西山德顺公司安全监测监控系统方案设计

西山德顺公司安全监测监控系统方案设计KJ90NB瓦斯监控系统
建设单位：山西西山德顺煤业有限责任公司设计单位：煤炭科学研究总院重庆研究院
日期：2010年4月
西山德顺煤业公司安全监测监控系统方案设计
1概述
KJ90型煤矿安全监控系统自成功研制并推向市场以来，通过不断的完善和进展，目前已进展到达到AQ6201-2006新标准要求，基于工业以太环网平台的第六代产品-KJ90NB安全监控系统，已从早期的煤矿安全监测系统进展成为集环境安全、生产监控、信息治理、网络运用、工业电视以及兼容瓦斯抽放、火灾监测、电网监测、顶板动态监测、主扇风机在线监测等多种子系统为一体的新型煤矿综合监控系统，该系统以其技术先进性和有用性深受煤矿用户的欢迎，在煤炭行业得到了专门好的推广应用，并在其它非煤炭行业如环保、化工、公路及铁路隧道等民用方面得到应用。

到目前为止，已在国内多个省区，系统国内市场占有率在50%以上，用户普遍反应良好，取得了较好的经济效益和社会效益。

KJ90NB型煤矿安全监控系统自配套能力强，监控系统的各类设备及监控软件均由重庆煤科院一家研制、生产。

产品性价比高，售后服务有保证，能专门好的操纵监控系统总体质量和性能，操纵产品的生产加工周期，对日后产品的升级换代提供可靠保证。

2KJ90NB系统与传统监控系统技术对比
传统的安全监控系统采纳总线传输的方式，系统容量受限，通讯平台只能运行特定的系统，反映速度慢，不具备通讯冗余和自复原功能；易受干扰，运行不稳固；兼容性差；无法实现故障自我诊断，自成系统，数据孤立且重复布线，使用爱护工作量大，不能进行综合分析，预警，应急联动。

依照各矿近年生产治理的实际需要，还将在矿井原煤生产过程各环节装备一些新的系统。

假如连续采纳传统的通讯方式，势必又将采纳各自独立安装运行方案，造成矿井监控设备布线越来越复杂、系统爱护成本越来越大。

针对传统系统的缺点，此次方案设计选用基于工业以太环网＋现场总线平台的KJ90NB安全监控系统。

与传统的系统比较具有相当庞大的优势和在传输速度、质量上的质的飞跃。

并能方便实现各系统监测监控数据的综合集成。

以直观形象的各种图形方式显示全矿井的生产工艺流程、同时也将方便显示其它诸如矿井瓦斯、矿井人员、矿井
抽放、矿井设备运行状况等分类信息。

这对提高生产调度治理效率，指导煤矿安全生产具有重要意义。

重庆煤科院依照国内煤矿的实际情形，研制开发了以RS485作为通讯协议的一般安全监控系统（KJ90NA）和基于工业以太环网传输平台的宽带安全监控系统（KJ90NB）要紧参数性能对比：
与目前其他的工业以太环网在信号传输、组网方式、环网结构上也有本质的区别。

在平台的稳固性、配套性，各个子系统的接入和集成上具有专门大的优势。

在子系统接入上协议标准采纳现在用途最位广泛TCP/IP的通讯协议，子系统接入工业以太环网平台后，不再需要数据接口和其他平台上所需要的数据转换器（调制解调）。

在信号传输方式上真正最大限度上发挥了工业以太环网平台的优势，就近接入环网交换机，不再受数据接口和其他平台上所需要的数据转换器（调制解调）的限制。

3KJ90NB安全监控系统设计原则及依据
本方案是煤炭科学研究总院重庆研究院依照西山德顺煤业公司的需求设计的KJ90NB安全监控系统，在设计过程中始终遵循系统应具备高可靠性、先进性、有用性、可扩展性及开放性原则，以满足高产、高效的现代化矿井对监测、监控等治理信息有效获得的需要。

设计依据为
➢《煤矿安全规程》
➢《煤矿安全生产监控系统通用技术条件》
➢《矿用信息传输接口》
➢《矿用分站》
➢《矿用信号转换器》
➢《煤矿安全生产监控系统软件通用技术要求》
➢《煤矿用信号传输装置》
➢《煤矿安全监控系统通用技术要求(AQ6201-2006)》
➢《煤矿安全监控系统及检测仪器使用治理规范(AQ1029-2007)》
➢《煤炭工业矿井设计规范》
➢《煤矿安全装备差不多要求》
➢《煤矿监控系统总体设计规范》
➢《煤矿监控系统中心站软件开发规范》
➢《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求》
➢《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》
➢《煤矿通信、检测、操纵用电工产品通用技术条件》
➢《设备可靠性试验》
➢《电气设备的抗干扰特性差不多测量方法》
➢国务院安全生产委员会办公室[2006]21号文件相关规定
4工业以太环网平台设计
4.1工业以太环网平台结构设计
为满足西山德顺煤业进展需要，此方案设计为100M工业以太环网平台，采纳单模
阻燃传输光缆，井下本安网络交换机选用重庆煤科院KJJ103型本安网络交换机。

