煤矿安全 综合监控管理系统建设分析

　　当今世界各国的竞争，从某个角度来说，就是能源的竞争。中国是一个煤炭资源大国，煤炭工业对增加国家工业总产值，增强我国在国际能源问题上的话语权具有重要作用。然而，在煤炭生产过程中，不断发生的矿难和其他重大煤矿安全生产事故，一次又一次的提醒人们，GDP的增加不能以牺牲生命为代价。建设安全高效的自动化、信息化管理为一体的矿区安全生产预防监督管理系统，加强安全生产，提高预警和事后搜救工作效率，已成为国家对煤矿生产企业的强制性要求。强化以煤矿安全生产综合监控管理系统为基础的现代煤矿信息化、自动化建设，是全国各主要煤矿企业安全生产基础设施建设投入的重头。

　　本期煤矿监控专题将以煤矿安全综合监控管理系统的建设为主题，重点分析煤矿安全综合监控管理系统建设和技术要点。在对煤矿安全综合监控管理系统的特点和建设要点做调查了解的过程中，记者选择了北皂煤矿，马兰煤矿，里彦煤矿，染家煤矿，淮南矿业集团，平煤十二矿等煤矿安全生产监控系统使用单位和中国矿业大学、中国煤碳科学研究总院常州自动化研究所等科研单位以及深圳嘉纳通讯，安徽奥博光电，北京中盛益华，常州天地科技，深圳新天安数码、北京华纬讯，易视科技等多家煤矿安全生产监控方案提供商的 20多个煤矿安全监控系统建设的案例进行了分析。这些案例，有的从利用ARM微控制器进行煤矿视频监控系统设计的角度，有的从光纤环网系统建设的角度，有的从企业安全生产指挥平台建设的角度，有些从工业电视视频监控系统建设的角度，有的从IP网络传输技术的角度，有的从矿用设备选型的角度，有的是煤矿企业从企业自身信息化建设的角度——对煤矿安全综合监控管理系统的建设做了多维度的阐述。记者也试图通过对这些案例的分析，去总结出一些煤矿安全综合监控管理系统建设的要点，和大家分享。

　　本文主干部分由两部分构成：一是对目前煤矿监控系统建设的现状和需求的分析；另外一个重要部分是对煤矿安全综合监控管理系统实现的关键技术点进行了分析。关键技术分析包括三部内容：1、构建基于冗余工业以太网光纤环网的传输平台；2、利用以太光纤环网+现场总线构建煤矿综合监控管理平台；3、列举了两个重要的煤矿安全综合监控管理子系统——煤矿工业电视监控系统和井下人员追踪定位管理系统的构建。

　　另外，为了更加深入细致的说明煤矿综合监控管理平台的建设，本专题配发了7篇文章，从不同的技术层面对涉及煤矿安全综合监控管理平台建设的不同技术问题进行了更为专业深入的阐述。希望通过本专题的介绍，读者能够比较全面的了解煤矿安全综合监控管理系统建设的相关问题，并起到抛砖引玉的作用，有更多煤矿安全综合监控管理系统建设方面的专业人士参与交流。

　　一、煤矿监控系统建设现状及需求

　　1、网络结构不合理

　　环境安全、生产监控、信息管理、网络运用、工业电视监控及以及兼容瓦斯抽放、火灾监测、电网监测、顶板动态监测、主扇风机等各种监控系统自成体系，破坏了网络结构的整体性，网络从主从结构发展为多主结构，有必要对网络结构以及相关的网络协议开展研究。

　　2、实时性和优先级支持差

　　各种系统的典型巡检周期在30s左右，对于各系统自成一体，不利于对突发性事故急性联动处理。现有的安全监控系统和综合监控系统没有根据信息的重要性差别提供有效的优先级支持，无法确保重要信息的实时性要求。

　　3、兼容性差

　　现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用通信协议，很难找到2个相互兼容的系统。信息传输系统的兼容性已成为装备监控系统的各煤矿集团公司、矿井进一步补建和扩充系统功能的制约因素。

　　4、井下信息传输设备物理接口协议不规范

　　随着矿井年龄的增长，信息传输系统老化陈旧，接入复杂，系统传输压力加大，先进的监控系统相互之间不能兼容等问题极为明显。随着安全形势及矿井发展的需要，增加的子系统越来越多，各子系统在井下巷道中重复布置线缆情况日益突出，不但增加了资金的投入、加大了系统的维护工作量，也极不利于矿井安全生产的需要。

