摘  要：針對礦井監測監控方面存在的問題與有關單位共同開展了科技攻關，同時積極應用當前已有的礦井監測監控適用新技術，有效地保障了礦井的安全。
     關鍵詞：煤礦；生產；監測；監控

Yanzhou Coal Mining Area of the Modern Monitoring and Controlling Techniques
  Bao Xiu-chun  Li Jian-feng

（1. Zoucheng senior vocational technical schools，Shandong 273500，China；
  2. Yankuang Group Design and Research Institute，Shandong 273500，China）
     Abstract：Mine Monitoring and Controlling for the problems was jointly conducted with the relevant scientific and technological breakthroughs, while the positive application of the current application of the existing mine monitoring and control of new technologies, effective protection of the mine's security.
     Key words：Coal mine; production; monitoring; Monitor

      自2000年以來，隨著國家對煤礦企業安全生產要求的不斷提高和企業自身發展的需要，我國各地的大、中、小煤礦陸續裝備了礦井監測監控系統。這些系統的裝備大大提高了礦井安全生產水平和安全生產管理效率，同時也對該項技術的正確選擇、使用、維護和企業的安全生產信息化管理提出了更高的要求。目前，煤礦安全監控系統具有模擬量、開關量、累計量采集、傳輸、存儲、處理、顯示、打印、聲光報警、控制等多項功能，用來監測井下的甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、風速、負壓、溫度、煙霧、饋電狀態、風門狀態、風窗狀態、風筒狀態、局部通風機開停、主要通風機開停、工作電壓、工作電流等，并且實現了甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風電閉鎖控制等。近幾年來，兗州礦業（集團）有限責任公司及其下屬各個煤礦針對以前在礦井監測監控方面存在的一些問題進行了認真分析和歸納，并且與有關單位共同開展了科技攻關，取得了一批卓有成效的研究成果，同時他們還積極應用當前已有的礦井監測監控適用新技術，提出解決方案并且在礦井上、下進行了實施，有效地保障了礦井的安全，取得了良好的效果。
      1  大型設備集中監控系統在煤礦的應用
      兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦東風井實現了大型設備的集中監控，設備采集參數量足、用戶程序設計有利于擴展，為將來機房的無人值守創造了寶貴的經驗。
      該礦東風井發大型設備集中監控設有主監控系統、6kV級變電微機保護系統和工業電視視頻系統。主監控系統下連扇風機監控子系統、水泵監控子系統和空氣壓縮機監控子系統。其監控上位機采用研華IPC610系列工控機，依靠與各個子系統的通信，集中監控所有設備的運行，監測空氣壓縮機子系統、扇風機子系統和水泵子系統的運行參數、工作狀態和故障報警信息等，能夠實時直觀的模擬顯示空氣壓縮機、水泵和扇風機等大型設備的系統模擬圖。
      該控制系統的明顯特點是各個子系統均能夠保持控制上的相對獨立性，既可以集中聯網實行遠程控制又能夠獨立就地控制運行，各個子系統互相之間不干擾。使用工業IPC做“高層面監控”，而又用高質量的西門子S7系列PLC做“物理層面”的采樣與控制，兩者的控制與數據處理配合使用可以實現優勢互補，用來完成大型機電設備的監控可以說是各顯其能、相得益彰。后臺的工業控制計算機、前置的PLC控制器以及扇風機的數據采集卡，其CPU都設有看門狗定時器功能，可以實現主機因為軟件故障而死機時系統在無人干預下的自動復位。
      主監控系統的操作系統軟件為Windows2000NT系統，工控軟件為國內應用最為廣泛的“組態王”6.02版，特別便于軟件的開發。視頻系統的數碼錄像部分采用獨特的模塊化設計，使用先進的多媒體軟硬件技術，解決了原先監控系統因為反復使用錄像帶而容易產生的畫面不清晰、管理復雜以及費用高昂等問題，可以實現手工錄像、定時錄像、視頻移動錄像和布防報警聯動錄像，具有錄滿自動刪除功能、攝像鏡頭和云臺控制的功能、軟件防死機和斷電以后來電自動恢復啟動的功能。其先進的網絡性能，可以在數據專線、電話線和寬帶網上傳輸圖像。

