广泛应用信息技术　打造本质安全型矿山

姜  建  崔  青  曲祖俊  徐本毅  李荣夫

   北皂煤矿属国有重点煤矿，是全国第一座现代化海滨矿井。北皂煤矿的计算机信息化、工业控制自动化工作经过十多年的自主与协作开发，研制成功多套独立运行的自动化控制系统，同时也在安全、生产等各个方面发挥了积极的作用，但是，各个子系统独立运行，不能实现信息共享和网络自由浏览，限制了信息的最大作用发挥。同时，随着企业的发展，各种新的系统不断被引进。如何利用各种新系统的优点，同时有充分发挥各种已建设好的系统的效能，是一个值的探讨的问题。

我们认为解决的方法就是用系统的观念和集成的观念实现整个矿井综合信息化。而要实现整个矿井综合信息化，就必须采用多种现代化信息与自动化技术，建立全矿井监测、控制、管理一体化的、基于网络的大型开放式分布控制系统，形成全矿井生产各环节的过程控制自动化、生产综合调度指挥，以保证对全矿井安全状况和生产过程进行实时监测、监视、控制和调度管理，使矿井高效集中生产，达到减员增效、降低成本，提高矿井整体生产水平，才能实现北皂煤矿信息化的建设目标。

 1  应用背景

近几年来，以信息技术为主的高新技术成果正迅速渗透到煤炭领域。发达国家的煤炭生产在实现综合机械化的基础上，正在向自动化和机电一体化迈进。煤炭工业由劳动密集向技术密集转化，从根本上改变了矿井的面貌。这一发展证明了用现代先进技术去装备和改造煤炭工业是其首要的手段，这也就为煤矿自动化技术的发展指明了方向。北皂煤矿作为我国第一个海底采煤的现代化矿井，以建设一个高科技含量的综合自动化系统为奋斗目标，将全面提升企业综合管理水平，实现岗位无人值守，从而达到减员提效、安全生产、技术保安全、技术促发展的目的。

 2  生产过程自动化在安全生产中的应用

自2004年底以来，北皂煤矿一直致力于新型数字化矿山的建设，尤其在生产过程自动化的建设上取得了显著成绩，短短三年多的时间，我们以井下防爆型工业以太环网为基础，先后建成了主皮带运输自动化控制系统、选煤厂自动化控制系统、轨道运输自动化控制系统以及排水、通风、供电自动化控制系统，这些自动化控制系统涉及到了矿山生产的每一个环节。这些自动化控制系统现已经为我矿的安全生产带来了可靠的保证和可观的经济效益。

 2.1 工业以太网络的建设

根据北皂煤矿信息化建设的要求，我们采用了三层网络，分别为管控地面以太网、100M工业以太环网、子系统现场总线监控网。

三层网络基本情况如下：

（1）管控地面以太网：该网络主要是实现对整个系统的集中控制和监视。从地理位置而言，其覆盖的范围主要是地面的控制单位部分。设计中将该网络部分的建设，主要是指包含北皂煤矿地面监控中心、网络机房建设。

（2）100M工业以太网：该网络是北皂煤矿全矿综合控制系统主干网。包括井上部分和井下部分，主干网通过隔爆兼本安型工业以太网网络交换机为全矿各个生产子系统提供方面灵活的工业以太网接口，北皂煤矿地面、井下子系统均可以方便加入。

（3）子系统现场总线监控网：该网络主要指现有的和将来的总线型监控系统。其覆盖的地理范围主要是在井下。

整个三层网络结构示意图如下：

图1 三层网结构示意图

其中，100M工业以太环网和管控以太网采用以太网口进行连接。子系统现场总线监控网通过智能分站和100M工业以太环网建立起连接。三层网络都通过防火墙和北皂煤矿的企业网连接，并利用防火墙对这三层网络进行保护。

 2.2 皮带运输远程控制系统

 2.2.1 系统概述

该系统数据是由井下的三个控制主站和八个控制分站提供上仓皮带等11条皮带的开关量和模拟量数据。数据通过环网传输到地面服务器，操作人员通过组态界面进行检测和控制。通过本系统，能够完成数据采集、传输、远程集中控制等功能，并通过相关服务器、交换设备和软件进行网络发布。

