煤矿现代化监测监控技术的研究与应用

　　目前，煤矿安全监控系统具有模拟量、开关量、累计量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等多项功能，用来监测井下的甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主要通风机开停、工作电压、工作电流等，并且实现了甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各个煤矿针对以前在矿井监测监控方面存在的一些问题进行了认真分析和归纳，并且与有关单位共同开展了科技攻关，取得了一批卓有成效的研究成果，同时他们还积极应用当前已有的矿井监测监控适用新技术，提出解决方案并且在矿井上、下进行了实施，有效地保障了矿井的安全，取得了良好的效果。
　　1、大型设备集中监控系统在煤矿的应用
　　兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿东风井实现了大型设备的集中监控，设备采集参数量足、用户程序设计有利于扩展，为将来机房的无人值守创造了宝贵的经验。
　　该矿东风井发大型设备集中监控设有主监控系统、6kV级变电微机保护系统和工业电视视频系统。主监控系统下连扇风机监控子系统、水泵监控子系统和空气压缩机监控子系统。其监控上位机采用研华IPC610系列工控机，依靠与各个子系统的通信，集中监控所有设备的运行，监测空气压缩机子系统、扇风机子系统和水泵子系统的运行参数、工作状态和故障报警信息等，能够实时直观的模拟显示空气压缩机、水泵和扇风机等大型设备的系统模拟图。
　　该控制系统的明显特点是各个子系统均能够保持控制上的相对独立性，既可以集中联网实行远程控制又能够独立就地控制运行，各个子系统互相之间不干扰。使用工业IPC做“高层面监控”，而又用高质量的西门子S7系列PLC做“物理层面”的采样与控制，两者的控制与数据处理配合使用可以实现优势互补，用来完成大型机电设备的监控可以说是各显其能、相得益彰。后台的工业控制计算机、前置的PLC控制器以及扇风机的数据采集卡，其CPU都设有看门狗定时器功能，可以实现主机因为软件故障而死机时系统在无人干预下的自动复位。
　　主监控系统的操作系统软件为Windows2000NT系统，工控软件为国内应用最为广泛的“组态王”6.02版，特别便于软件的开发。视频系统的数码录像部分采用独特的模块化设计，使用先进的多媒体软硬件技术，解决了原先监控系统因为反复使用录像带而容易产生的画面不清晰、管理复杂以及费用高昂等问题，可以实现手工录像、定时录像、视频移动录像和布防报警联动录像，具有录满自动删除功能、摄像镜头和云台控制的功能、软件防死机和断电以后来电自动恢复启动的功能。其先进的网络性能，可以在数据专线、电话线和宽带网上传输图像。
　　2、KJ56型煤矿调度监控系统
　　为了满足中小型煤矿的现场实际需要，山东科技大学和兖州矿业（集团）公司唐村煤矿开发出了一套成本低廉、可靠性高、结构简单、便于维护的KJ56型煤矿调度监控系统，具有比较好的推广应用前景。
　　整个系统是由7个分站和40只传感器组成的，测点参数包括风速、瓦斯、电流电压、设备开停、风门开闭、蒸汽压、风压、绞车开停以及其运行位置等。该系统的控制中心为地面计算机，即系统主机，通过通信接口与各个分站进行数据通信。分站均通过2芯通信线挂接在一起，相互之间不进行联络。系统的主机首先根据分站与传感器的连接端口对分站的测点进行定义，定义内容包括分站的测点数、测点的端子号、顺序号、模拟量还是开关量等。定义完成之后便选择“初始化”菜单对每一个分站接着初始化。初始化成功以后，分站就把主机发来的定义参数存入到掉电不丢失数据存储器中。当分站因为故障断电再送电的时候，单片机能够自动取出原有的系统定义参数进行循环监测而不需要系统主机再对其进行初始化。
　　KJJ12型通信接口是由主机相连接的一个通信信号转换器，它与主机的通信采用普通的RS232标准接口，与分站的通信采用本安型、二线制基带信号；有光耦隔离电路，具有主、从机自动切换的功能和通信指示的功能，通信误码率比较低。在监测监控系统中，分站内的单片机是不允许出现死机故障的，所以他们设计一套可靠的单片机自动复位电路。其中，振荡器正常工作的时候会间隔一定时间（可以进行调整）输出一个正脉冲给复位电路，让单片机复位。单片机在正常工作的时候却不断地输出一个清零脉冲给振荡器，使得振荡器输出的全部均为低电平，只有在单片机死机的时候振荡器才能够正常工作。
　　3、水泵自动化监控系统的应用
　　在矿山井下的水泵房内，水泵的电动机需要根据水位的变化频繁地启动，其操作步骤比较繁琐、环境条件恶劣、噪声偏大、气温比较高、人员容易疲劳，特别是在井下发生水灾的情况下留人值守泵房也是很危险的。兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿研究的水泵自动化监控系统减轻了工人的负担，实现了无人值守，也为全矿联网监控和数字化建设奠定了基础，在实际的应用中也有着广泛的前景。