      2  KJ56型煤礦調度監控系統
      為了滿足中小型煤礦的現場實際需要，山東科技大學和兗州礦業（集團）公司唐村煤礦開發出了一套成本低廉、可靠性高、結構簡單、便于維護的KJ56型煤礦調度監控系統，具有比較好的推廣應用前景。
      整個系統是由7個分站和40只傳感器組成的，測點參數包括風速、瓦斯、電流電壓、設備開停、風門開閉、蒸汽壓、風壓、絞車開停以及其運行位置等。該系統的控制中心為地面計算機，即系統主機，通過通信接口與各個分站進行數據通信。分站均通過2芯通信線掛接在一起，相互之間不進行聯絡。系統的主機首先根據分站與傳感器的連接端口對分站的測點進行定義，定義內容包括分站的測點數、測點的端子號、順序號、模擬量還是開關量等。定義完成之后便選擇“初始化”菜單對每一個分站接著初始化。初始化成功以后，分站就把主機發來的定義參數存入到掉電不丟失數據存儲器中。當分站因為故障斷電再送電的時候，單片機能夠自動取出原有的系統定義參數進行循環監測而不需要系統主機再對其進行初始化。
      KJJ12型通信接口是由主機相連接的一個通信信號轉換器，它與主機的通信采用普通的RS232標準接口，與分站的通信采用本安型、二線制基帶信號；有光耦隔離電路，具有主、從機自動切換的功能和通信指示的功能，通信誤碼率比較低。在監測監控系統中，分站內的單片機是不允許出現死機故障的，所以他們設計一套可靠的單片機自動復位電路。其中，振蕩器正常工作的時候會間隔一定時間（可以進行調整）輸出一個正脈沖給復位電路，讓單片機復位。單片機在正常工作的時候卻不斷地輸出一個清零脈沖給振蕩器，使得振蕩器輸出的全部均為低電平，只有在單片機死機的時候振蕩器才能夠正常工作。

      3  水泵自動化監控系統的應用
      在礦山井下的水泵房內，水泵的電動機需要根據水位的變化頻繁地啟動，其操作步驟比較繁瑣、環境條件惡劣、噪聲偏大、氣溫比較高、人員容易疲勞，特別是在井下發生水災的情況下留人值守泵房也是很危險的。兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦研究的水泵自動化監控系統減輕了工人的負擔，實現了無人值守，也為全礦聯網監控和數字化建設奠定了基礎，在實際的應用中也有著廣泛的前景。
      整個系統由數據采集與檢測、現場監測與控制、遠程監控指揮等組成，具有自動和就地兩種操作方式。由工業計算機根據水位的情況來自動啟、停水泵，自動實現水泵的輪換工作，做出合理調度。該系統具有過載、欠壓、泄漏和超溫等保護功能，當出現以上狀況或者電動機出現故障的時候能夠自動停止該水泵的運行，同時啟動備用水泵。現場控制中心將采集到的數據和調度策略傳至地面指揮中心，并且可以同步顯示出水泵的運行狀況。系統保留了設備原先的手動控制方式，以便在必要的時候可以在手動控制下實現水泵的正常運行。系統軟件和客戶端軟件的操作界面全部為中文可視化界面，用戶可以根據清晰的中文功能顯示實現全部監控操作。
      水泵房自動化監控涉及到電動機、水泵、射流泵、電動閘閥、電磁閥、儀表顯示和水位檢測等具體設備，按照水位實時檢測、抽真空和自動注水、電動機啟動與閘閥操縱、參數通信與屏幕顯示、故障預防檢測五個環節順序操作。將PLC技術應用到礦山井下的水泵房中，可以按照“避峰填谷”的原則，合理地調度各臺水泵的輪流工作與“適時啟動”，既避免了人工判斷水位的不準確、杜絕了水泵人為的頻繁啟動，也實現了在用電低峰期啟動水泵的功能，提高了水泵房的可靠性、用電效率、經濟效益和現代化管理水平。

