煤矿现代化监测监控技术的研究与应用

    自2000年以来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各地的大、中、小煤矿陆续装备了矿井监测监控系统。这些系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，同时也对该项技术的正确选择、使用、维护和企业的安全生产信息化管理提出了更高的要求。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。

　徐州工程学院和兖州矿业（集团）公司南屯煤矿研究出一种基于单片机的矿用摄象机工作台控制器，主要应用于监控输矿胶带，并且可以实现在集控室控制摄象机的上下、左右移动，以改变监控的范围。

    在现场的监控工作中，要求操作人员在集控室内可以通过电脑上的界面按钮调节摄象机的工作台移动，而集控室一般距离监控现场均比较远，因此必须考虑控制信号的传输问题，而且由于监控的地点比较多（少则十多个多则几十个），所以集控室对这些工作台的控制就需要一个连接总线和相应的通信协议支撑。此机使用的是RS232转RS485总线的接口再进入通信网络。因为工作台的负载仅仅是1台摄象机和相应的防护罩，所以使用小功率的电动机驱动即可以满足要求。鉴于对工作台的控制精度要求不高，主要是可靠性要好，在传动方面可以使用塑料齿轮，以降低设备的造价。控制器实现的核心任务就是接收、判断集控室发来的控制命令，然后根据命令做出相应的控制动作。

   在本机的设计中只有6个有效命令，即上仰、下俯、左转、右转、变倍和调焦，所以相应的单片机程序编写比较简单。困难在于确保RS485通信的准确无误。因为RS485通信方式的发送和接收都是共用同一个物理通道，所以是一种半双工的通信方式，也就是说在任何时刻只允许1台处理器保持在发送状态，否则就会产生混乱。由于单片机的串口是全双工的，所以在控制器上电复位的期间，规定控制器全部处于接收状态，同时还要求严格地控制发送和接收的时序，控制器只有在检测到主机发送命令完毕的时候才能够做出应答。试验表明，该控制器调节方便、运行比较稳定、在1000m内通信可靠，适合在矿井输矿现场监控使用。

    7 基于iFIX的煤矿综合自动化监控系统

    针对目前我国煤矿的整体自动化水平和科学管理水平相对比较落后以及各个部门之间的信息难以共享的普遍状况，中国矿业大学和兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿研究出了一种基于iFIX的煤矿综合自动化监控系统，成功地实现了与下层PLC设备的通讯，极具广泛推广的价值。

    济宁三号煤矿综合自动化监控系统的设计主要分为2层：信息层和控制层。信息层采用了C/S结构，工作站作为iFIX Client，提供了操作员发送控制命令的接口，服务器作为iFIX Server，主要通过实时数据库与生产现场进行实时数据交换，是操作员发送命令的转接口，并利用SQL Server数据库对生产中的重要数据进行存档等。控制层采用了Control-Net环网，通过位于环网上的Control Logix分站完成对实际设备的控制并且返回控制状态和信息等。此外，生产实时信息还可以通过WEB服务器进行浏览。同时为了提高系统控制的可靠性，采用了2台服务器来实现双机互备。当一台服务器出现故障的时候，另一台服务器能够立即接替它所有的工作。

     iFIX不能够直接与井下Control Logix进行通讯，而必须要通过相应的I/O驱动器，济宁三号煤矿利用了Intellution Gateway for Server驱动程序，简写为IGS驱动。这是专门针对AB公司的PLC硬件而开发的驱动，读取速度非常快。在IGS配置中，先要为数据建立一条通道，选取设备型号；然后建立设备名，输入正确的Device ID；最后建立标签，标签代表的地址就是过程硬件的地址。当监控数据过多的时候，可以采用建立多条通道的方法来避免数据刷新速度缓慢甚至不能刷新的严重后果。

    8 杨村煤矿远程生产视频监控系统

    兖州矿业（集团）公司杨村煤矿坚持“安全第一、预防为主”的方针，力求安全生产工作从被动防范向源头管理转变。该矿建立了加大视频监控系统及安全监测监控系统，利用安全监测监控设备与摄像机等实现了远程环境监控，地面调度指挥中心可直接对井下情况实时监控。两套系统的结合使用，不仅能直观监视和记录井下现场的安全生产情况，通过KJ95安全监视系统在井下安装瓦斯传感器、温度传感器等设备反馈的信息，还可及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有效的资料，为今后安全生产提供宝贵的经验。

    （1）远程生产视频监控系统的主要特点。

   ①网络化。网络视频监控系统实现了在网络系统上的图像传输和共享。

    ②可扩展性。控制部件采用集中式结构与嵌入式等技术可方便灵活地进行扩充，充分保证系统在将来的适应性，尽可能不再重复投资。

    ③可用性和可靠性。采用当今先进的视频压缩方式，低带宽、低延时，全双工，回放查看清晰度高。

    ④互冗余备份。无论是管理服务器还是录像服务器都支持相互冗余备份，系统稳定可靠有充分的技术保障。

    （2）建设完善的远程生产视频监控系统。

    视频采集设备安装在矿井主要运输、行人大巷和主要的采区工作面。

    ①建立各相关部门的应急指挥调度系统。在事故发生后，该系统可第一时间自动以短信通知模式召集领导和相关部门的应急会议，并将监控图像导入会议室，供快速决策启动应急程序，以防止和减少人员伤亡。