此平台专门为安全监控系统的传输要求所搭建的平台，满足煤矿安全监控系统专网专用的要求。

整个平台分为信息层、操纵层和设备层三层结构。

其中信息层为矿地面已有的局域网，操纵层采纳高速工业以太环网，设备层采纳现场总线，保证了现场子系统的实时性和可靠性。

结合西山德顺煤业的实际情形（矿井采掘平面工程图），此方案为西山德顺煤业设计工业环网系统为工业以太环网＋现场总线的方式。

4.2系统特点及功能
1)整个综合操纵网采纳工业级的设备，实现井下高温、高湿等恶劣环境的稳固运行；
2)系统支持光纤冗余环网工作模式，接节故障不阻碍整个系统性能，故障自复原时刻短（300ms），通信更加可靠；
3)矿井工业以太环网光纤冗余环网传输平台运行稳固、可靠性好、线路机械强度高矿井工业以太环网光纤冗余环网传输平台通讯协议采纳标准的TCP/IP网络协议；
4)平台传输速率高、带宽容量大、传输距离远、抗干扰和雷击能力加强。

为整个网管系统可对所有的网络设备进行实时监控，显现故障实时报警。

5)采纳先进的多主并发通讯模式，系统检测速度快，实时性强。

6)整个宽带传输网完全突破了低速总线下的技术瓶颈，系统节点容量大大增加，稳固性提高；
7)平台同时支持光纤多模、单模、超五类双绞线传输介质，结构灵活；可方便与局域网企业综合治理信息系统连接，实现信息共享；
8)井下交换机通过防爆认证，具有煤安标志，同时增加UPS电源爱护，在市电停电后，可运行两个小时以上。

4.3要紧技术指标
1)通讯速率：100M
2)系统反应时刻：≤ 1s
3)通讯模式：多主并发
4)通讯方式：工业以太网+现场总线
5)协议标准：TCP/IP
6)通讯复原：自愈≤300ms
7)集成扩展能力：强、方
5KJ90NB安全监控系统组成
本系统要紧由监控中心监控设备、监控分站、各类传感器及其他辅助设备组成。

传输平台采纳工业以太环网平台+现场总线。

监控中心监控设备包括监控主机、地面环网交换机、打印机、不间断电源、电源避雷器等设备。

中心站设备均采纳当时主流技术的通用产品，并满足可靠性、可爱护性、开放性和可扩展性等要求。

系统采纳先进的分布式处理模式，能充分发挥各部分设备的性能优势，结构简洁，可操作性强，便于系统的日常爱护及治理。

系统主干连接为树型结构，安装扩展简单。

因此本方案设计为分层结构，具体组成如下：
1)地面监控中心站及网络终端等，是整个监控系统的核心，负责整个系统设备及监测数据的治理、定义配置、实时数据采集、分析处理、统计储备、屏幕显示、查询打印、实时操纵、远程传输、画面编辑、网络通讯等任务。

网络终端完成系统监测信息异地实时共享，能够以文本或图形方式显示安全生产信息，查询各类报表数据。

地面监控中心站及网络终端等设备之间的连接采纳局域网方式；
2)传输平台：工业以太环网传输平台。

3)系列化智能监控分站。

要紧完成对所监测的传感器数据采集、数据预处理、分类显示、报警、断电操纵、与地面监控中心站的数据通讯、所接传感器的集中供电等；
4)各类模拟量传感器、开关量传感器及断电操纵器等设备，是整个监测系统最前沿的终端设备，负责对各监测点的物理数据采集、就地显示、超限报警、信号传输、对监控分站操纵指令的执行等。

注：由于目前德顺公司只考虑在平台上接入安全监控系统和人员定位系统，此图仅供参考
图：系统结构示意图
6要紧传感器布置原则
6.1工作面传感器布置
注：假如采纳两条回风巷道的采煤工作面按照T1、T2设置，增加两台瓦斯传感器T5、T6。