      4  智能監控終端在通風機監控系統的應用
      礦井通風機是對礦山井下送風的重要設備，通風機的工作狀態關系到對礦井送風的質量。兗州礦業（集團）公司機械制修廠研制出一種由ST-JK06系列智能監控終端組成的礦井通風機監控系統，可以對通風機的工作狀態進行監視，并且根據氣壓、危險氣體含量、溫度與濕度等現場環境實際情況有效地控制通風機的送風量，既能夠滿足現場對空氣的要求，又可以避免過量送風，降低了能源的消耗，同時也為安全生產提供了可靠的保證。
      ST-JK06系列智能監控終端不但能夠對工作現場的危險氣體以及風速、風壓、溫度與濕度等物理參數進行數據采集，而且能夠對動力（通風機）的供電電壓、電流、頻率和功率等電參數進行數據采集，并且由該終端向監控中心發送信息，進而實現在監控中心對現場進行監視的目的；由監控中心向智能監控終端發送控制指令，就可以對通風機進行有效控制。該終端以采樣原理作為理論依據，采用高性能嵌入式系統ARM，綜合運用DSP技術、現場總線技術、自動控制技術、高速數據采集技術和貼片安裝工藝等一系列先進的技術與工藝，實現了各種交、直流電量參數的實時采集、線性交換、計算和分析；同時，該終端具有模擬量輸入/輸出、開關量輸入/輸出、鍵盤輸入/液晶顯示等功能。
      鑒于電動機的運行狀況進行實時監控已經成為多數用戶對設備的技術要求，ST-JK06系列智能監控終端可以完成對電動機工作電流、電壓、功率和電度等參量的檢測，能夠及時地發現電動機運行的故障，防止電動機燒毀。此外，該系統不僅可以對單臺通風機進行監控，還可以利用ST-JK06系列智能監控終端構成大的監控網絡，通過有線通信和GPRS/CDMA無線通信的方式對多臺通風機實現監控。

