【正文】 山西煤炭運銷集團保安煤業(yè)有限公司KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造方案 中國煤炭科工集團常州研究院有限公司 天地（常州）自動化股份有限公司 2017年3月45 / 45目 錄1 背景 4 國家要求 4 煤礦在用系統(tǒng)現(xiàn)狀 82 升級改造技術(shù)方案 12 升級改造原則及依據(jù) 12 安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造原則 12 安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造依據(jù) 13 KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造完成情況 15 KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)簡介 15 KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理 16 KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)功能及性能指標 18 KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)特點 20 KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 21 KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造完成情況 23 KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備升級情況 273 升級改造需求 50 改造范圍 50 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造系統(tǒng)需求 514 升級改造實施方案 51 環(huán)網(wǎng)改造 51 分站改造 52 電源改造 54 傳感器改造 575 費用預(yù)算 58附錄一 關(guān)鍵設(shè)備及指標 611 背景 國家要求針對目前國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，2016年12月29日國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的通知煤安監(jiān)函〔2016〕5號，通知要求：“大型礦井、煤與瓦斯突出礦井的在用安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造工作應(yīng)在2018年底前完成；其他礦井應(yīng)在“十三五”末完成”。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案所要求的升級改造主要內(nèi)容包括：（1） 傳輸數(shù)字化在分站至中心站數(shù)字化傳輸?shù)幕A(chǔ)上，將傳感器（模擬量）至分站升級為數(shù)字傳輸，實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化，促進智能傳感器發(fā)展。（2） 增強抗電磁干擾能力安全監(jiān)控系統(tǒng)及組成設(shè)備采用抗干擾（EMC）技術(shù)設(shè)計，通過以下試驗：地面設(shè)備3級靜電抗擾度試驗，評價等級為A；2級電磁輻射抗擾度試驗，評價等級為A；2級脈沖群抗擾度試驗，評價等級為A；交流電源端口3級、直流電源與信號端口2級浪涌（沖擊）抗擾度試驗，評價等級為B。試驗條件：形成完整的系統(tǒng)架構(gòu)，組成設(shè)備的類型齊全；至少一臺分站達到滿載要求；交換機及接口的每個電口至少帶載一臺設(shè)備。試驗加載方法：系統(tǒng)中不同類型組成設(shè)備均分別進行試驗；試驗在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下進行，即系統(tǒng)傳感、傳輸、顯示、控制、執(zhí)行的功能正常。（3） 推廣應(yīng)用先進傳感技術(shù)及裝備推廣使用架構(gòu)簡單系統(tǒng)以及激光、紅外等低功耗傳感器、自診斷型傳感器，鼓勵使用多參數(shù)傳感器。突出礦井的采煤工作面進、回風(fēng)巷，煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌出的巖巷掘進工作面回風(fēng)流中，采區(qū)回風(fēng)巷，總回風(fēng)巷瓦斯傳感器推薦使用激光、紅外等全量程傳感器。突出、高瓦斯礦井的回風(fēng)隅角建議采用無線傳感器。建議加裝粉塵監(jiān)測設(shè)備。（4） 提升傳感器的防護等級將采掘面?zhèn)鞲衅鞯姆雷o等級由IP54提升到IP65。（5） 完善報警、斷電等控制功能系統(tǒng)實現(xiàn)分級報警，根據(jù)瓦斯?jié)舛却笮?、瓦斯超限持續(xù)時間、瓦斯超限范圍等，設(shè)置不同的報警級別，實施分級響應(yīng)。各級別報警濃度值的設(shè)置可由煤礦企業(yè)根據(jù)相關(guān)法規(guī)標準和實際情況決定。