煤矿安全监控系统.docx
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煤矿安全监控系统
绪论
研究背景及研究意义
我国煤炭产量一直处在比较高的水平,但煤矿安全形势却不容乐观。
2007年,我国共有各类煤矿约1万多处,全国煤矿死亡人数3786人,2003年全国原煤产量17.36亿吨,死亡6434人,百万吨死亡率3.71,我国百万吨死亡率是美国的近100倍,南非的近30倍。
瓦斯灾害是煤矿最严重的灾害之一,在我国煤矿的重大灾害事故中,瓦斯事故占70%以上,瓦斯治理成为煤矿安全工作的重点,2001年至2005年2月底,全国煤矿发生一次死亡30人以上的事故28起,死亡1689人。
其中,瓦斯事故24起,死亡1558人,事故起数和死亡人数分别占85.71%和92.2%。
就在2009的2月22日,山西焦煤集团屯兰矿发生特大瓦斯爆炸事故,造成70余人死亡,给国家和人民造成了严重的损失。
虽然近几年国家对煤矿安全加大了投入力度和治理力度,但我国煤矿安全底子薄,基础差,想从根本上治理并非一早一夕之事。
无论何时,煤矿的安全生产都是煤矿企业生产过程中的重中之中。
随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视,以及煤矿企业自身现代化管理的需求,煤矿安全生产监测系统越来越体现出其重要性。
从技术和管理的角度出发,煤矿安全生产监测系统已是必然趋势。
如何利用现代化的信息技术从根本上解决煤矿安全隐患问题,从而使得各级煤矿主管部门切实承担起监督管理的职能,已经成为煤矿采掘业现代化进程的当务之急。
2005年国务院第81次常务会提出了“推广煤矿瓦斯数字化远程监控系统”的通知中,规定各煤矿必须安装煤矿安全监控系统。
针对现有监控系统五花八门,没有很好的发挥作用的现状,国家先后又制定了《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规范》(AQ1029-2007)等标准,但现有监控系统有些根本达不到标准的要求,系统经常失灵,误报警和不报警,使监控系统的可信度大打折扣。
因此,根据煤矿现场的实际情况,针对现有煤矿的缺点和不足,利用先进的技术手段对煤矿安全监控进行改进,对我国煤矿安全生产将起到积极作用。
基于以上分析,解决煤矿安全生产问题最重要的就是解决瓦斯安全问题。
本设计主要在瓦斯综合治理工作体系的“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的四个方面中的监控和管理上下功夫。
本设计研究意义如下:
1、利用现代化信息技术、控制技术、通信技术等对现有监控系统进行完善和改进,能够促进安全监控系统在煤矿安全生产中重要作用的发挥。
2、智能分站是监控系统的心脏,先进的分站设计是保证监控系统运行的最重要基础,智能分站处理能力的增强,将有助于分站性能的改善,从而减少危害事故的发生。
3、选择合适的通信方式有利于数据传输的准确性和可靠性,达到监控系统进行实时有效地监测、报警和控制,同时也能节约成本。
4、将现代的预测理论引入监控系统,使之形成状态监测、灾害预报与处理决策支持功能的智能系统,更加有效地防止灾害的发生。
同时对瓦斯涌出量预测也为监控系统智能化设计提供了新的思路。
国内外煤矿安全监控系统概况
一、国外煤矿安全监控系统的现状
随着计算机技术、数字通信技术、微电子技术、网络技术和自动化技术的飞速发展,实现了煤矿生产过程自动化、集约化和网络化生产。
开发了全矿井综合自动化监控系统,集监测、控制、通信、无线接入技术于一体,兼容专用监控系统各种功能,覆盖全矿井各生产和生产辅助环节,实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水、供电等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监测和控制。
全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MSA公司生产的DAN6400系统,德国BEBRO公司的PROMOS系统等。