      5  煤礦風井通風機監控系統研制成功
      兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦東風井通風機房安裝G4-73-11№25D礦井主通風機2臺，擔負著礦井東翼的井下通風，原先的設備控制都是上個世紀70年代隨機帶來的簡易控制柜，早就已經不能夠適應安全和高效生產的需要。為此，他們和山東省煤炭科學研究所共同研制成功東風井通風機監控系統，滿足了對通風機各種主要參數的監測與控制要求。現場的運行實踐表明：其性能優良、穩定可靠。
      該礦東風井通風機房的監控系統由1臺研華IPC共控機作為監控機，安裝在主控制室；下設3臺檢測下位機，均安裝在通風機房，負責現場數據的采集與處理工作。下位機的控制核心采用ATMEL公司的89系列單片機，擴展有不掉電RAM、看門狗電路、開關量輸出、開關量輸入、模擬量輸入、串行通信和電量采集等多個單元，主機在線監測電壓、電流、功率因數、有功功率、無功功率、前軸承溫度、后軸承溫度、風道靜壓、風道全壓、風道動壓、設備轉速和通風機通風量等相關參數。通過對上述參數的監測，動態監測礦井的通風系統運行狀況，同時在線監測運行通風機的運行效率，并且可以隨時對備用通風機進行全量程的技術測定。其風壓與風量的測量，采用本質安全隔爆型傳感器，配接輸入式安全柵，既滿足了《煤礦安全規程》中關于煤礦出風井對電器的要求，又保證了微機系統的安全。
      此外，在配套的工業電視視頻方面采用工控機，利用視頻采集卡和MPEG4數碼硬盤錄像系統，實時監視通風機房現場設備的狀況，可以對現場進行動態錄象、定時錄像和報警聯動錄像功能，能夠實現網絡傳輸和遠程控制，具有攝像機鏡頭和云臺的全方位控制功能，以便及時發現并且處理現場設備的不正常工作狀況，盡快地消除故障隱患。
      6  礦用攝象機工作臺控制器
      徐州工程學院和兗州礦業（集團）公司南屯煤礦研究出一種基于單片機的礦用攝象機工作臺控制器，主要應用于監控輸礦膠帶，并且可以實現在集控室控制攝象機的上下、左右移動，以改變監控的范圍。
      在現場的監控工作中，要求操作人員在集控室內可以通過電腦上的界面按鈕調節攝象機的工作臺移動，而集控室一般距離監控現場均比較遠，因此必須考慮控制信號的傳輸問題，而且由于監控的地點比較多（少則十多個多則幾十個），所以集控室對這些工作臺的控制就需要一個連接總線和相應的通信協議支撐。此機使用的是RS232轉RS485總線的接口再進入通信網絡。因為工作臺的負載僅僅是1臺攝象機和相應的防護罩，所以使用小功率的電動機驅動即可以滿足要求。鑒于對工作臺的控制精度要求不高，主要是可靠性要好，在傳動方面可以使用塑料齒輪，以降低設備的造價。控制器實現的核心任務就是接收、判斷集控室發來的控制命令，然后根據命令做出相應的控制動作。
      在本機的設計中只有6個有效命令，即上仰、下俯、左轉、右轉、變倍和調焦，所以相應的單片機程序編寫比較簡單。困難在于確保RS485通信的準確無誤。因為RS485通信方式的發送和接收都是共用同一個物理通道，所以是一種半雙工的通信方式，也就是說在任何時刻只允許1臺處理器保持在發送狀態，否則就會產生混亂。由于單片機的串口是全雙工的，所以在控制器上電復位的期間，規定控制器全部處于接收狀態，同時還要求嚴格地控制發送和接收的時序，控制器只有在檢測到主機發送命令完畢的時候才能夠做出應答。試驗表明，該控制器調節方便、運行比較穩定、在1000m內通信可靠，適合在礦井輸礦現場監控使用。
      7  基于iFIX的煤礦綜合自動化監控系統
      針對目前我國煤礦的整體自動化水平和科學管理水平相對比較落后以及各個部門之間的信息難以共享的普遍狀況，中國礦業大學和兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦研究出了一種基于iFIX的煤礦綜合自動化監控系統，成功地實現了與下層PLC設備的通訊，極具廣泛推廣的價值。
      濟寧三號煤礦綜合自動化監控系統的設計主要分為2層：信息層和控制層。信息層采用了C/S結構，工作站作為iFIX Client，提供了操作員發送控制命令的接口，服務器作為iFIX Server，主要通過實時數據庫與生產現場進行實時數據交換，是操作員發送命令的轉接口，并利用SQL Server數據庫對生產中的重要數據進行存檔等。控制層采用了Control-Net環網，通過位于環網上的Control Logix分站完成對實際設備的控制并且返回控制狀態和信息等。此外，生產實時信息還可以通過WEB服務器進行瀏覽。同時為了提高系統控制的可靠性，采用了2臺服務器來實現雙機互備。當一臺服務器出現故障的時候，另一臺服務器能夠立即接替它所有的工作。
      iFIX不能夠直接與井下Control Logix進行通訊，而必須要通過相應的I/O驅動器，濟寧三號煤礦利用了Intellution Gateway for Server驅動程序，簡寫為IGS驅動。這是專門針對AB公司的PLC硬件而開發的驅動，讀取速度非常快。在IGS配置中，先要為數據建立一條通道，選取設備型號；然后建立設備名，輸入正確的Device ID；最后建立標簽，標簽代表的地址就是過程硬件的地址。當監控數據過多的時候，可以采用建立多條通道的方法來避免數據刷新速度緩慢甚至不能刷新的嚴重后果。
      8  楊村煤礦遠程生產視頻監控系統
      兗州礦業（集團）公司楊村煤礦堅持“安全第一、預防為主”的方針，力求安全生產工作從被動防范向源頭管理轉變。該礦建立了加大視頻監控系統及安全監測監控系統，利用安全監測監控設備與攝像機等實現了遠程環境監控，地面調度指揮中心可直接對井下情況實時監控。兩套系統的結合使用，不僅能直觀監視和記錄井下現場的安全生產情況，通過KJ95安全監視系統在井下安裝瓦斯傳感器、溫度傳感器等設備反饋的信息，還可及時發現事故苗子，防患于未然，也能為事后分析事故提供有效的資料，為今后安全生產提供寶貴的經驗。

