄煤业甲烷监控系统优化设计与应用1 概况永定庄煤业隶属于同煤集团，设计生产能力为 90 Mt/a，实际生产能力为 120 Mt/a，井田面积19.856 1 km2，主要开采 1、2 和 4 号煤层，属于侏罗系中统直罗组和延安组，埋深 183.42 m，平均煤层厚度 2.91 m，矿井采用斜井开拓方式。永定庄煤矿安装 KJ88S 型甲烷安全监控系统，主要对采煤工作面、掘进工作面、皮带机运输巷以及井下变电所和硐室的甲烷浓度进行实时监测，该系统存在以下问题：（1）采用的数据采集传感器大部分防护等级为 IP54，采用频率信号进行信息传输，在井下复杂工况环境下，极易受到水汽粉尘污染以及信号干扰，系统运行可靠性差；（2）系统传输主干网络使用 CAN 总线电缆，信号传输准确性不高，可能出现数据错误情况，且容易出现信道堵塞1，传输精度和稳定性低导致系统误报警风险大；（3）无多系统融合功能，联动控制功能有限，仅 2020 年上半年因系统误报警导致煤矿紧急疏散两次，影响生产效率。2 系统总体优化方案优化后的甲烷监控系统主要由四个子系统构成：地面监控系统、传输网络系统、前端数据采集与控制系统、多系统融合系统。地面监控系统为新增子系统，采用双机热备原则2-3设计，配合多系统融合服务器实现上位机监测、控制与历史数据查询等功能的集成；传输网络系统在原工业以太网系统基础上，更换千兆工业以太网交换机，以提升数据传输效率和稳定性；前端数据采集与控制系统主要优化传感器类型与监测点位，并添加分级报警与控制程序，根据传感器采集数据组实现既定报警与2012023 年第 2 期苏建秀：永定庄煤业甲烷监控系统优化设计与应用苏建秀：永定庄煤业甲烷监控系统优化设计与应用控制功能。优化后的甲烷监控系统总体架构如图1。图 1 优化后的甲烷监控系统总体架构3 子系统优化设计3.1 地面监控系统地面监控系统由研华 IPC-610L 型监控主机和监控备机、多系统融合服务器、监控数据服务器、其他系统服务器、上位机、X3650 型多系统融合服务器、打印机、UPS电源柜（5 kVA，后备时间为8 h）、KXB18A 激光打印机以及上级单位的数据平台构成，如图 2。监控主/备机根据传输接收数据进行系统实时状态判断，自动进行甲烷浓度超限断电、甲烷风电闭锁、故障闭锁等联锁控制功能，并在上位机功能界面中显示由监测数据绘制的曲线图、历史记录等，并形成各种报表，在系统判定井下出现甲烷浓度超限、断电情况时，自动启动区域报警、人员定位以及应急系统联动等功能；数据通过两台千兆核心交换机、井下交换机以及电缆采用 VRRP协议进行传输，井下甲烷浓度监测系统、巷道通风设备自动连锁与远程集中控制系统、井下供电安全连锁控制系统以及相关作业设备状态监测与控制系统等通过系统融合服务器进行数据共享；监控系统服务器安装 server2022 系统，将当前 KJ88S 型甲烷安全监控系统所有监测点位数据备份后在新系统中重新定义，并保证数据库的实时更新；监控系统软件与信息传输方式保证实时响应与数据传输效率，软件系统具备扩充和删除分站功能。3.2 传输网络系统主干传输网络由原来的总线型改为工业以太网，分别从主副斜井和回风斜井布置通信光缆，与地面千兆工业环网核心交换机和井下工业以太网交换机共同组成环形网络架构，井下共设置三个网络节点，均设置在井下变电所内，与地面交换机的拓扑结构如图 3。采用星型以太网网络4实现井下监控分站与主传输网络的数据传输，单条数据传输网络故障不会影响整体传输效率5-6。原系统甲烷浓度、温度、风速以及独立组分气体浓度监测传感器的输出信号均为 420 mA 模拟量信号，设备开关状态、风筒和风门状态等传感器输出信号为开关量，该两类信号均直接从信号采集单元采用总线型通信架构传输到井下各归口监测分站，监测分站采用以太网环形网络结构与地面监控系统的上位机通信。图 2 地面监控系统架构图图 3 传输网络系统拓扑结构图3.3 前端数据采集与控制系统该子系统主要由各类传感器和井下监控分站构成，传感器与监控分站采用 RS485 数字化方式进行数据传输，数据流传输方向与方式如图 4。图 4 前端数据采集与控制系统数据流示意图永定庄井下监测区域共设置 18 台综合型监控分站，包括 3 台备用分站。每台分站提供 4 路 RS4852022023 年第 2 期 表 1 010505 回风巷和+920 m 变电所传感器配置表 台JC CH4传感器CH4传感器CO传感器O2传感器T（温度）传感器FC（粉尘）传感器V（速度）传感器YW（烟雾）传感器馈电状态传感器风筒状态传感器风门状态传感器020401回风巷142111/2114+920 m变电所/212/11/4辑控制正确，传感器浓度监测误差小于 0.3%，满足设计要求。4.2 甲烷浓度历史监测曲线查询试验手动查询系统 2020 年 10 月 1 日2020 年 10月 11 日的 010505 综采工作面的甲烷浓度历史曲线，上位机界面如图 5。可以看出 10 月 9 日甲烷浓度达到 2.2%左右，查阅记录发现，当时矿方进行了甲烷浓度超限的分区报警测试，表明数据历史记录准确，功能完善。图 5 甲烷浓度历史监测曲线界面3.4 多系统融合系统多系统融合系统可以实现矿井安全数据以及设备状态监测等数据的分类融合，增强管理的全局性，提升管理调度的有效性和精细化。