二、我国煤矿安全监控系统的现状
我国煤矿起步较晚,自80年代以来,我国煤矿从欧美国家先后引进了一批煤矿安全监控系统,装备了部分煤矿。
1985年后,通过消化吸收并结合我国煤矿的实际情况,先后研制出KJ2、KJ10、KJ66、KJ95、KJ101、KJ2000、KJG2000等KJ系列监控系统。
目前,又研制出基于GIS数据库技术的煤矿安全远程监测监控系统,该系统将数据库、无线传输、GIS、数据通信等技术融合,可以实时采集煤矿井下传感器上的原始数据,动态监控瓦斯超限、风机。
本设计主要设计内容开停状态及风量,在线提供远程报警地理信息。
初步实现了危险源的在线监测和事故隐患的动态跟踪,实现了远程实时数据采集终端、组态控制、数据库存储、大型门户集成平台、超常延时免充后备电源系统等全套解决方案。
该系统建立了煤矿生产安全预警体系,使煤矿监控系统的作用更加强大。
也为煤矿安全监察部门提供了一种预防性的煤矿安全生产监察手段。
三、煤矿安全监控系统的发展趋势
随着矿井设备自动化水平不断提高,数字化矿山在全国范围内的推广,现代化的生产和管理在煤矿行业中应用,为了满足现代煤矿安全生产和信息管理的要求,煤矿监控系统朝着网络化、标准化、智能化的方向发展,并从单一监控功能向性能可靠、功能强大的全矿井综合监控信息系统发展。
1、网络化
随着煤矿规模化生产程度和监控要求的不断提高,矿井范围越来越大,由单纯的参数数据监控发展到数据、语音、图像混合监控,要求通讯网络具有良好的开发性、较大的传输带宽和距离以及多种数据传输方式(数据通信、视频语音通讯等)。
将现场监控层、信息传输层和信息管理层连成一个完善的监控网络,融合各种信息(参数数据、语音信号、图像视频等),共享系统资源和信息,实现整个煤矿矿区或更大范围的监测、控制、管理,这是煤矿监控技术发展的必然趋势。
2、标准化
信息传输系统的兼容性直接影响着各矿井进一步扩展系统功能。
通信协议不规范(即没有统一的标准)造成设备重复购置、系统受制于人和不能随意进行软硬件升级改造等后果。
为了改变标准不统一的局面,国家出台了很多规范性规程和标准对监控系统及信息传输协议等进行规范,如《煤矿安全规程》、《MT/T89922005煤矿用信息传输装置》、《矿井安全监控新标准、新规程汇编及矿井安全监控系统设计与选型手册》等,标准化和通用性是煤矿监控系统的发展趋势之一。
3、智能化
突发灾害、生产设备故障是影响煤矿安全与生产的两个主要因素。
如何对突发灾害进行预测与预报,以及对生产设备故障进行诊断是煤矿监控系统研究的难题和方向。
在监测灾害的同时,将现代的预测理论(灰色理论、混沌理论等)与专家决策智能模块引入监控系统,使之形成状态监测、灾害预报与处理决策支持功能的智能系统,更加有效地防止灾害的发生。
四、存在问题和不足
实际使用过程中,由于技术原因、管理原因、操作原因等多种主客观因素,使得煤矿监测监控系统存在一些问题。
1、通信协议不规范
在国家尚没有统一技术标准的情况下,厂家各自制定自己的通信传输协议、接口、子系统标准,通信协议不规范的后果是造成设备购置重复,不能随意进行软硬件升级的改造,信息不能共享。
严重影响了煤炭生产企业的技术进步和新技术的推广,并且妨碍了监控信息网络化的实现。
2、智能分站不先进
在整个监控系统中监控分站是核心设备。
实际应用中,该核心设备中的数据因为受现场环境条件的影响、受数据采集技术、数据分析和处理技术的制约,分站的设计还不够符合实际。
3、智能化水平不高
这些矿用监测监控系统均是综合型监测系统,但侧重于安全参数的监测和控制,大多仅限于故障、警情提示,对监测信息做简单处理,不能详细地判断警情的性质,因此无法由监测系统进行危险性评价,也无法进行事故预警。
4、系统误报
由于系统原因、电磁场干扰、线路、传感器故障或可靠性差、电源故障等,都会造成系统在实时监测中不定时地出现“误报”问题。
本设计主要内容:
针对以上问题,本设计主要对以下内容进行了研究:
1、对现有安全监控系统进行分析基础上,分析现场总线特点及使用范围,针对实际情况选择合适的总线和网络结构,并制定相应的通信协议。