推行邏輯報警，根據(jù)巷道布置及瓦斯涌出等的內(nèi)在邏輯關(guān)系，實施邏輯報警，促進各類傳感器的正確安裝、設(shè)置、維護，監(jiān)控系統(tǒng)的正常使用，防止違法行為。具體邏輯關(guān)系可由煤礦企業(yè)根據(jù)實際情況進行設(shè)置。完善就地斷電功能，提高斷電的可靠性，并加強饋電狀態(tài)監(jiān)測。推行區(qū)域斷電，可由煤礦企業(yè)根據(jù)井下供電系統(tǒng)的實際情況進行設(shè)置。（6） 支持多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合實現(xiàn)井下有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的有機融合、監(jiān)測監(jiān)控與GIS技術(shù)的有機融合。多系統(tǒng)的融合可以采用地面方式，也可以采用井下方式。鼓勵新安裝的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用井下融合方式。在地面統(tǒng)一平臺上必須融合的系統(tǒng)：環(huán)境監(jiān)測、人員定位、應(yīng)急廣播，如有供電監(jiān)控系統(tǒng)，也應(yīng)融入。其它可考慮融合的系統(tǒng)：視頻監(jiān)測、無線通信、設(shè)備監(jiān)測、車輛監(jiān)測等。（7） 格式規(guī)范化 系統(tǒng)主干網(wǎng)應(yīng)采用工業(yè)以太網(wǎng)。分站至主干網(wǎng)之間宜采用工業(yè)以太網(wǎng)，也可采用RS48CAN、LonWorks、Profibus?！笆濉蹦?yīng)采用工業(yè)以太網(wǎng)。模擬量傳感器至分站的有線傳輸采用工業(yè)以太網(wǎng)、RS48CAN；無線傳輸采用WaveMesh、Zigbee、WiFi、RFID。系統(tǒng)改造后支持聯(lián)網(wǎng)并按要求數(shù)據(jù)格式上傳。（8） 增加自診斷、自評估功能實現(xiàn)系統(tǒng)定期的自診斷、自評估，能夠預(yù)先發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在安裝使用中存在的問題。自診斷的內(nèi)容至少應(yīng)包括：1) 傳感器、控制器的設(shè)置及定義；2) 模擬量傳感器維護、定期未標校提醒；3) 模擬量傳感器、控制器、電源箱等設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)；4) 中心站軟件自診斷，包括雙機熱備、數(shù)據(jù)庫存儲、軟件模塊通信。（9） 加強數(shù)據(jù)應(yīng)用分析安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用功能，至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：1) 偽數(shù)據(jù)標注及異常數(shù)據(jù)分析；2) 瓦斯涌出、火災(zāi)等的預(yù)測預(yù)警；3) 大數(shù)據(jù)分析，如多系統(tǒng)融合條件下的綜合數(shù)據(jù)分析等；4) 可與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)檢查分析工具對接數(shù)據(jù)。（10） 應(yīng)急聯(lián)動在瓦斯超限、斷電等需立即撤人的緊急情況下，可自動與應(yīng)急廣播、通信、人員定位等系統(tǒng)的應(yīng)急聯(lián)動。（11） 提升系統(tǒng)性能指標1) 系統(tǒng)巡檢周期不超過20s；2) 異地斷電時間不超過40s；3) 備用電源能維持斷電后正常供電時間由2h提升到4h，更換電池要求由僅能維持1h時必須更換，提高到僅能維持2h時必須更換；4) 具有雙機熱備自動切換功能；5) %；6) 分站的最大遠程本安供電距離（在設(shè)計工況條件下）實行分級管理，分別為2km、3km、6km。（12） 增加加密存儲要求為有利于安全監(jiān)管監(jiān)察和企業(yè)安全管理，對采掘工作面等重點區(qū)域的瓦斯超限、報警、斷電信息應(yīng)進行加密存儲，采用如MDRSA加密算法對數(shù)據(jù)進行加密，確保數(shù)據(jù)無法被破解篡改。（13） 方便用戶使用、維護、培訓(xùn)軟件界面友好，方便調(diào)用，強化幫助功能。根據(jù)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的要求，我單位新一代KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的各類設(shè)備及監(jiān)控軟件均由天地（常州）自動化股份有限公司研制、生產(chǎn)。系統(tǒng)具有容量大、速度快、更穩(wěn)定、更可靠、更安全、融合深、改造成本低、安裝維護使用方便等鮮明特點，在關(guān)鍵技術(shù)及功能、性能指標上處于行業(yè)領(lǐng)先地位。