煤礦綜合安全監控係統立項報告

一、立項依據

礦井監控係統是煤炭企業高產、高效、安全生產的重要保證。煤礦井下是一個特殊的工作環境，有瓦斯等易燃、易爆氣體，有硫化氫等腐蝕性氣體，有水溫、溫度等環境參數及設備的運行狀態需要監測;還要對井下的非安本性設備進行控製。目前而言，從係統集成的角度來看，煤礦生產、管理的自動化與信息化水平相對不高，特別是煤礦安全生產監測監控係統尚沒有行業標準、各廠家都是自行製定傳輸協議和接口標準，係統之間不能互通和兼容，存在“信息孤島”現象。信息資源難於共享，監測係統、控製係統和管理係統不能實現聯動。

煤礦綜合安全監控係統本著煤礦“裝備現代化、係統自動化、管理信息化”要求，以煤礦的安全生產為前提，通過實現“三化”，達到減員、高效的目的。通過集中監測監控，減少值班人員、提高生產調度效率，實現安全生產、設備監控、集中調度的一體化管理環境。通過視頻、監、測、控的有機結合，實現統一調度、統一監控的完美整合。實現對礦井人員、安全、設備、計劃、報表等進行高效管理，幫助領導進行輔助決策。

㈠ 國內外現狀、水平和發展趨勢

監控子係統之間,監控係統與生產管理以及與生產調度係統之間存在數字鴻溝,即信息互不相通,導致無法將管理與生產監測信息緊密結合起來。從係統集成的角度來看,煤礦生產、管理的自動化與信息化水平相對較低,特別是煤礦安全生產監測監控係統尚沒有行業標準,各廠家都是自行製定傳輸協議和接口標準,各子係統之間不能互通和兼容,存在“信息孤島”現象,信息資源難於共享,監測係統、控製係統和管理係統不能實現聯動。

㈡ 項目研究開發目的和意義

煤礦綜合安全監控係統是各礦在生產、安全及管理方麵的一個實時監測監控係統，對於煤礦的生產運行狀況、安全水平、預測預報具有重要的作用。為了加強對公司下轄各礦的安全生產進行管理，利用現有網絡了解各礦的安全生產情況，將各礦的各種監測數據、各礦調度信息以及各礦的調度信息係統成在公司調度室，組建為一監控子網，使公司各個部門及領導可在網上瀏覽各自所需的信息。並將各礦的安全監測信息係統與管理信息係統有機結合，加強企業內部協作與通信，提高生產和管理效率，增強企業的市場競爭力，使煤礦企業的信息化進程實質性的跨上一個新台階。

㈢ 項目達到的技術水平及市場前景

發展安全高效煤礦，推進煤炭資源整合，是國務院“十二五”規劃綱要對煤炭行業的要求。煤礦安全生產“十二五”規劃,更是提出了，煤礦井下安全避險“六大係統”工程，煤礦瓦斯綜合治理示範工程，煤層氣地麵開發利用示範工程，供電、井下運輸、排水、提升等係統安全技術及防滅火工程，礦井水害治理工程，小煤礦安全改造工程這6個煤礦安全生產水平提升工程。綜合安全監控係統研製成功後，將是目前礦山安全領域的先進產品，有著曠闊的市場前景

二、研究開發內容和目標

㈠ 項目主要內容及關鍵技術

綜合安全監控係統的組網如圖所示：

如上圖所示，本係統由煤礦環境監測係統、生產設備檢測係統、生產人員監測管理係統、煤礦現場管理安全排查係統組成，其中煤礦環境監測係統包含：瓦斯監控、頂板監測(離層、壓力)、火災監測(CH4、氧氣、烴類、烯類、溫度)，水位監測。生產設備檢測係統包含：膠帶溫度監測、電纜溫度監測、設備振動監測。生產人員監測管理係統包含：人員定位係統等係統。煤礦現場管理安全排查係統包含：無線視頻、無線電話、無線PDA。