       (1)遠程生產視頻監控系統的主要特點。
       ①網絡化。網絡視頻監控系統實現了在網絡系統上的圖像傳輸和共享。
       ②可擴展性。控制部件采用集中式結構與嵌入式等技術可方便靈活地進行擴充，充分保證系統在將來的適應性，盡可能不再重復投資。
       ③可用性和可靠性。采用當今先進的視頻壓縮方式，低帶寬、低延時，全雙工，回放查看清晰度高。
       ④互冗余備份。無論是管理服務器還是錄像服務器都支持相互冗余備份，系統穩定可靠有充分的技術保障。
      (2)建設完善的遠程生產視頻監控系統。
視頻采集設備安裝在礦井主要運輸、行人大巷和主要的采區工作面。
      ①建立各相關部門的應急指揮調度系統。在事故發生后，該系統可第一時間自動以短信通知模式召集領導和相關部門的應急會議，并將監控圖像導入會議室，供快速決策啟動應急程序，以防止和減少人員傷亡。
      ②建立生產現場視頻會議系統。以利于礦領導和行業相關部門對生產現場井下安全生產的教育和培訓，提升工作人員的安全意識和工作能力。
      ③建立專業技術管理隊伍。利于正確操作監控系統，及時維修各種故障，保證系統正常運行。
      ④建立嚴格的考核制度。針對以上幾個方面內容進行獎罰，以保障監控系統運行質量。
      ⑤建立有效的聯防互促組織。單一方面的視頻監控只能做到視頻圖像上傳管理，還需與礦上其它單位監測監控系統有機結合，調度指揮系統才能將礦井各方面信息進行掌握。

      9  選煤廠多媒體網絡監控系統的研究
      兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦選煤廠先后完成了“選煤廠微機監控管理、控制系統”、“光纖工業電視監視系統”、“煤質分析電腦信息反饋網絡系統”、“設備故障診斷系統”等項成果，只是這些系統是相互獨立的，不能實現信息資源的交互共享。為此，他們開展了“興隆莊煤礦選煤廠多媒體網絡監控系統實現的可行性研究”，認為該廠建立多媒體網絡監控系統已經具備了條件。
      興隆莊礦選煤廠多媒體網絡監控系統是集該廠微機監控管理信息系統、生產信息反饋系統、設備故障診斷系統、生產工藝動態圖形監視光纖工業電視圖像及音頻信息于一體的新型處理模式，可以將圖像、數據的管理信息傳送至有關的廠領導及車間，為正確迅速地指揮生產和及時準確地調整、分析生產結構提供了方便、快捷的手段。
      興隆莊礦選煤廠多媒體網絡監控系統的設計原則是：充分結合現有的微機監控管理及各種計算機信息的應用現狀，兼容和包含現有設備的投資，保護原有硬件和軟件資源；充分發揮和應用現有的先進的多媒體網絡技術，并考慮今后的業務需求和技術發展，便于系統擴展，保持技術的連續性；采用先進技術的同時，盡量降低系統造價，提高系統的性能價格比。該系統的配置及功能如下：首先建立多媒體信息處理中心，配置多媒體節目編輯、創作和播放制作設備；在廠領導及車間辦公室設置多媒體工作站，通過多媒體網絡監控系統可以在各個辦公室共享廠生產動態模擬圖、工業電視圖像、CD—ROM播放資源及閉路電視節目；通過光纖與上級單位如礦調度及局調度聯網，共享資源；通過與Internet網的有機結合，為實現選煤廠CIMS打下基礎。