6.2掘进巷道传感器布置
注：采纳双巷道掘进在两个掘进同时按T1、T2设置，并在两个掘进巷道回风混合巷增加一台瓦斯传感器。

6.3采区、一翼、总回风巷传感器设置
注：1、在采区回风、一翼回风、总回风巷内临时施工的电气设备上方设置瓦斯传感器。

2、兼做回风井的装有带式输送机的井筒内必须设置瓦斯传感器。

6.4机电硐室传感器设置
6.5其他传感器设置
6.5.1煤仓传感器布置
井下煤仓、地面选煤厂上方应设置瓦斯传感器；
采纳架线机车的要紧运输巷道装煤点设置瓦斯传感器；
封闭的地面选煤厂机房内上方设置瓦斯传感器。

6.5.2带式输送机传感器设置
兼做回风井的装有带式输送机的井筒内必须设置瓦斯传感器；
带式输送机滚筒下风侧10－15米设置烟雾传感器。

注：其他传感器的布置原则请参见《煤矿安全监控系统及检测仪器使用治理规范(AQ1029-2007)》。

7西山德顺煤业安全监控系统设计及传感器布置
7.1地面设备
监控机房：监控主机2台、数据服务器1台、WEB服务器1台、短信报警器1台、地面环网交换机2台、激光打印机1台、监控软件1套、UPS电源1套、声光报警器1套。

7.2井下分站及传感器
8KJ90NB安全监控系统要紧技术特点
8.1在系统软件方面
KJ90NB安全监控系统的软件，包括其系统主控软件、网络终端软件、报表查询处理软件、作图软件、图形工作站软件等，都在随着运算机技术和软件开发技术的进展而不断升级换代，现在的运行环境为Windows2003/2008，是目前国内煤矿安全监控系统最先进的软件之一。

1)操作方便、网络功能强大、可靠性好、支持C/S和B/S模式；支持异地远程访问，图形软件可支持矢量图方式；报表软件采纳专业的华表处理软件，可支持错误信息剔除、数据统计、按用户需求任意编排等功能；全局联网可支持WEBGIS方式，实现矿、局、市、省等各级联网。

2)在软件开发过程中采纳了先进的可视化面向对象程序设计技术、多线程、动态链接库及对象嵌入技术，使得系统的模块化程度进一步提高，系统具有更加灵活的集成方式，可适应不同用户对系统规模的要求，有专门高的扩展性和开放性。

3)由于系统运行于WIN2003/2008多任务环境，并在数据通讯方面采纳了动态链接库及多线程技术，实现了真正的实时响应及前后台监测数据的无缝链接。

4)地面中心站为开放式系统，软硬件均能够扩充，系统地面设备以全网络方式运行，运行协议为TCP/IP、NETBUL、SPX/IPX，可与企业运算机局域网实现网络互联，方便地与生产监控、工业电视和生产调度系统联网，在网上可运行任意台网络终端，同时支持终端通过服务代理的远程连接，实现监控信息的远程实时共享。

5)系统软件能与企业构筑的INTERNET/INTRANET网络环境能专门好融合，真正实现安全监控信息网络化共享（按用户权限）。

6)主控机软件有一个操纵软件包，为用户提供以选择方式编制各种自动操纵方案的功能，从而为实现远程异地自动操纵和数字逻辑运算提供可靠手段。

异地操纵与监控分站和智能传感器输出操纵组成三重操纵，从而保证气体超限断电，万无一失。

7)监控数据采纳先进的变值变态分时储备技术，储备时刻长，监控系统的历史
数据连续储备时刻可达10年以上。

8.2在系统硬件方面
1)煤炭科学研究总院重庆研究院是专业从事煤矿安全技术的专业研究院，有专门强的技术实力，具有专门的技术优势，运用于系统的井下设备在质量及性能方面在国内属一流，而且我们一直在跟踪当今先进技术，不断地完善和进展；
2)自主开发了各种型号规格的智能监控分站和电源箱，形成了三代产品6种系列，可满足不同用户需求，且在产品体积、重量、性能等方面较国内同类产品具有较大优势。

3)在各类传感器及断电器方面KJ90NB安全监控系统是国内自配套性较强的系统之一，其各类要紧传感器及断电器由自己生产制造，传感器种类齐全，断电器有多种系列能够选用，完全能满足用户的不同需要，具有专门高的性价比。

4)系统分站大容量本安电源技术：设计减流型与截流型相结合的快速反应功率安全栅爱护电路,实现大容量本安电源输出，并具有爱护自复原功能,提高本安输出带载能力。

针对《AQ6201-2006煤矿安全监控系统通用技术条件要求》，研制开发的矿用隔爆兼本安直流稳压电源，传输距离达到2.5Km以上，为矿井远距离传输节约大量电缆。

5)系统分站宽压开关电源技术：采纳高效率的单片开关电源芯片，设计宽输入高效率开关电源电路，适应矿井电网电压波动，提高电源输出带载能力。

6)系统分站备用电源智能充放电治理技术：针对矿井安全监控系统的要求，设计备用电源无缝隙交直流切换、合理的充放电爱护电路及充放电治理程序设计，提高备用电源的可靠性和使用寿命。