項目主要開發內容：

1、煤礦綜合安全監控係統由災害預警綜合信息平台，專用監控平台、64台綜合分站係統組成，綜合分站係統由分站和隔爆兼本安電源電池箱組成

2、綜合分站進一步包含分站主板

3、綜合分站進一步包含電話調度子係統

4、綜合分站進一步包含視頻監控子係統

5、綜合分站進一步包含工業現場總線子係統

6、綜合分站進一步包含工業以太網子係統

7、綜合分站進一步包含數據采集子係統

8、綜合分站進一步包含WiFi通訊子係統

9、綜合分站進一步包含人員定子係統

10、隔爆兼本安電源電池箱

11、隔爆兼本安電源電池箱進一步包含電源管理模塊

12、隔爆兼本安電源電池箱進一步包含電源管理模塊

13、隔爆兼本安電源電池箱進一步包含電池充電管理模塊

14、隔爆兼本安電源電池箱進一步包含12V本安電源模塊

15、隔爆兼本安電源電池箱進一步包含21V本安電源模塊

16、專用監控平台進一步包含瓦斯監控平台

17、專用監控平台進一步包含頂板檢測平台

18、專用監控平台進一步包含火災檢測

19、專用監控平台進一步包含水位檢測

20、專用監控平台進一步包含膠帶、電纜溫度檢測

21、專用監控平台進一步包含設備震動檢測

22、專用監控平台進一步包含人員定位係統平台

23、專用監控平台進一步包含無線通訊平台

24、災害預警綜合信息平台包含係統聯動預案處理、事故搶修、應急指揮、預警預案研究和事件評估

項目關鍵技術如下：

1)使用百兆以太網接口作為成幀器，實現64個分站與地麵通訊控製器組成光纖自愈環網。環網保護倒換條件參照SDH的保護原理，故障恢複時間在50ms之內。

2)分站間的通訊，采用定時的以太網幀，使得傳統的TDM業務同IP/以太網數據的轉換方便可靠，並使傳統的TDM業務與IP/以太網業務可以在一個統一的平台上傳輸和交叉連接，實現監控數據、工業視頻、調度電話綜合傳輸

3)設計通用背板總線，實現語音、視頻、數據采集和檢測控製各子係統同的自由組合。

4)設計精準的授時係統，使授時精度達到1ms，係統的同步信號精度為15.6us，可實現檢測數據大範圍的同步采集

5)分站及傳感器全麵實現了智能化和紅外遙控調校、設置。分站模擬量和開關量端口可任意互換，並支持多種信號製，有實時數據存儲能力。

6)具有自檢功能，可對分站、電源、傳感器、電纜等設備進行診斷，能報警和記錄並自動切斷故障支路。有完善的多級口令保護功能。

7)係統可監測瓦斯、風速、一氧化碳、煙霧、溫度、風門開關等環境參數，也可監測煤倉煤位、水倉水位、壓風機風壓、箕鬥計數、各種機電設備開停等生產參數和電壓、電流、功率、電度等電量參數，以及膠帶跑偏、膠帶速度、軸承溫度、機頭堆煤等各種機電設備的運行情況。

8)傳輸係統故障時，井下分站可繼續獨立工作，並可以保存12小時監測數據，等傳輸通道恢複後，再將曆史數據上傳

9)設計1路12V/1.5A和5路21V/0.6A的隔爆兼本安電池電源箱，以滿足綜合分站的用電要求

10)

㈡技術創新點(國家有關部門、全國(世界)性行業協會等具備相應資質的機構若頒布相關技術參數或標準，應提供。)

1、綜合實時通訊及多係統綜合監控分站

綜合分站采用實時通訊係統，可以綜合實現生產安全監測、工業電視、調度電話接入、工業以太網、工業現場總線數據等多種信號的傳輸。係統由煤礦環境監測係統、生產設備檢測係統、生產人員監測管理係統、煤礦現場管理安全排查係統組成，其中煤礦環境監測係統包含：瓦斯監控、頂板監測(離層、壓力)、火災監測(CH4、氧氣、烴類、烯類、溫度)，水位監測。生產設備檢測係統包含：膠帶溫度監測、電纜溫度監測、設備振動監測。生產人員監測管理係統包含：人員定位係統等係統。煤礦現場管理安全排查係統包含：無線視頻、無線電話、無線PDA。