　　整个系统由数据采集与检测、现场监测与控制、远程监控指挥等组成，具有自动和就地两种操作方式。由工业计算机根据水位的情况来自动启、停水泵，自动实现水泵的轮换工作，做出合理调度。该系统具有过载、欠压、泄漏和超温等保护功能，当出现以上状况或者电动机出现故障的时候能够自动停止该水泵的运行，同时启动备用水泵。现场控制中心将采集到的数据和调度策略传至地面指挥中心，并且可以同步显示出水泵的运行状况。系统保留了设备原先的手动控制方式，以便在必要的时候可以在手动控制下实现水泵的正常运行。系统软件和客户端软件的操作界面全部为中文可视化界面，用户可以根据清晰的中文功能显示实现全部监控操作。
　　水泵房自动化监控涉及到电动机、水泵、射流泵、电动闸阀、电磁阀、仪表显示和水位检测等具体设备，按照水位实时检测、抽真空和自动注水、电动机启动与闸阀操纵、参数通信与屏幕显示、故障预防检测五个环节顺序操作。将PLC技术应用到矿山井下的水泵房中，可以按照“避峰填谷”的原则，合理地调度各台水泵的轮流工作与“适时启动”，既避免了人工判断水位的不准确、杜绝了水泵人为的频繁启动，也实现了在用电低峰期启动水泵的功能，提高了水泵房的可靠性、用电效率、经济效益和现代化管理水平。
　　4、智能监控终端在通风机监控系统的应用
　　矿井通风机是对矿山井下送风的重要设备，通风机的工作状态关系到对矿井送风的质量。兖州矿业（集团）公司机械制修厂研制出一种由ST-JK06系列智能监控终端组成的矿井通风机监控系统，可以对通风机的工作状态进行监视，并且根据气压、危险气体含量、温度与湿度等现场环境实际情况有效地控制通风机的送风量，既能够满足现场对空气的要求，又可以避免过量送风，降低了能源的消耗，同时也为安全生产提供了可靠的保证。
　　ST-JK06系列智能监控终端不但能够对工作现场的危险气体以及风速、风压、温度与湿度等物理参数进行数据采集，而且能够对动力（通风机）的供电电压、电流、频率和功率等电参数进行数据采集，并且由该终端向监控中心发送信息，进而实现在监控中心对现场进行监视的目的；由监控中心向智能监控终端发送控制指令，就可以对通风机进行有效控制。该终端以采样原理作为理论依据，采用高性能嵌入式系统ARM，综合运用DSP技术、现场总线技术、自动控制技术、高速数据采集技术和贴片安装工艺等一系列先进的技术与工艺，实现了各种交、直流电量参数的实时采集、线性交换、计算和分析；同时，该终端具有模拟量输入/输出、开关量输入/输出、键盘输入/液晶显示等功能。
　　鉴于电动机的运行状况进行实时监控已经成为多数用户对设备的技术要求，ST-JK06系列智能监控终端可以完成对电动机工作电流、电压、功率和电度等参量的检测，能够及时地发现电动机运行的故障，防止电动机烧毁。此外，该系统不仅可以对单台通风机进行监控，还可以利用ST-JK06系列智能监控终端构成大的监控网络，通过有线通信和GPRS/CDMA无线通信的方式对多台通风机实现监控。
　　5、煤矿风井通风机监控系统研制成功
　　兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿东风井通风机房安装G4-73-11№25D矿井主通风机2台，担负着矿井东翼的井下通风，原先的设备控制都是上个世纪70年代随机带来的简易控制柜，早就已经不能够适应安全和高效生产的需要。为此，他们和山东省煤炭科学研究所共同研制成功东风井通风机监控系统，满足了对通风机各种主要参数的监测与控制要求。现场的运行实践表明：其性能优良、稳定可靠。
　　该矿东风井通风机房的监控系统由1台研华IPC共控机作为监控机，安装在主控制室；下设3台检测下位机，均安装在通风机房，负责现场数据的采集与处理工作。下位机的控制核心采用ATMEL公司的89系列单片机，扩展有不掉电RAM、看门狗电路、开关量输出、开关量输入、模拟量输入、串行通信和电量采集等多个单元，主机在线监测电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、前轴承温度、后轴承温度、风道静压、风道全压、风道动压、设备转速和通风机通风量等相关参数。通过对上述参数的监测，动态监测矿井的通风系统运行状况，同时在线监测运行通风机的运行效率，并且可以随时对备用通风机进行全量程的技术测定。其风压与风量的测量，采用本质安全隔爆型传感器，配接输入式安全栅，既满足了《煤矿安全规程》中关于煤矿出风井对电器的要求，又保证了微机系统的安全。
　　此外，在配套的工业电视视频方面采用工控机，利用视频采集卡和MPEG4数码硬盘录像系统，实时监视通风机房现场设备的状况，可以对现场进行动态录象、定时录像和报警联动录像功能，能够实现网络传输和远程控制，具有摄像机镜头和云台的全方位控制功能，以便及时发现并且处理现场设备的不正常工作状况，尽快地消除故障隐患。