7)在各类传感器及断电器方面KJ90NB型煤矿安全监控系统是国内自配套性最强的系统，其各类传感器、断电器全部由自己生产制造，传感器种类齐全，断电器有多种系列能够选用，完全能满足用户的不同需要，不但如此，我们生产的各类传感器、断电器等还给国内许多系统配套，在市场上占有专门大的份额，许多传感器如瓦斯、风速、烟雾、CO等属国家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”攻关成果，具有专门高的性价比。

8)目前煤炭科学研究总院重庆研究院具有三代分站设备，每一代具有其专门的功能，能够满足不同用户的需求，同时我们的产品差不多大量在市场应用并得到用户好评。

9)全系列监控分站均具有2小时实时监控数据储备功能；均配置了标准RS485智能通讯接口，支持各种智能通讯仪器、设备直截了当接入系统。

10)系统配备的断电器均具有断电反馈功能，系统软件具有断电回控比较指令，可完全确保断电的可靠性。

11)监控分站及传感器实现了智能化，调校均采纳红外遥控方式，操作简单方便。

A.系统配备的各型监控分站均采纳高性能32位嵌入式芯片，极大地提高了系统
的运行速度和稳固性，同时全部具有监测信息“黑匣子”功能。

B.各型智能监控分站选用新型非易失性存贮器，所有数据掉电不丢失；独具的断电
次数、断电时刻、设备开停次数，开停时刻累计功能，幸免了因系统通讯线路显现故障时，误计累计时刻，累计次数的缺陷。

C.各型智能监控分站自带高精度时钟，具有各路传感器供电电压的检测功能。

D.分站具备掉电闭锁功能；当分站掉电（指交直流供电均无）时，赶忙切断与
闭锁操纵相关的设备电源并闭锁；当分站复电并工作正常、稳固运行后，自动解锁。

9KJ90NB安全监控系统的要紧功能
9.1地面中心站部分
1)数据采集功能
◆具有甲烷、风速、风压、CO浓度、温度等模拟量采集、显示及报警功能。

◆具有馈电状态、风机开停工况、风筒状态、风门开关、烟雾等开关量采集、显示及报警功能。

◆具有瓦斯抽放量监测、显示功能。

◆具有风机运行参数采集及数据、工况曲线显示及专门报警功能。

2)报警及操纵功能
◆具有甲烷浓度超限及系统专门状态声光报警和自动断电/复电操纵功能。

◆系统具有地面中心站手动遥控断电/复电功能，并具有操作权限治理和操作记录
功能。

◆系统具有异地断电/复电功能。

◆系统具有移动瓦斯泵闭锁功能：
当瓦斯泵排气口下风侧甲烷浓度达到规定时，切断瓦斯泵电源并闭锁；当瓦斯泵排气口下风侧甲烷浓度低于复电浓度时，自动解锁。

3)储备和查询功能
◆系统具有以地点、名称为索引的储备和查询功能：
4)显示功能
◆系统具有列表显示功能：
◆系统能在同一时刻坐标上，同时显示模拟量曲线和开关状态图等
◆系统具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能；能在同一坐标上用不同颜色显
示最大值、最小值、平均值等曲线
◆系统具有开关量状态图及柱状图显示功能
◆系统具有模拟动画显示功能。

显示内容包括：通风系统模拟图、相应设备开停
状态、相应模拟量数值等。

具有漫游、总图加局部放大、分页显示等方式
◆系统具有系统设备布置图显示功能。

显示内容包括：传感器、分站、电源箱、
断电操纵器、传输接口、和电缆等设备的设备名称、相对位置、运行状态等。

5)打印功能
系统具有报表、曲线、柱状图、状态图、模拟图、初始化参数等呼唤打印功能。

报表内容包括：模拟量日（班）报表、模拟量报警日（班）报表、模拟量断电日（班）报表、模拟量馈电专门日（班）报表、开关量报警及断电日（班）报表、开关量馈电专门日（班）报表、开关量状态变动日（班）报表、监控设备故障日（班）报表、模拟量统计值历史记录查询报表等。