2、分布式高速同步采集係統

分站間的數據傳輸通過定時發送以太網幀實現，百兆幀的每個bit的承載帶寬與傳統的TDM業務每bit的承載帶寬相同，都是512K，使得傳統的TDM業務(話音、視頻)，同IP/以太網數據的轉換方便可靠，並使傳統的TDM業務與IP/以太網業務可以在一個統一的平台上傳輸和交叉連接。這種高效的實時協議，使得端到端的延時為15.6us,在此基礎上的實時授時係統，其精度可以在100us以內。通過這個授時係統，可以使128分站的2048個數采通道“同時”采集數據，時間誤差在100us以內

3、同步以太網背板總線

使用百兆以太網時鍾同步技術，實現主板MB與各業務板的時鍾同步和數據傳輸。MB板與業務板通過100M以太網PHY連接，業務板提取線路收時鍾(RXC)和接收有效信號(RXDV)，將這兩個信號作為業務板的發送時鍾(TXC)和發送有效信號(TXDV)，這樣業務板就與主板實現收發數據同步，原理如圖所示

4、多通道實時報警

由於分站間采用了多通道傳輸技術，係統除了傳統的巡檢方式外，還增加了配置下發數據通道，曆史數據上傳通道和告警數據上傳通道，告警通道是分站與通訊服務之間建立的“點到點”鏈接，使得係統的告警時間大為縮短，在128個分站的最大配置情況下，異地斷電的完成時間為600ms

㈢主要技術指標

係統容量：

係統可以支持128個分站，人員識別卡16384個。

光傳輸規格：

波長：1310nm/1550nm

速率：100Mbit/s

發光功率：-4～-8dbm(1310nm),0～5dbm(1550nm)

接收靈敏度：-28dbm

提供物理層及業務層的保護功能，保護倒換時間<50毫秒

最大傳輸距離

傳感器及執行器至分站之間的最大傳輸距離2㎞(使用MHYVR型電纜，電纜截麵積1.5㎜2，

直流電阻12.8Ω/㎞，分布電感0.8mH/㎞，分布電容0.06μF/㎞);

分站至MCTP-M寬帶接入器、分站至分站之間最大傳輸距離10㎞。

以太網規格：

以太網接口速率：10M/100M/1000Mbit/s

標準：IEEE 802.3

IEEE802.3u 100BaseTx

IEEE 802.3x

總線數據規格：

接口種類：CAN、Profibus、FSK, DPSK、RS485/RS232/RS422

速率：0 — 57.6kbps(自適應)

協議/標準：RS232、RS485、RS42、CAN

支持的協議包括：Xmodem、Zmodem、Ymodem、Kermit、ModenBUS、PROFIBUS

話音接口規格：

環路阻抗：FXO >600 Ω;FXS 1.8KΩ

環路電流：≥23mA

收鈴靈敏度：≤100mVA

保護特性：YDN 065-1997標準

音頻特性：300～3400Hz

音頻阻抗：600Ω

模擬視頻規格：

信號製式： PAL/NTSC製可選;

信號輸出電平： 1Vp-p

信號輸出接口及阻抗：BNC接頭，75Ω阻抗

視頻通道： 壓縮 H.264

速度： 每秒1-30幅(可編程)

帶寬 4Mb/s可調

本安參數規格：

Ui:12.1V，Ii:910mA，Ci:0.2nF，Li:0mH。

模擬量規格：

電流型信號範圍：1mA～5mA。

頻率型信號範圍：200Hz～1000Hz，輸入高電平時應不小於3V(輸出電流為2mA時)，輸入低電平時應不大於0.5V(輸出電流為2mA時)，其正脈衝和負脈衝寬度均不得小於0.3ms。