 2.2.2 系统集成

井下皮带有三个KJD5主站（为矿大自动化平台的分站，主提升运输线、西付巷运输线、东付巷运输线）。由于串口传输距离有限，实际采用的是虚拟串口。收发双方进行RS485与TCP/IP的自动转换。主站和分站实际接收和发送的是串口协议数据。若三个KJD5主站进不同的环网口（不同的IP），则三个KJD5主站的站号可为一样（01H分站），或01H分站、02H分站、03H分站，三个KJD5主站的站号在井下通过拨码开关可任意设定。

数据传输的格式、各个字节以及各个字节的某些比特都代表了一些开关量或者模拟量，因此，我们首先根据常州所提供的接入协议编写数据驱动，从环网里面接受分站发送的数据，同时负责把数据转化成协议要求的数据格式，然后从串口发送出去。另外，为了与组态软件完成交互，还必须编写一个OPC服务器。我们采用了Wintech的OPC Server开发包，它功能强大，实用性强，能够很好的完成我们的系统工作。

从虚拟串口接收KJ95分站发送过来的数据，根据系统主站提供的数据协议格式，弄清楚所属分站，提取出各个部分的数据，写入OPC服务器接收标签。从自动化信息平台接收组态软件iFix发送来的数据，把它存储到OPC服务器发送标签，然后按照KJ95协议转换成串口数据向分站发送。

硬件系统图如图2 所示，软件系统图如图3 所示。

图2 海域中央变电站自动控制系统硬件接入示意图

图3 主运输皮带自动控制系统软件接入示意图

 2.2.3 系统应用情况

该系统的成功运行，实现了井下16条主要运输皮带的远程自动控制，形成了“地面集控＋井下巡检＋定期检修”的运行模式，实现了由现场操作向地面集控、传统管理到信息控制专业化管理转变，实现了矿井模式由劳动密集型向技术密集型的转变，有力的促进了矿井生产方式的深刻变革和工效的极大提高，2006年我矿撤销了皮带工区，将皮带工区、信息中心合并，成立了信息控制中心，实现了信息控制专业化管理，为减少用人，提高工作效率，减少生产环节，实现本质安全创造了根本条件

 2.3  海域泵房远程控制系统

 2.3.1 系统概述

整个海域泵房自动控制系统由PLC控制柜、闸阀控制柜、软启动控制柜和各种传感器所构成。其中：

PLC控制柜是负责整个系统的控制程序，采用ROCKWELL  AB品牌的SLC500系列的PLC。本PLC带有以太网口可直接与交换机相连。该控制柜内有一以太网交换机与PLC、DP主站模块、操作台触摸式平板电脑、井下环网交换机相连。

闸阀控制柜，负责12台闸阀的低压配电，它与PLC控制柜相连实现对闸阀的各种控制。

操作台，实现对系统的各种设备操作及各种控制方式的转换，显示各种设备运行状态及参数，各设备故障状态的报警。操作台除各种控制按钮和显示灯外还设有一触模式平板电脑用来显示系统流程状态和报警信息。设有一16路温度寻检仪采集3台水泵电机的12路温度参数显示并上限报警。

各种传感器，液位开关和超声波液位计用来检测各水仓的液位深度；负压表用来检测真空泵排真空时真空度是否达到设定值；正压表用来检测水泵出口的压力是否达到设定值。

软启动控制柜，实现对三台水泵电机的软启动。1#软启动柜负责对1#水泵电机的软启动控制，2#软启动柜负责对2#、3#水泵电机的软启动控制。

 2.3.2 系统集成

由于PLC带有以太网接口。所以通过网线，将PLC接入到井下以太网交换机上，交换机输出信号为以太网光信号，信号在光纤中传输，在地面网络机房通过交换机实现光信号转换成以太网电信号。以太网电信号通过RJ45电口，接入到网络机房的交换机的端口上。

海域泵房硬件接入系统图如图4所示，软件接入系统图如图5所示

图4  海域泵房自动控制系统硬件接入示意图

图5 海域泵房自动控制系统软件接入示意图

 2.3.3  系统应用情况    

    该系统在北皂矿成功运行后，实现了地面远程对水泵房的自动、半自动和手动的三种控制，能够实时的显示泵房的实际情况和各种参数，操作人员可以根据画面显示的状态对泵房进行有效可靠的操控，避免了现场嘈杂的轰鸣声，从根本上改变煤矿员工的工作环境。