完全滿足了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》中所提出的傳輸數(shù)字化、抗電磁干擾、邏輯報警、分級報警、區(qū)域斷電、自診斷、自評估功能等要求，部分性能及功能指標高于國家升級改造要求和同行業(yè)水平。 煤礦在用系統(tǒng)現(xiàn)狀山西煤炭運銷集團保安煤業(yè)有限公司位于郊區(qū)舊街鄉(xiāng)境內(nèi)，石太鐵路和太舊高速公路從井田南部區(qū)外通過，距太舊高速公路3公里,距陽泉市區(qū)25公里,交通條件較為便利。保安煤業(yè)有限公司是山西煤炭運銷集團陽泉郊區(qū)公司投資興建的現(xiàn)代化礦井。位于郊區(qū)舊街鄉(xiāng)境內(nèi)，是陽泉市百項重點工程之一。批準井田面積14平方公里。主采15煤層。批準生產(chǎn)能力為90萬噸/年，礦井服務(wù)年限為84年。工業(yè)廠區(qū)占地面積為13公頃。煤種為優(yōu)質(zhì)無煙煤，可廣泛用于電力、冶金、化工等行業(yè)。礦井從2005年5月正式開工建設(shè)，一期工程設(shè)計生產(chǎn)能力90萬噸/年，年銷售收入7億元。到2012年二期工程達到生產(chǎn)能力150萬噸，到2015年三期工程將實現(xiàn)生產(chǎn)能力210萬噸。 經(jīng)過各大系統(tǒng)建設(shè)，保安煤礦已建設(shè)完成煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，具體情況如下：（1）環(huán)網(wǎng)情況：保安煤礦于2011年建成監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)專用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，目前已經(jīng)運行6年。網(wǎng)絡(luò)以單模光纖為主要傳輸介質(zhì),建成井下一個相對獨立的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。環(huán)網(wǎng)采用東土交換機做為內(nèi)核，其中，井下?lián)Q機共計4臺，型號為：KJJ135，分別布置在井下中央變電所、上倉皮帶機頭、15煤軌道巷第一配電室、采區(qū)變電所。地面1臺,分布在調(diào)度機房。（2）安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)保安煤礦于2006年安裝并使用天地（常州）自動化股份有限公司的KJ95N安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備主要布置于總回風(fēng)、順槽、地面、變電所、設(shè)備列車、高抽巷、采區(qū)變電所、皮帶巷、鍋爐房、瓦斯抽放泵站及避難硐室等區(qū)域。目前運行情況基本穩(wěn)定，該系統(tǒng)的設(shè)備安裝情況如下：1） 監(jiān)測監(jiān)控主備機及服務(wù)器： 3臺研華610L CPU E5200，配置為硬盤總?cè)萘浚?00G，操作系統(tǒng)：windows XP，內(nèi)存總?cè)萘浚?G，顯存：集成顯卡，處理器：其他.2） 分站及電源：共32套，具體安裝位置為：上倉皮帶機頭、15106回風(fēng)順槽、15煤皮帶巷、地面風(fēng)機房分站、中央變電所、15105進風(fēng)順槽、15106進風(fēng)順槽、15105高抽巷、15108進風(fēng)順槽、15煤皮帶機頭、15煤采區(qū)變電所、15107高抽巷、15110進風(fēng)順槽、15106進風(fēng)順槽、15煤軌道巷、燃氣鍋爐房、井底永久避難硐室、15103高抽巷、瓦斯抽放泵站、二采區(qū)變電所、5煤倉上口、15107進風(fēng)順槽、15煤軌道巷第二變電所、15109進風(fēng)順槽等。3） 傳感器：高低濃度甲烷傳感器63臺，低瓦斯傳感器6臺，礦用一氧化碳傳感器27臺，溫度傳感器12臺，礦用風(fēng)速傳感器11臺，雙向風(fēng)速傳感器4臺，礦用風(fēng)筒風(fēng)量開關(guān)傳感器8臺，礦用風(fēng)門開閉狀態(tài)傳感器17臺，礦用氧氣傳感器3臺，礦用紅外二氧化碳傳感器6臺，礦用負壓傳感器2臺，硫化氫傳感器1臺，煙霧傳感器13臺，遠程控制開關(guān)33臺，機電設(shè)備開停傳感器46臺，聲光報警器14臺等。目前保安煤礦使用KJ95N煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)累計運行10年，系統(tǒng)總體使用穩(wěn)定，能夠滿足煤礦的安全需要，但與《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造方案》要求相比尚存在如下不足：傳感器能夠適用于采掘工作面應(yīng)用場所，防護等級已達IP65要求，但取證時未按IP65等級要求進行檢驗；（1） 系統(tǒng)具有預(yù)警、報警功能，但未達到升級改造方案所要求的多級要求；（2） 系統(tǒng)可接入瓦斯抽放、礦井壓力監(jiān)測、采空區(qū)監(jiān)測等系統(tǒng)，但多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合程度低，未實現(xiàn)井下多系統(tǒng)設(shè)備共纜通信，即井下設(shè)備級數(shù)據(jù)融合；（3） 部分性能指標不滿足升級改造要求：1) 異地斷電時間為2倍巡檢周期，在煤與瓦斯突出等極端情況下不能快速斷電，無法滿足煤礦安全生產(chǎn)要求；2) 備用電源能維持斷電后正常供電時間2h，不滿足4h的指標要求；3) 模擬量傳輸處理誤差不超過1%，%的指標要求。