    ②建立生产现场视频会议系统。以利于矿领导和行业相关部门对生产现场井下安全生产的教育和培训，提升工作人员的安全意识和工作能力。

    ③建立专业技术管理队伍。利于正确操作监控系统，及时维修各种故障，保证系统正常运行。

    ④建立严格的考核制度。针对以上几个方面内容进行奖罚，以保障监控系统运行质量。

    ⑤建立有效的联防互促组织。单一方面的视频监控只能做到视频图像上传管理，还需与矿上其它单位监测监控系统有机结合，调度指挥系统才能将矿井各方面信息进行掌握。

    9 选煤厂多媒体网络监控系统的研究

    兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿选煤厂先后完成了“选煤厂微机监控管理、控制系统”、“光纤工业电视监视系统”、“煤质分析电脑信息反馈网络系统”、“设备故障诊断系统”等项成果，只是这些系统是相互独立的，不能实现信息资源的交互共享。为此，他们开展了“兴隆庄煤矿选煤厂多媒体网络监控系统实现的可行性研究”，认为该厂建立多媒体网络监控系统已经具备了条件。

    兴隆庄矿选煤厂多媒体网络监控系统是集该厂微机监控管理信息系统、生产信息反馈系统、设备故障诊断系统、生产工艺动态图形监视光纤工业电视图像及音频信息于一体的新型处理模式，可以将图像、数据的管理信息传送至有关的厂领导及车间，为正确迅速地指挥生产和及时准确地调整、分析生产结构提供了方便、快捷的手段。

    兴隆庄矿选煤厂多媒体网络监控系统的设计原则是：充分结合现有的微机监控管理及各种计算机信息的应用现状，兼容和包含现有设备的投资，保护原有硬件和软件资源；充分发挥和应用现有的先进的多媒体网络技术，并考虑今后的业务需求和技术发展，便于系统扩展，保持技术的连续性；采用先进技术的同时，尽量降低系统造价，提高系统的性能价格比。该系统的配置及功能如下：首先建立多媒体信息处理中心，配置多媒体节目编辑、创作和播放制作设备；在厂领导及车间办公室设置多媒体工作站，通过多媒体网络监控系统可以在各个办公室共享厂生产动态模拟图、工业电视图像、CD—ROM播放资源及闭路电视节目；通过光纤与上级单位如矿调度及局调度联网，共享资源；通过与Internet网的有机结合，为实现选煤厂CIMS打下基础。

    10 地面排矸多媒体机车监控系统

    兖州矿业（集团）公司东滩煤矿选用的地面排矸多媒体机车监控系统，不仅保证机车速度而且保障运输安全，较好地解决了机车在运输车场的通过能力问题，创造了显著的效益。

    该系统由室内集控设备和现场信号设备组成。其中，控制机车运行的信号设备均设在现场，有电动转辙机、信号机、传感器和摄像仪，转辙机可以改变机车的行车方向，信号机指示机车的开停，传感器跟踪监测机车位置，摄像仪监视车场列车占道情况；室内设备由操作控制台、继电器柜、电源柜、防雷柜以及大屏幕显示器等组成。系统主机984-385控制软件采用模块化结构，整个程序分为两个程序段。在第一个程序段中，系统清零、传感器短路状态检测程序、进路状态控制程序都是整个软件核心部分。该程序控制进路查询、占用、解锁间的转换、信号机开放和一些提示信号以及转辙机的自动控制信号。第二程序段含送进路和解锁进路程序、电动转辙机控制与报警程序以及数据传送程序。

   该系统有着以下功能特点：采用美国具有国际先进水平的可编程控制器作为系统控制主机，可实现程控方式、集中控制、手动操作三种控制方式；图象监视洗矸仓、选矸仓、道口及翻笼工作情况，显示机车车号、列车位置、进路占用、信号显示、转辙机岔尖位置等信息；信号机灯泡断丝、转辙机岔尖不到位、传感器电气故障实现声光报警；机车闯红灯时，闯红灯地带红光带闪烁；统计洗矸仓、选矸仓、井口及翻笼处矸石车数，根据生产需要打印车辆调度管理的各种数据；留有与矿联网及井下机车监控系统联网接口；首次应用的间隙铁轨道传感器具有防震、防水和防砸等功能，性能稳定可靠。

    11 基于CAN总线的自主移动机器人声纳数据采集系统

    兖州矿业（集团）公司北宿煤矿根据自主移动机器人实时导航的需要，提出了一种基于CAN总线的移动机器人声纳数据采集系统。针对自主移动机器人的工作特点，利用CAN总线技术设计了多声纳传感器的数据采集系统，实现了机器人数据采集的网络化，降低了系统的连线数量，提高系统的可维护性，同时确定了该系统和工控机之间的CAN总线通信协议，并给出了系统硬件框图和软件流程图。实验表明，该系统具有较高的实用价值及较高的可靠性、实时性。

   自主式移动机器人是适应在复杂的非结构化环境中工作的机器人。新研制的声纳导航自主移动机器人采用四轮或者两轮驱动差动转向的方式，每一个驱动轮均采用一台直流伺服电机独立驱动。其硬件系统主要由声纳数据采集系统、工控机主控制系统和驱动电机测控系统等组成。其中，声纳数据采集系统包括Polaroid6500声纳传感器、数据采集板、CAN总线适配卡等；工控机主控制系统包括工控机以及各种外围器件；驱动电机测控系统主要由EPOS运动控制器、编码器、减速器和直流伺服电机等组成。EPOS是模块化结构的数字伺服控制器，具有转矩、速度和位置等多种运动控制方式，基于CA Nopen协议，通过CAN总线与主控计算机通信，能独立控制单独或者多轴直流伺服系统，所有轴都能够通过CAN总线实现实时和同步运动控制。

    环境信息通过声纳数据采集系统以距离的形式传送到工控机，工控机中的数据处理模块识别出环境信息，主控微机通过查询专家系统获得当前的运动规则并对EPOS运动控制器发出相应的命令，最后EPOS运动控制器根据得到的指令对驱动电机进行控制以实现机器人避障导航。该系统在1Mbps波特率下运行稳定、可靠，满足了机器人实际应用的需要。