6)人机对话功能
系统具有便利、人性化人机对话功能，便于系统生成、用户治理、参数设置修改、功能调用、操纵命令输入等。

7)自诊断功能
系统具有自诊断功能。

当系统中传感器、分站、传输通道、电源、断电操纵器、传输电缆等设备发生故障时、报警并记录故障时刻和故障设备，以供查询和打印。

8)双机切换功能
系统具有双机切换功能。

系统主机为双机备份，当工作主机发生故障时，备份主机投入工作。

9)备用电源功能
系统具有备用电源。

当电网停电后，可保证系统连续供电时刻许多于2小时。

10)数据备份功能
系统应具有监测数据人工和自动定时备份功能。

11)软件其他功能
➢系统监控主机、网络终端、图形工作站全面预装Windows2000/XP/Web 操作系统和最新版的监控软件、图形监控软件、报表处理软件、人员治理
软件及终端软件。

➢操作采纳全汉字菜单及窗口提示，配有（智能）全拼、双拼、五笔及区位码等多种汉字输入方法，人机界面友好，全面遵循Windows窗口风格，
鼠标操作，通用性好，可操作性强。

➢监测图页静态和动态编辑作图对用户开放，支持多种图形格式，鼠标和键盘均可操作。

在系统进行实时数据采集的同时，系统可进行记录、显示、分析运算、超限报警操纵、查询、编辑、动态定义、网络通信、绘制图形
和曲线并打印实时报表、超限报表和班、日、月报表等。

➢屏幕显示为页面式，图形文本兼容，每页显示的信息由用户自行定义编制，直至屏幕显示满为止，显示页可随意调出。

在监测显示画面中，可对数值、转动、位移、往返、仓位、流量、电量、人员位置信息等依照监测量实现
功能强大的模拟动画显示。

➢系统中心站及网络终端以局域网（NT）方式联网运行, 使网上所有终端在使用权限范畴内都能共享监测信息和系统综合分析信息、查询各类数据
报表，网络通信协议支持TCP/IP、NETBUI等。

➢能够在地面中心站连续集中监测处理多种环境和工况参数，模拟量和开关量可实现任意互换。

➢监控软件提供有操纵软件包，操纵逻辑可由用户设置编排。

具有井下任一分站的测点超限而由另一台分站操纵断电的异地交叉断电功能。

同时还具
有传感器就地、分站程控、中心站手控三级断电能力，同时系列分站均具
有风、电、瓦斯闭锁功能。

在紧急情形下，系统操作人员可在地面中心站向井下分站直截了当发送操纵命令，从而操纵井下电器设备的断电或声光报警。

➢系统对采集到的数据进行实时分析处理，以数值、曲线、柱图等多种形式进行屏幕查询显示和打印,并形成相应的历史统计数据(每个模拟量测点的最大值、最小值、平均值;每个模拟量测点24小时内的最大值、最小值、平均值及确切时刻;每个模拟量测点超限或故障的时刻及次数累计值;每个开关量测点24小时内的开停及故障累计次数和累计时刻), 系统采纳变值变态分时储备技术，可储备十年以上的历史数据，供有关人员随时查阅和打印。

➢系统具有专门强的自检诊断功能, 能及时发觉系统自身配置设备事故，并在屏幕上以文本或图形方式直观显示，同时发出语音自动报警，并指出故障位置和缘故。

还能在屏幕实时弹出信息窗，供爱护人员查询打印，并将其记入运行报告文件。

可查询非正常状态的开始时刻及连续时刻。

➢系统对各分站监测点的瓦斯浓度或其它模拟量参数每天形成班、日报表，并形成瓦斯浓度及其它模拟量参数的分析趋势图,可随时查询打印；开关量每天形成班、日报表。

➢联机定义或修改系统中的各种传感器、分站及操纵器的类型、安装位置及操纵通道。

对模拟量传感器的上下限报警、断电值可多级别定义。

系统配置灵活,承诺用户随时接入或删除分站、传感器、断电器。

➢系统具有良好的开发性和扩展性，集成方式灵活,用户可依照实际需要进行扩展。

可扩展接入诸如瓦斯抽放、工业电视、电网监测、人员信息等多个子系统,形成一套集安全监控、生产调度治理、局矿办公自动化网络于一体的运算机监控网络综合系统。

有广域网接口，易于形成互联网络。

➢系统表格采纳EXCEL格式，可由用户任意编排,或由矿方提供具体报表格式，以满足各监测治理数据报表的形成输出。

➢系统组态方式灵活,监控主机对分站采纳主从队列两种扫描方式,操作员按照需要对各分站安排不同的采样周期,实现对重点分站加以监控。

➢系统监测处理参数的类型丰富，模拟量有瓦斯、风速、负压、温湿度、CO、氧气、烟雾、水位、电流、电压、功率、煤位等；开关量有设备开停、风门开关、馈电状态、电网刀闸等。