 2.4  海域中央变电站远程控制系统

 2.4.1  系统概述

整个海域中央变电站自动控制系统由串口服务器，SCADA 监控系统、 Factorysoft OPC构成。其中：

串口服务器安装在井下，它负责将RS485转换成以太网信号。

SCADA监控系统安装在地面上位机上，它的主要功能是地面实现高压部分的分合闸，显示各种运行参数，进行故障分析，并产生曲线图和报表，并以UDP方式对外输出数据和接受数据

 2.4.2 系统集成

在两台服务器上分别安装Factorysoft OPC服务器，根据SCADA监控系统主机的UDP设置进行数据监视，从而将SCADA监控系统主机的数据通过网线输入到两台服务器里。

海域中央变电站自动控制系统硬件系统图如图6所示，软件系统图如图7所示。

图6 海域中央变电站自动控制系统硬件接入示意图

图7 海域中央变电站自动控制系统软件接入示意图

 2.4.3  应用情况

    该系统成功运行后，变电所现场实现了无人职守，地面对变电所实现了远程的集中控制和监测，该变电所通过地面集控后，上位计算机配有声光报警功能，可以对开关发生故障跳闸做出最迅速反映，并能将故障类型直接通知现场，减少故障排除时间。该系统在我矿的运行，成功的实现了减人提效和减少故障时间，为煤矿生产提供安全保障。

 3  监测系统在煤矿生产中的应用

 3.1  安全生产监测监控系统

在煤矿安全生产中，水、火、瓦斯、顶板、煤尘等自然灾害随时可能威胁矿井安全，只有利用新技术手段将五大灾害置于科学的监测之下，采取有效措施进行管理，才能消除隐患，防止事故发生。2005年1月底我矿投入使用了KJ95煤矿安全监测监控系统，作为矿井安全生产监测监控的平台，同时将束管监测系统、瓦检员巡检系统以及顶板压力监测系统等多个安全与生产环节子系统汇接管理，实现矿井安全监测、生产监控及人员监测的统一。通过覆盖全矿井下所有作业地点的300多个测点，对井下瓦斯、一氧化碳、风速、风量、温度等安全环境参数和风门、风机、机电设备运行状况进行动态监测。井下一旦发生气体异常现象，可以适时在调度指挥中心、监控中心、计算机、手机上，显示报警信息，为安全生产提供可靠的保证。

安全生产监测监控系统的成功应用实现了瓦斯超限断电、停风断电、通风系统监控、瓦斯突出预报等功能，同时还可以对生产系统的实时运行状态和生产环境参数实施动态监测，从而杜绝或减少了矿井瓦斯爆炸等事故的发生，保障了煤矿的安全生产和矿工的生命安全。

  3.2  海域水情在线监测系统

海下采煤在中国尚属首次，没有成功的经验可以借鉴，如何保证大型水体下的安全开采，是我矿实施海下采煤面临的重要课题。为此，我矿着眼于世界海下采煤的领先技术，多次组织专家研讨会，确立并解决了以防止海水溃入等为重点的“四大安全技术课题”，尤其是针对海下采煤的特殊性，矿专门建立了国内唯一的海域水情在线监测系统。我矿海域扩大区内对开采有较大影响的含水层主要有两层，即距开采煤层煤2上40m左右的泥岩夹泥灰岩互层含水层和距煤2上60m左右的泥灰岩含水层。我们利用井上下含水层观测孔安装先进的遥测系统，将各种水情监测传感器接入KJ95N安全监测系统，现已实现对井下6个观测孔的水压、流量、水温、水位标高以及－350水仓流量的在线监测，其技术达到国际先进水平。该系统安装应用后，我们可以随时监测到各观测孔流量、水位、水压的变化情况，为海域水灾的预防和安全生产提供了可靠的依据。同时，为搞好海域各含水层水质分析，监测各含水层水质变化情况，我们建立了水质化验室，定期采集含水层水样进行水质化验和分析，对水质变化情况进行动态监测，为海域安全开采提供了有力保证。

 3.3  井下人员定位系统

煤矿从业人员结构复杂，管理落后。主要表现为：①地面与井下人员的信息沟通不及时；②地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确人员定位；③一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护效率低，搜救效果差。人员定位系统就是针对以上问题，提高井下人员、尤其是工作面施工人员及巷道内流动人员的管理水平。