      10  地面排矸多媒體機車監控系統
      兗州礦業（集團）公司東灘煤礦選用的地面排矸多媒體機車監控系統，不僅保證機車速度而且保障運輸安全，較好地解決了機車在運輸車場的通過能力問題，創造了顯著的效益。
      該系統由室內集控設備和現場信號設備組成。其中，控制機車運行的信號設備均設在現場，有電動轉轍機、信號機、傳感器和攝像儀，轉轍機可以改變機車的行車方向，信號機指示機車的開停，傳感器跟蹤監測機車位置，攝像儀監視車場列車占道情況；室內設備由操作控制臺、繼電器柜、電源柜、防雷柜以及大屏幕顯示器等組成。系統主機984-385控制軟件采用模塊化結構，整個程序分為兩個程序段。在第一個程序段中，系統清零、傳感器短路狀態檢測程序、進路狀態控制程序都是整個軟件核心部分。該程序控制進路查詢、占用、解鎖間的轉換、信號機開放和一些提示信號以及轉轍機的自動控制信號。第二程序段含送進路和解鎖進路程序、電動轉轍機控制與報警程序以及數據傳送程序。
      該系統有著以下功能特點：采用美國具有國際先進水平的可編程控制器作為系統控制主機，可實現程控方式、集中控制、手動操作三種控制方式；圖象監視洗矸倉、選矸倉、道口及翻籠工作情況，顯示機車車號、列車位置、進路占用、信號顯示、轉轍機岔尖位置等信息；信號機燈泡斷絲、轉轍機岔尖不到位、傳感器電氣故障實現聲光報警；機車闖紅燈時，闖紅燈地帶紅光帶閃爍；統計洗矸倉、選矸倉、井口及翻籠處矸石車數，根據生產需要打印車輛調度管理的各種數據；留有與礦聯網及井下機車監控系統聯網接口；首次應用的間隙鐵軌道傳感器具有防震、防水和防砸等功能，性能穩定可靠。

      11  基于CAN總線的自主移動機器人聲納數據采集系統
      兗州礦業（集團）公司北宿煤礦根據自主移動機器人實時導航的需要，提出了一種基于CAN總線的移動機器人聲納數據采集系統。針對自主移動機器人的工作特點，利用CAN總線技術設計了多聲納傳感器的數據采集系統，實現了機器人數據采集的網絡化，降低了系統的連線數量，提高系統的可維護性，同時確定了該系統和工控機之間的CAN總線通信協議，并給出了系統硬件框圖和軟件流程圖。實驗表明，該系統具有較高的實用價值及較高的可靠性、實時性。

      自主式移動機器人是適應在復雜的非結構化環境中工作的機器人。新研制的聲納導航自主移動機器人采用四輪或者兩輪驅動差動轉向的方式，每一個驅動輪均采用一臺直流伺服電機獨立驅動。其硬件系統主要由聲納數據采集系統、工控機主控制系統和驅動電機測控系統等組成。其中，聲納數據采集系統包括Polaroid6500聲納傳感器、數據采集板、CAN總線適配卡等；工控機主控制系統包括工控機以及各種外圍器件；驅動電機測控系統主要由EPOS運動控制器、編碼器、減速器和直流伺服電機等組成。EPOS是模塊化結構的數字伺服控制器，具有轉矩、速度和位置等多種運動控制方式，基于CA Nopen協議，通過CAN總線與主控計算機通信，能獨立控制單獨或者多軸直流伺服系統，所有軸都能夠通過CAN總線實現實時和同步運動控制。
      環境信息通過聲納數據采集系統以距離的形式傳送到工控機，工控機中的數據處理模塊識別出環境信息，主控微機通過查詢專家系統獲得當前的運動規則并對EPOS運動控制器發出相應的命令，最后EPOS運動控制器根據得到的指令對驅動電機進行控制以實現機器人避障導航。該系統在1Mbps波特率下運行穩定、可靠，滿足了機器人實際應用的需要。  

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