（4） 無加密存儲功能。（5） 系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性有待提高a) 傳感器性能不穩(wěn)定井下環(huán)境惡劣，濕度及粉塵大，甚至伴有腐蝕性氣體，導(dǎo)致傳感器電路、感應(yīng)元件、接插件等容易氧化，接觸不良，造成工作不可靠。傳感器在進水、受到振動和猛烈撞擊時，輸出數(shù)據(jù)會發(fā)生失真。井下狹小空間，存在復(fù)雜的強電場、磁場干擾源，導(dǎo)致部分傳感器出現(xiàn)誤報甚至不能工作。目前采用的傳感技術(shù)落后，甲烷、一氧化碳等環(huán)境參數(shù)傳感器仍采用催化、電化學(xué)技術(shù)，導(dǎo)致壽命短、工作穩(wěn)定性差，且存在零點漂移。部分傳感器元件一致性差，檢測易受干擾氣體影響，測量精度低。b) 傳感器供電不穩(wěn)定AQ 62012006規(guī)定甲烷傳感器到分站的傳輸距離不得小于2 km。隨著工作面推進距離的增大，現(xiàn)場需要甲烷傳感器到分站的本質(zhì)安全供電距離已經(jīng)超過6 km，距離遠、線路上的壓降及干擾增大，造成傳感器無法正常啟動，且存在頻繁復(fù)位等現(xiàn)象。c) 傳輸線路易受干擾傳感器與分站之間采用200~1000 Hz模擬信號單向無校驗傳輸方式，抗干擾能力弱，易受傳輸線路干擾，且無法分辨。目前大多數(shù)安全監(jiān)控系統(tǒng)的礦用傳感器和分站的抗干擾設(shè)計考慮不充分，未從接口防護、布線方式等方面進行抗干擾設(shè)計和嚴格試驗，且在技術(shù)方面，抗干擾設(shè)計與本質(zhì)安全設(shè)計相互矛盾，這是目前傳輸線路易受干擾的內(nèi)因。安全監(jiān)控系統(tǒng)具有測點多、分布廣、傳輸距離長等特點，傳感器到分站的距離從幾十米到數(shù)千米不等，極易受到外部信號的干擾，主要包括：在井下狹小的空間內(nèi)，本質(zhì)安全型傳感器弱電信號線與動力電纜多為平行鋪設(shè)，形成一個耦合回路；大型電氣設(shè)備啟動和停止時會產(chǎn)生浪涌干擾；井下變頻設(shè)備、大功率設(shè)備工作時會釋放強烈的電磁干擾，這些外部干擾會對信號傳輸造成較大影響，導(dǎo)致系統(tǒng)極易產(chǎn)生誤報警，嚴重時通信中斷，設(shè)備無法工作。d) 系統(tǒng)建設(shè)成本高傳感器與分站之間采用200~1000 Hz模擬信號，由于信號不能復(fù)用，所以每個傳感器必須通過一條獨立的電纜與分站進行信號傳輸，由于傳感器的數(shù)量多，因此系統(tǒng)建設(shè)所需要的電纜數(shù)量大，增加了系統(tǒng)的建設(shè)成本。e) 設(shè)備外殼防護等級低目前大部分傳感器外殼防護等級仍為IP54，無法滿足采掘工作面等惡劣環(huán)境使用要求。（6） 系統(tǒng)硬件設(shè)備功能需要增加、指標需要提高。a) 系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的抗干擾能力不足，需通過以下試驗：地面設(shè)備3級靜電抗擾度試驗，評價等級為A；2級電磁輻射抗擾度試驗，評價等級為A；2級脈沖群抗擾度試驗，評價等級為A；交流電源端口3級、直流電源與信號端口2級浪涌（沖擊）抗擾度試驗，評價等級為B。b) 電源產(chǎn)品的備用電源能維持斷電后正常供電時間需要增加到4h。（7） 系統(tǒng)軟件功能不完善a) 不能進行自診斷、自評估，不能進行偽數(shù)據(jù)標注及異常數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)不具備自診斷、自評估功能，無法自動檢測并提示系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的問題。如：設(shè)備通信故障、設(shè)備內(nèi)部故障、傳感器探頭故障、電源帶載能力不足、數(shù)據(jù)庫連接異常、軟件通信異常等故障信息。而且也不能及時提醒用戶對傳感器進行標校、維護。b) 數(shù)據(jù)安全性較低數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)為明文存儲，無法有效防止違規(guī)刪除、篡改監(jiān)控系統(tǒng)報警、斷電等重要數(shù)據(jù)。c) 圖形展示功能較為簡單不可導(dǎo)入CAD監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備布置圖，進行等比例井下巷道圖形顯示。不具備煤與瓦斯突出報警系統(tǒng)不能進行實時煤與瓦斯突出危險性的診斷與預(yù)測，不能對掘進工作面應(yīng)力變化、煤層瓦斯含量變化、煤的物理力學(xué)性質(zhì)變化實時顯示并預(yù)測預(yù)警，不能對瓦斯涌出量進行預(yù)測。（8） 無井