開關量規格：

無源接點信號：截止狀態輸入時，漏電阻應不小於100kΩ;導通狀態輸入時，電壓降應不大於0.5V(電流為2mA時)。截止狀態表示停;導通狀態表示開。

直流電流信號：0mA、+5mA(+5mA表示開;0mA表示停)。

直流電流信號：+5mA、0mA、-5mA(+5mA表示停;0mA表示斷;-5mA表示開)。

控製量規格

電平型信號：輸出高電平時應不小於3V(輸出電流為2mA時)，輸出低電平時應不大於0.5V(輸出電流為2mA時)。

無源接點信號：截止狀態輸出時，漏電阻應不小於100kΩ;導通狀態輸出時，電壓降應不大於0.5V(電流為2mA時)。

累計量規格：

輸入高電平時應不小於3V(輸出電流為2mA時)，輸入低電平時應不大於0.5V，其正、負脈衝寬度應不小於0.3s，正、負脈衝的轉換時間應不大於5ms。

三、研究開發方法及技術路線

1、設計思想依據

本項目的設計思想主要基於以下幾個方麵：

公司大部分研發人員具有傳輸、交換、接入、煤礦安全監控產品的研發經驗，其中有六名人員有十年以上的相關開發經曆。熟知礦山安全生產的市場需求。汲取了國內外各類礦山環境監控係統、生產設備監控係統、生產人員監測管理係統的優缺點，在公司特有的MCTP多通道工業以太網的架構上設計煤礦綜合安全監控係統，其關鍵技術在以往研發的MCTP設備中和KJF45安全監控分站中得到驗證。

煤礦安全生產是礦山行業關注的熱點，也伴隨著新技術、新標準的出現和新產品的不斷完善。項目產品的成功研製和應用為煤礦安全生產設備提供了新的思路，尤其為我國礦山安全生產提供一種高性價比的應用方案。

本項目方案有多項技術創新，在整個設計過程中主要參照或引用的標準有：GB 3836.1-2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第1部分：通用要求，GB 3836.2-2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第2部分：隔爆型“d”，GB 3836.4-2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第4部分：本質安全型“i”，GB 4208-1993 外殼防護等級(IP代碼)，GB 6388-86 運輸包裝收發貨標誌，GB 10111-88 利用隨機數骰子進行隨機抽樣的方法，GB/T 14048.1-2000 低壓開關設備和控製設備 總則，MT 209-90 煤礦通信、檢測、控製用電工電子產品通用技術要求，MT 210-90 煤礦通信、檢測、控製用電工電子產品基本試驗方法，MT 211-90 煤礦通信、檢測、控製用電工電子產品質量檢驗規則，MT 289-92 煤礦本質安全型供電、自動電話機通用技術條件，MT 290-92 煤礦本質安全型供電、自動電話機主要性能測試方法，MT 406-1995 煤礦通信井下彙接裝置通用技術條件，MT/T 899-2000 煤礦用信息傳輸裝置，GB/T 2423.1-2001 電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗A：低溫，GB/T 2423.2-2001 電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗B：高溫，GB/T 2423.4-1993 電工電子產品基本環境試驗規程 試驗Db：交變濕熱試驗方法，GB/T 2423.5-1995 電工電子產品環境試驗，《ITU-X.87 城域網多業務環(MSR)標準》，《基於SDH的多業務傳送節點技術要求》[1];《基於SDH的多業務傳送節點測試方法》[2];《基於SDH的多業務傳送節點(MSTP)技術要求——內嵌RPR功能部分》[3];《基於SDH的多業務傳送節點(MSTP)測試方法——內嵌RPR功能部分》[4];和 ITU-T G.703、G.704、G.823、G.824、ITU-T G.707、 IEEE 802.x、YDN 065-1997、YDN099-1998、YD/T877-1996 YD/T1022-1999、YD/T 1238-2002

2、關鍵技術實現的依據

本係統的關鍵技術分兩方麵：硬件和軟件。

軟件核心技術有雙機熱備技術、大型關係數據庫技術、向量圖形技術、瓦斯預警分析技術和海量數據同步采集技術。以上技術需在高性能服務器和C#架構下完成。

硬件核心技術采用定時以太網幀、線路時鍾同步，同步精準授時，隧道控製，VLAN控製，大位數數模轉換和異地告警控製等。采用大規模集成電路芯片(FPGA,EPLD)和嵌入式CPU(ARM9)完成。

下圖是綜合安全監控係統的技術架構

基礎層和執行層是綜合安全監控係統要檢測和控製的設備，包括各類傳感器、斷電器、PLC、調度電話、工業攝像頭、無線終端、人員識別卡、讀卡器等設備，這些不再係統的開發範圍。綜合安全監控係統是由平台層(監控分站和通訊服務器)、應用層(各專業監控平台)和拓展層(綜合監控平台)組成

(一)平台層，即綜合監控分站技術實現依據