　　因此，对于大部分新建煤矿和已建煤矿来说，突破现有监控系统的体系结构、信息传输方式、系统反应速度等方面的技术瓶颈，建立一个兼容矿井安全监测、生产监控、人员定位等多个矿井监控子系统的煤矿综合监控系统，已经势在必行。

　　煤矿企业网络改造的具体要求是：完善矿区光纤信道网，光缆的芯数应留有余地，有条件时最好形成矿区光纤环网信道；提升矿区主要网络设备的性能，特别是矿区集团信息中心的主要网络设备的性能；矿区内的主要网络设备型号应保持统一，以便于网管；配置和完善防火墙等网络安全设备，以保证网络安全运行；建设内、外网物理上隔离的内、外网系统，并增加相应的网络服务器，无论内网还是外网设备应具备vpn功能；建设具有提供预警、配置、统计等功能的全矿区统一的网管系统；保持矿区统一的Internet出口（即必须规定不允许从矿或其它二级单位有Internet的出口）；要有矿区生产过程和环境监测系统、视频系统和小区的宽带接入系统的接入设计等；要尽可能地利用原网络设备。

　　按照这种应用思路建成的煤矿综合监控管理系统应该能够将已建的各种系统进行完好的融合，提高有效信息的利用率，对事前、事中、事后三个阶段实时统一的应急指挥调度，实现事前安全防范，事中及时排查，事后妥善处理的目的。应具有以下功能：

　　1、日常管理：侧重于安全生产综合监督

　　事前的安全监督管理涉及到以下几个方面：

　　第一，机关领导办公室、安全生产指挥中心、调度室等部门可以实时对生产现场的情况进行视频监控，以便随时掌握生产现场第一手情况，及时发现事故苗头，及早消除险情隐患；

　　第二，通过与人员定位系统的紧密结合，安全指挥中心、调度室等不仅可以看到井下工作人员的图像，而且可以在定位系统的坐标上显示其的精确位置，并与井下人员取得语音的双向交流；

　　第三，可以采用多种录像方式对生产现场、调度室、指挥调度和远程培训过程等重要场所、过程进行录像，并能够集中存储，支持WEB分布播放功能，以便事后追究责任，经验总结提供有力的证据。

 
　　2、监控调度：一体化的远程检测预警联动机制

　　一般情况下，远程检测是一套独立的系统，但在应用过程中，如果将其与视频通信进行一体化整合，无疑会增强安全生产检测的效率。在实际应用中，生产现场的环境发生变化达到预警条件时，各种采集信息的报警程序立即启动，如甲烷、一氧化碳、 风速、温度、风机风门开停等，指挥人员根据各种报警信息和现场图像，可以判断报警信息是否为误报，如果报警属实，便于人员的及时疏散，避免人员伤亡。同时报警信息上传上级管理部门，便于上级领导进行决策，并实施一体化的可视化指挥，从而将危险消灭于萌芽状态。

　　3、事故应急：从全局出发突出即时交互的视频应急指挥

　　事故发生后，机关领导和煤矿各级领导可以在第一时间开启指挥调度，利用依存的有线网络或者无线监控将事故现场的图像上传到指挥中，供领导快速决策，相关部门启动应急程序，协助现场人员撤离，并且启动应急预案进行抢救，以防止和减轻人员伤亡，降低财产损失。另外，煤矿领导及相关政府部门可以依据事前、事中的录像文件，对事故发生原因进行排查，总结经验，通过电视广播会议，对煤矿企业的在职职工进行安全培训，提高警惕。

　　4、直抵井下现场：远程作业指导

　　调度室和领导办公室等如果发现井下人员有违规行为，可以直接与其进行语音交流，对其进行远程指导，纠正，如果现场人员面对当前的情况不太清楚，可以直接向相关部门进行询问，避免人员误操作带来的事故。

　　二、构建煤矿安全

　　综合监控管理系统的关键点

　　构建井下基于冗余工业控制以太网光纤环网的核心是100M---1000M的工业以太网交换机。这里以华丰煤矿1000M环形工业以太环网的构建来说明。

　　华丰煤矿是一个百年老矿。原有的自动化系统有：-450、-750中央泵房排水监控系统、洗煤系统，正在进行的自动化改造项目有矿井地面供电及-450、-750中央配电所自动化监控系统、主运自动化监控系统、大巷信集闭系统。这些监测监控系统都处于相互独立的状态，各种系统自成体系，造成通讯线路重复投资、重复建设，不仅系统维护量大，而且整体可靠性差，维修、维护困难，信息不能互通，形成了"信息孤岛"现象，所以很难从系统工程的角度来整体对矿山进行统一的自动化管理，以发挥自动化集成的最大效益。因此，华丰煤矿需要建立综合自动化监测监控系统，使工况信息和控制信息在一个统一的平台上传输，实现远程集中监测监控。