北皂煤矿应用情况：2005年6月，我们应用了KJ69井下人员定位系统，实现了井下人员的定位、考勤和实时查询，可随时了解当前入井人员的数量、入井时间、当前所在区域、是否超时等信息。人员定位系统的投入使用，从根本上解决了井下人员清点难的问题，能够准确、实时、快速的在第一时间反映井下作业人员的位置，为领导决策，制定方案，及时处理事故、消除隐患，节省了时间，提高了准度、精度，也为企业的安全生产和抢险救灾提供了可靠的信息保障。同时，我们借助该系统加强人力资源管理，根据人员出入信息进行出勤考核，统计出勤率和工资分配；对加班延点、干部带班、重点岗位工上岗等情况进行在线监控，严格考核。

 4  应用信息技术带来的效果

 4.1  改变煤矿员工的生产条件

目前，煤矿行业仍是高危行业，员工从事工作的环境条件恶劣，劳动强度大。在社会上的地位，与所做出的奉献不相称，也没有得到社会的应有尊重。自动化矿井的建设，将从根本上改变煤矿员工的工作环境，实现几代人不懈努力的理想。

 4.2  提高煤矿的社会地位，树立煤矿行业和员工的新形象

矿井综合自动化系统的建设，将大幅度地降低矿工的劳动强度，极大地改善矿工的工作条件，使矿工的工作环境由过去的“苦、脏、累、险”变成现在的体力轻松，安全可靠，由粗放型模式，向精细化模式转变，由重体力劳动向轻体力、脑力劳动转变，工作条件的改变，必将促进员工形象的转变，从根本上提升煤矿员工的社会地位，提高煤矿企业的社会地位。

 4.3  实现本安煤矿的有效途径

矿井综合自动化系统的实现，必将提高系统远行质量和可靠性，能实时获取系统各种运行参数，从而实现对设备的动态管理，是以技保安全的重要手段和具体体现，也是实现本质安全煤矿的有效途径。对建设平安龙矿有着积极的意义，是煤矿安全生产、经营管理本质的变革。

 4.4  提高员工的整体素质

自动化水平的提高，对员工的业务技术水平的要求也会越来越高，系统的运行，必将促进企业员工的技术、业务素质全面提高。必将改变 “黑大傻粗”的员工形象，培养和造就大批熟练操作高科技设备的新型员工。从而提升员工的整体素质。

 4.5  为提高调度指挥提供了科学依据

由于信息化网络的应用，调度指挥中心能够实现对来自不同生产系统和生产辅助系统信息的综合处理和动态跟踪，保证各系统设备高效、经济、安全、可靠运行。通过对运行参数的分析，实现设备的最佳经济运行，使各种生产要素都置于有效的准确掌握之下，为有效调度提供了科学依据。

 4.6为抢险救灾提供了信息平台

我矿现在建立的应急救援体系，制定的各种预案均是建立在准确掌握信息的基础上。如果没有准确的信息，这一切预案均无法落实。有的煤矿在事故发生时，不能准确判定井下人数，还有的不知道井下环境的具体参数，难以决定是否采取反风、封闭等措施而延误时机等等。我矿的信息系统可以解决这一系列问题，如井下漏泄移动通讯系统和人员定位系统，可随时掌握井下人员的准确位置，井下探头可准确探测到瓦斯等有害气体等，而无需人员直接到现场检测。这些都为救灾的有效实施提供了信息保障。

 5  结论

安全是煤炭生产的头等大事，安全对煤炭生产起着保证、支撑和推动作用，我矿应用信息技术提升安全保障能力的实际说明，坚持以先进适用技术改造和提升煤炭生产安全水平，实施科技兴国、科技兴煤、科技兴安战略，建立煤矿安全生产的长效机制，是推动煤炭企业健康和谐发展的必由之路。

    作者简介：姜建，男，汉族，1981年11月24日出生，2004年7月毕业于吉林工业学院机电工程系，分配至北皂煤矿工作至今。2008年被聘任为助理工程师，现任信息中心技术员，从事矿井自动化建设和维护工作。通过全面参与北皂煤矿一流信息化矿井建设，提高矿井的现代化水平。多个项目在集团公司和矿科技大会上获得奖励， 2007年度，被评为北皂煤矿“先进科技工作者”。