永定庄煤矿通过地面调度中心装设多系统融合服务器，搭建专业软件平台后，将井下甲烷浓度监测系统、巷道通风设备自动连锁与远程集中控制系统、井下供电安全连锁控制系统以及相关作业设备状态监测与控制系统有机集成，形成集数据综合管理分析、多系统应急联动等一体的综合管理监控系统。4 系统测试效果永定庄煤矿对优化后的甲烷监控系统进行运行测试，选取 010505 风巷进行甲烷浓度监测灵敏度、系统报警与连锁控制功能和甲烷浓度历史监测曲线查询功能测试。4.1 甲烷浓度监测试验对试验区域内的两只甲烷传感器分别通入浓度为 0.5%和 1.1%的标气，每个传感器进行两次独立试验，观察系统动作情况以及上位机甲烷浓度实时监测数据，试验结果汇总见表 2。结果表明系统逻接口，每个接口支持 6 个传感器通信，分站分别安装在监测工作面或巷道的前后断面处，采用隔爆兼本安型多路电源供电7。传感器配置根据不同监测面分类安装：（1）综采工作面安装经防爆和煤安认证的 CH4、CO、O2、粉尘和烟雾传感器，以及环境温度、风速和风门状态监测传感器，在瓦斯溢出重点区域设置全量程的激光甲烷传感器8；（2）回风巷、机巷除了基本的 CH4、CO、O2、粉尘和烟雾传感器外，增设监测设备开关状态、风筒和风门状态等传感器；（3）变电所、水泵房等区域安装 CH4、CO、温度、烟雾和设备馈电状态传感器。传感器的安装位置需要根据监测对象特点设置，以010505 回风巷和+920 m 变电所为例，传感器配置见表 1。表 2 甲烷浓度监测试验结果汇总表序号传感器标号标气浓度就地显示 1就地显示 2上位机显示 1上位机显示 2平均误差/%报警11#0.5%0.5010.5020.5010.5000.20N21#1.1%1.0981.1031.1011.1020.18Y34#0.5%0.4990.5010.4980.5000.20N44#1.1%1.1021.1031.0971.1020.23Y2032023 年第 2 期苏建秀：永定庄煤业甲烷监控系统优化设计与应用苏建秀：永定庄煤业甲烷监控系统优化设计与应用5 结语针对永定庄煤矿前期使用的 KJ88S 型甲烷安全监控系统进行优化设计，重点对系统的结构、数据通信架构以及多系统融合功能进行研究，形成以下结论：（1）系统采用双机热备原则，配合多系统融合服务器，以工业以太网环形网络架构实现了甲烷浓度实时监测、超限报警应急联动等功能。主干传输网络由原来的总线型改为工业以太网，并对监控分站至主干传输网络、监控分站至传感器两级网络进行优化升级，数据传输稳定性和准确性提升。（2）采用 18 台综合型监控分站及各类传感器搭建了前端数据采集与控制系统，通过分站与井下环网节点交换机星型网络架构，实现不同监测区域内甲烷浓度、环境参数、风筒、风门等状态参数的远距离精准传输。多系统融合系统融合了永定庄煤矿的井下甲烷浓度监测系统、巷道通风设备自动连锁与远程集中控制系统、井下供电安全连锁控制系统以及相关作业设备状态监测与控制系统，实现了数据综合管理分析、多系统应急联动一体化。【参考文献】1 陈向飞.煤矿安全监控系统逻辑控制自动检测装置设计 J.工矿自动化，2022，48（06）：154-158.2 张国玉，郑光辉，刘炳权，等.KJ90X 安全监控系统在赛蒙特尔煤矿的验收测试 J.煤炭技术，2021，40（07）：178-180.3 常续峰.KJ379X 安全监控系统在晋牛煤矿 10111综采工作面的应用J.当代化工研究，2021（13）：64-65.4 梁光清.基于激光甲烷检测技术的危险源气体监控终端的设计J.自动化与仪器仪表，2021（01）：108-111.5 李亚超.郭庄煤矿甲烷浓度监测系统的设计 J.机械管理开发，2020，35（12）：240-241+258.6 杨常华.基于 TDLAS 的甲烷传感器在综合管廊燃气舱中应用探讨J.山西建筑，2020，46（16）：191-193.7 魏光.矿井通风安全监测监控系统的运行探讨 J.当代化工研究，2020（10）：79-80.8 张杰文，刘小明，蒋栋，等.梅花井煤矿长距离单巷安全监控系统 DC24V 供电技术探索与实践J.价值工程，2020，39（13）：151-152.（2）四台矿通风系统可靠性预测系统经实际应用，其结果可直接反映工作面隐患，降低瓦斯浓度超限概率，对安全生产提供有力支撑，可作为通风系统可靠性预测方案进行推广使用，具备研究价值与实用价值。【参考文献】1 吴培林.王庄煤矿西风井主要通风机更换期间通风系统故障预测分析 J.煤矿现代化，2021，30（05）：175-178.2 王学斌.矿井通风系统监测平台的设计与实现的研（上接第 199 页）究 J.机械管理开发，2020，35（06）：233-235.3 闫培斌.瓦斯涌出量预测及工作面通风系统的研究分析 J.山东煤炭科技，2019（03）：103-105+113.4 宁元守.基于龙东矿井通风系统的模拟仿真与预测优化 J.内蒙古煤炭经济，2018（03）：104-105.5 柳志宏.基于 DT 的矿井通风系统可靠性预测 J.山东煤炭科技，2017（09）：89-91.6 宋树义.兴安煤矿通风系统安全性评价及提升方案探究 J.煤炭与化工，2018，41（09）：102-104.7 田晓红.下沟煤矿通风系统可靠性分析 J.陕西煤炭，2018，37（03）：47-51.