2、针对监控系统缺少智能化预测功能,研究BP神经网络的基本原理及瓦斯涌出量预测功能实现,并根据实际数据检验预测模型。
3、在广泛调研现有监控分站的基础上,结合实际情况建立ARM微处理器和51微处理器双核智能分站,来增强监控分站的性能。
并对智能分站的硬件和软件进行研究。
4、对监控系统的软硬件的抗干扰技术进行研究,以减少本监控系统的误报警,增强系统的可靠性。
第一章、系统总体设计方案
1.1系统工作原理
本系统由本地煤矿监控系统、GPRS通信系统和远程监程中心组成,统结构框图如1-1所示。
图1-1系统结构图
本地监控系统是采集环境安全数据的基础,由井下和地面两部分组成,是一种基于CAN总线型结构的微机监控系统。
地面部分包括监控主机、GPRS发射模块等;井下部分由各井下智能分站、传感器、执行器等部分组成。
井上监控主机与GPRS模块之间采用串行接口通信进行数据传输,远程监控中心不需要GPRS模块,但需要申请固定的IP地址。
监控主机不断地接收井下智能分站的数据,然后将数据打成IP包,再通过GPRS无线接入到GPRS网络,最终通过各种网关和路由器到达系统数据中心,从而可以通过GPRS网络与监控中心建立连接,远程监控中心可以接收运行数据并进行分析、处理、存储,可以做到统一协调、分配、管理一个区域的煤矿。
当本地监控系统监测到有危险则立即报警,并将报警信息发送到远程监控中心,同时将报警信息通过短信的形式发送到相关人员和管理者手机上,使相关人员能够迅速做反应,并采取相应措施。
此外,远程监控中心也可以向各煤矿监控系统发送指令,查询各煤矿监控情况,从而达到远程监控目的,也使政府对矿井安全生产状况能够有效的监管。
1.2系统信息处理
监控系统的信息处理集中在井下分站(智能分站)和地面主站(监控主机),处理过程如下:
1、实时控制
工作在系统末稍的是各种传感器,甲烷传感器实时将检测到的信号传送给监控分站,当现场浓度达到设定断电值后,监控分站立刻向近程和远程断电器发出控制命令,仪器可立刻实现断电和闭锁控制。
甲烷传感器本身除了有声光报警信号外还有一级独立的断电信号输出,可就地完成断电和报警任务。
该控制是双重的以保障系统实时快速响应。
智能分站控制启动伐值(断电点)可由红外遥控设定,或由地面主计算机置入。
智能分站与地面主计算机因故脱机后,实时控制功能不受影响,可独立完成断电、闭锁、报警等功能。
2、过程控制
监控系统可以通过传输网实现远程设备的启停、异地断电、地面遥控断电等多种复杂智能的控制功能。
异地断电依赖于系统网络存在,执行速度稍有延迟。
3、自诊断控制
系统具有辅助故障诊断功能,当系统井下设备中传感器发生断线、分站地址重码、传感器电源故障、交流电停电、信号中断等故障时,系统能够显示报警。
4、数据库存贮
系统数据存储采用数据库形式,实时数据每1分钟存储1次,超限数据即时存储,增加了存储密度,方便检索、方便分析。
5、网络共享监控主机数据功能
系统通过GPRS网络,远程监控中心可以方便地共享监测主机数据。
在局域网内,用户通过网络终端程序可以完全共享监测主机数据库。
网络终端用户可以完整地查看当日或历史的日报表、24小时曲线等。
还可以同步地反映监测主机的实时监测信息。
在广域网上,用户可以简单地通过浏览器来查看监测主机数据库中的数据。
系统通过设置网络文件夹的密码和数据库的密码来保障系统数据的安全。
1.3系统通信
首先设计井下通信。
现场总线是应用在生产现场的测量控制设备与主控站之间实现双向串行节点数字通信的信息通道,也被称为开放的、数字化、多点通信的底层控制。
现场总线的出现导致了新型的网络全分布控制系统的出现,即现场总线系统(FCS)的出现。
传统的模拟监测监控系统采用一对一的设备连线,各回路分别进行连接,位于现场的测量变送器与位于监控室的监测设备之间是点对点的连接。
现场总线监测监控系统由于采用了智能监测监控设备,能够把原来SCADA系统中处于检测监控点的现场测量变送仪表、传感器等信号采用总线的
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