劉喜斌

(牡丹江市煤礦安全監(jiān)控中心，黑龍江 牡丹江 157021)

煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)

劉喜斌

(牡丹江市煤礦安全監(jiān)控中心，黑龍江 牡丹江 157021)

為了保證煤礦井下操作人員的人身安全、切實(shí)維護(hù)企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益。通過(guò)對(duì)煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的分析研究，進(jìn)一步說(shuō)明了安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要構(gòu)成及相關(guān)技術(shù)問題，并提出有益意見和建議，希望能夠推動(dòng)煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，滿足煤礦企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展需求。

監(jiān)控系統(tǒng)；井下作業(yè)；安全檢測(cè)

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

通過(guò)對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，并列出結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)結(jié)構(gòu)圖對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成有了一定的了解。該系統(tǒng)由井下和地面安全監(jiān)控系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，井下安全監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)礦用分站實(shí)現(xiàn)對(duì)井下信息的接收和處理，該部分主要是利用環(huán)境傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、粉塵以及井下風(fēng)速的感應(yīng)進(jìn)行井下環(huán)境判斷，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和整理，更好的完成井下生產(chǎn)的監(jiān)控和環(huán)境的安全檢測(cè)。地面安全監(jiān)控設(shè)備主要包括：監(jiān)視器、監(jiān)控主機(jī)、傳輸接口、信號(hào)避雷器、打印機(jī)等先進(jìn)設(shè)備功能，將監(jiān)測(cè)控制信息傳遞給相關(guān)部門，幫助工作人員完成煤礦生產(chǎn)環(huán)境綜合分析和判斷。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of coal mine safety monitoring system

2 煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

2.1 井下安全監(jiān)控傳感器監(jiān)測(cè)效果較差

目前，很多煤礦企業(yè)仍未安裝瓦斯監(jiān)測(cè)裝置，僅采用回風(fēng)巷安裝固定瓦斯探頭的方式，這種監(jiān)測(cè)裝置對(duì)瓦斯監(jiān)控存在一定的局限性，關(guān)鍵位置傳感器并不具備自診功能，同時(shí)傳感器調(diào)校周期較長(zhǎng)，這些因素都可能成為傳感器傳輸?shù)墓收蠁栴}。在煤礦井下操作時(shí)，這些問題常會(huì)被管理人員和工作人員所忽視，嚴(yán)重地影響了井下監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真，嚴(yán)重影響正常的煤礦井下作業(yè)。便攜式傳感器的出現(xiàn)極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)固定傳感器布設(shè)困難的問題，但優(yōu)勢(shì)僅為布設(shè)方面，而其測(cè)量數(shù)據(jù)難以及時(shí)有效上傳，無(wú)法實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，地面監(jiān)控人員不便了解井下安全情況，嚴(yán)重地削弱了井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效果。

2.2 總線通信方式缺陷

結(jié)合當(dāng)前我國(guó)煤礦企業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用狀況，了解到大部分安全監(jiān)控系統(tǒng)采取的都是封閉式檢測(cè)系統(tǒng)互補(bǔ)，企業(yè)自行訂立了信息交換標(biāo)準(zhǔn)以及通信協(xié)議，但卻沒有明確的信息使用規(guī)范，其中，煤礦生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用最廣泛的就是串行總線信息傳輸，串行總線包括RS485和RS232兩種，加之FSK調(diào)制解調(diào)方式完成井下信息傳輸，雖然這種方式應(yīng)用較為普遍，但是，其中仍存在許多缺點(diǎn)和不足，如：既定安全監(jiān)控系統(tǒng)采用了主從式傳輸辦法，很難滿足各監(jiān)控站的通信要求，也很難完成地面主站設(shè)備的信息傳輸需要，還會(huì)受地面電纜和主設(shè)備的影響。總之，總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方式存在數(shù)據(jù)傳輸效率低、信息傳輸延時(shí)、命令相應(yīng)慢等問題；這種總線方式一旦發(fā)生通信線路中斷或異常，就會(huì)造成井下數(shù)據(jù)無(wú)法上傳，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和靈活性，造成了極大的井下作業(yè)隱患，不利于煤礦井下作業(yè)安全。

2.3 變頻干擾的影響

由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，且存在嚴(yán)重的電磁環(huán)境干擾，尤其是在變頻器應(yīng)用越來(lái)越普遍的情況下，電磁干擾會(huì)造成井下安全監(jiān)控系統(tǒng)冒大數(shù)、報(bào)虛警，易造成瓦斯預(yù)報(bào)超限，造成誤斷電等問題的發(fā)生，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的有效控制，嚴(yán)重地降低了煤礦井下作業(yè)的工作質(zhì)量和效率。電磁輻射會(huì)干擾周圍變頻系統(tǒng)的傳輸信號(hào)和控制信號(hào)，造成與之相關(guān)的系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)失真，影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。電磁輻射對(duì)變頻器干擾主要體現(xiàn)在兩方面：因晶閘管和整流二極管等一系列非線性整流器件在變頻器的廣泛應(yīng)用，造成變頻器因諧波的產(chǎn)生而對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，從而引起系統(tǒng)信號(hào)波形畸變，嚴(yán)重影響系統(tǒng)信號(hào)的采集和傳輸質(zhì)量，造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)失真；由于變頻器輸出部分采用了IGBT絕緣柵雙極型晶體管等開關(guān)元件，在進(jìn)行能量輸出時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電氣輻射，嚴(yán)重干擾周邊井下監(jiān)控系統(tǒng)電器元件的正常運(yùn)行。