　　华丰煤矿的自动化系统包括信集闭系统、主运系统、洗煤系统、排水系统、地面供电系统、井下供电系统和数字工业电视系统，100Mbit/s的网络难以满足远程监测监控的要求，需要搭建冗余的1000M环型工业以太网传输平台。华丰煤矿综合生产监控系项目一共采用了6台西门子的SCALANCE X-400千兆交换机，-750调度站、-750泵房、-450泵房，地面主运车房各安装一台，调度中心安装两台，通过单模光纤将6个节点连接起来，每台交换机配有12个100Mbit/s RJ45接口和2个1000Mbit/s ST光纤接口，用于把各系统接入进来。在物理上和逻辑上确保网络通路的冗余和安全，当某一子系统的通讯或元器件出现故障时，不影响其他子系统的通讯和整个网络的传输性能。

　　为防止华丰煤矿的传输链路或交换机发生故障，在建立环网时， SCALANCE X-400 交换机切换为RM 模式，通过集成的冗余管理器，构成1000Mbit/s的高速光纤冗余环网。最多可支持 50台X-400 交换机串联连接到环网，总长为 150 km。在华丰煤矿有6台X-400 交换机串联在环网上，总长为11km。当传输链路或环网中的SCALANCE X-400 交换机发生故障时，网络重构时间严格小于300ms，增强了网络的可靠性。

　　SCALANCE X-400支持虚拟局域网VLAN技术，SCALANCE X-400提供模块化的设计，用户可以根据需要灵活的选择端口数量，SCALANCE X-400最多支持4095个VLAN划分，使用该技术，把华丰煤矿的网络划分为各个独立的子网，从而可以将网络流量进行分类，防止非法终端的接入等，提高了网络的安全性。同时，VLAN按照节点的类型把网络流量进行分类，防止网络上不同站点之间、不同类型的网络流量发生冲突，特别是视频数据和生产数据的冲突，有效的降低了网络的负荷，提高了网络的通讯效率。（如图1）

　　华丰煤矿项目采用西门子千兆工业以太网交换机SCALANCE X-400搭建千兆环型网络传输平台，井上环网与井下环网采用西门子HSR技术，网络的重构时间小于300ms，环网间采用西门子standby技术形成环间耦合，重构时间小于300ms。远端SCALANCE X-200工业以太网交换机采用星型结构接入主干网平台，采用西门子SCADA软件WINCC搭建集成监控平台，采用以太网硬件接口和OPC软件通讯协议接入其它自动化子系统。

 
　　自动化子系统硬件接入以太网接口，但是根据控制点的分布、各自动化子系统和接入技术的特点，目前考虑共有四种接入方式：

　　1、上位机接入方式，有些自动化系统比较简单，没有以太网接口，但有上位机，可通过在该上位机增加通讯网卡来获得以太网接口；

　　2、PLC接入方式，有些自动化系统采用PLC进行控制，可以对PLC增加以太网模块，与附近的交换机进行物理上的网络联接；

　　3、子网络接入方式，有些自动化系统已经很成熟，并且自成网络，对外有统一的网关接口，直接采用这个接口即可接入到网络传输平台中；

　　4、扩展接入方式，有些自动化系统不仅没有以太网接口，而且也没有上位机，但该系统支持RS485/232或现场总线等串行接口，可以通过增加串口服务器等转换设备，把其它接口转化成以太网接口。

　　各个自动化子系统通过千兆工业以太网把实时数据传输到地面的监控中心，保证了数据传输的优先性和实时性，支持VLAN，可根据系统划分，提高传输效率保证数据安全。支持三层交换技术，保证需要通讯的VLAN间可交换数据。数字视频数据通过视频编码器转化成数字信号通过工业以太网进行传输，将网络视频数据高度集成到集控平台上，从而延伸视频服务功能，支持IGMP协议，可以高效快捷的传输视频源信号至多个监测位置，节省网络资源。另外，语音数据也能够通过工业以太网传输到集控中心的语音调度平台。这样，在煤矿实现了数据流、视频流、语音流同缆同芯传输，实现数字信号的同网传输，便于综合自动化系统平台的高度集成，真正达到三网合一，优化了传输方式，减少成本，克服传输通道的瓶颈，在可保证数据的稳定传输前提下，同时千兆控制网的可用带宽也得到了充分的利用。(刘毅)