3 煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)

3.1 采用ZigBee便攜傳感器

ZigBee 技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下采集數(shù)據(jù)的直接上傳，有效提升了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和有效性，有利于實(shí)施煤礦井下安全隱患檢測(cè)工作的開展，滿足煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展要求。結(jié)合便攜式傳感器的主要具體應(yīng)用技術(shù)分析可知，便攜式傳感器采用了無(wú)線發(fā)送和定時(shí)輸出兩種供電模式，將這項(xiàng)技術(shù)用到采煤機(jī)上，以采煤機(jī)電源直流電源供電，可以作為煤礦井下主要電源的供應(yīng)，利用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下采掘信息的傳遞。無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)離不開 ZigBee技術(shù)的支持，該技術(shù)還有利于推動(dòng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)信息傳遞，煤礦井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳遞可以經(jīng)過(guò)地面數(shù)據(jù)采集預(yù)處理系統(tǒng)，實(shí)施有效的井下安全監(jiān)測(cè)，安全技術(shù)人員可以通過(guò)局域網(wǎng)瀏覽器更好地完成煤礦井下的安全采集工作。

3.2 采用CAN總線技術(shù)

與傳統(tǒng)的串行通信總線相比較，CAN總線有著極強(qiáng)的差錯(cuò)控制力，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離高速率信號(hào)傳輸，進(jìn)而更好的完成安全監(jiān)控協(xié)議和相關(guān)規(guī)范。該項(xiàng)技術(shù)包括高速光電隔離驅(qū)動(dòng)發(fā)射器、DSP內(nèi)嵌控制器、總線驅(qū)動(dòng)部分，該項(xiàng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、可靠性較強(qiáng)，從而更好的完成煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)需求。煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中的CAN總線具有如下優(yōu)勢(shì)：CAN總線綜合運(yùn)用了多種工作方式，利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息發(fā)送，進(jìn)而提升數(shù)據(jù)的利用率。煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)信息的發(fā)送情況進(jìn)行不同等級(jí)的劃分，當(dāng)總線沖突發(fā)生時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用有利于優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低外部干擾對(duì)系統(tǒng)安全產(chǎn)生的影響，縮短總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的占用時(shí)間。一旦信息傳送發(fā)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)支持信息重新發(fā)送。而井下安全監(jiān)控節(jié)點(diǎn)本身的錯(cuò)誤還有可以使總線自動(dòng)退出操作；CAN的總線傳輸主要通過(guò)雙絞線和同軸電纜兩種介質(zhì)來(lái)完成。

3.3 降低變頻器諧波的影響

變頻器諧波的應(yīng)用有著極為重要的作用，它可以降低煤礦井下作業(yè)的安全危害，變頻器諧波有利于降低外界干擾，阻礙變壓器的不良影響，實(shí)現(xiàn)多相脈沖整流引入，加強(qiáng)變頻器諧波的傳導(dǎo)干擾。將12相與18相脈沖整流電壓畸變率總結(jié)如下，見表1。

表1 多相脈沖整流的電壓畸變率Tab.1 Multi-phase pulse rectification voltage distortion rate

由表1可知，兩種脈沖整流電壓畸變率主要分布在10%～15%和3%～8%兩個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，通過(guò)脈沖整流電壓的干擾和保護(hù)來(lái)維持井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)效果差、易受外界因素干擾、總線傳輸數(shù)據(jù)效率低等問題，需要我們積極深入地開展先進(jìn)技術(shù)在井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，全面提升煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平，切實(shí)解決好安全監(jiān)控中的各項(xiàng)問題，推動(dòng)煤礦企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

[1] 張維標(biāo)，杜銀龍，許平. 瓦斯超限交叉斷電控制技術(shù)在綜放工作面實(shí)踐[J]. 能源技術(shù)與管理，2011，(04)：55-57.

[2] 李玉良. 可視化信集閉安全監(jiān)控系統(tǒng)[C]//第七次煤炭科學(xué)技術(shù)大會(huì)文集(下冊(cè))，2011.

[3] 黃河. “貴州礦井分布式無(wú)線通信定位安全監(jiān)控系統(tǒng)”項(xiàng)目通過(guò)專家評(píng)審[N]. 貴州日?qǐng)?bào)，2010-02-10.

[4] 紀(jì)大德. 謝一礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)[J].中國(guó)礦山工程，2010，(05)：26-28.

Technical improvement of coal mine safety monitoring system

LIU Xi-bin

(Mudanjiang Coal Mine Safety Monitoring Center, Mudanjiang 157021, China)

In order to ensure the personal safety of coal mine operators, and safeguard the economic interests of enterprises. Through the analysis and research of coal mine underground safety monitoring system, the main contents and related technical problems of safety monitoring system are explained, and some suggestions are put forward. It is hoped that the construction of coal mine safety monitoring system can be promoted to meet the production and development needs of coal mine enterprises.

Monitoring system; Downhole operation; Safety inspection

2017-04-15

劉喜斌(1973-)，男，本科，助理工程師。

TD76

A

1674-8646(2017)12-0066-02