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石人沟铁矿井下安全避险系统三网合一技术研究
2019-02-20
针对石人沟铁矿井下安全避险信息系统,其中人员定位系统、无线通信系统故障率 高、定位精度差、定位时效性差、通信网络可靠性差且故障扩散性强等问题。根据石人沟铁矿生产 实际,对人员定位系统及无线通信系统进行升级、集成技术改造,合理完善相关系统的软、硬件系统 和设备。采用新的三网合一理念进行方案设计和项目实施,即基于市场成熟技术,采用光纤+WiFi 通信技术实现基础网络架构,井下所有系统的数据都经由光纤+WiFi 进行传输,从而实现三网合 一。利用监测监控系统监测分站和环境传感器把井下环境参数经基础网络传输到地面。为石人沟 铁矿量身定制一套安全生产管控一体化平台,能够对生产组织协调提供帮助,并提高劳动...
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 石人沟铁矿井下安全避险系统三网合一技术研究 闫宝军 河北钢铁集团矿山设计有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 针对石人沟铁矿井下安全避险信息系统,其中人员定位系统、无线通信系统故障率 高、定位精度差、定位时效性差、通信网络可靠性差且故障扩散性强等问题。 根据石人沟铁矿生产 实际,对人员定位系统及无线通信系统进行升级、集成技术改造,合理完善相关系统的软、硬件系统 和设备。 采用新的三网合一理念进行方案设计和项目实施,即基于市场成熟技术,采用光纤+WiFi 通信技术实现基础网络架构,井下所有系统的数据都经由光纤+WiFi 进行传输,从而实现三网合 一。 利用监测监控系统监测分站和环境传感器把井下环境参数经基础网络传输到地面。 为石人沟 铁矿量身定制一套安全生产管控一体化平台,能够对生产组织协调提供帮助,并提高劳动人员管理 水平,并能在公司数字矿山发展框架下对该系统进行扩展应用。 关键词ꢀ 无线通讯ꢀ 三网合一ꢀ 安全避险ꢀ 井下ꢀ 人员定位ꢀ 监测监控 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 038 [ 4] ꢀ ꢀ 石人沟铁矿坐落在河北省遵化市,1975 年 7 月 网合一理念 进行方案设计和项目实施,三网合一 技术理念即基于市场成熟技术,采用光纤+WiFi 通 信技术实现基础网络架构,井下所有系统的数据都 经由光纤+WiFi 进行传输,从而实现三网合一。 本系统主要由井下基础网络、人员定位系统、无 线通信系统、监测监控系统 4 部分组成,见图 1。 其 中监测监控系统包括井下环境参数采集、井下视频 图像采集和井下风机控制柜。 相对来讲,井下基础 网络是整个系统的数据传输干线。 它基于 IP 协议, 传输介质采用单模光纤,具有传输距离远、抗电磁干 扰、数据网络运行稳定等特点。 建成投产,现在采矿由露天转为井下,现有“六大系 [ 1] 统” 的人员定位、 监测监控及无线通信系统于 2 013 年投入,已运行多年,由于石人沟铁矿三期安 全避险系统在建设时国家未形成统一标准,三子系 统各自独立设计建设,在运行中存在以下问题。 [2] 1)人员定位系统 。 ①定位精度差,不能满 ( 足人员定位要求;②定位时效性差,与现场实际情况 出入较大;③系统无故障自检、预警和运行日志功 能,发生故障时,检修人员无法获知,且排查故障困 难较大;④用户体验较差,作业人员没有主动使用意 愿。 [3] 2)无线通信系统 。 ①终端数量少且使用限 ( 制多;②通信网络可靠性差且故障扩散性强;③线路 故障点定位困难不宜维修。 其中人员定位,无线通信系统故障率高,3 个子 网分别独立建设,独立维护,成本高,维修难度大,根 据石人沟铁矿生产实际,对人员定位系统及无线通 信系统进行升级、集成技术改造,把监测监控系统并 入,合理完善相关系统的软、硬件系统和设备。 图 1ꢀ 三网合一系统组成 为了能够最大限度的节省石人沟铁矿在系统建 设上的投资,提高设备的利用率,并结合市场现有成 熟产品和先进技术,石人沟铁矿采用光纤+WiFi 统 一传输网络,实现人员定位系统、监测监控系统和无 线通讯系统三网合一,并为将来石人沟铁矿井下其 他数字化系统提供开放、兼容的基础网络平台。 系 1 ꢀ 系统总体介绍 石人沟铁矿井下安全避险信息系统采用新的三 ꢀ ꢀ 闫宝军(1985—),男,工程师,063700 河北省唐山市滦县响嘡 镇。 1 59 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 统结构及网络拓扑示意见图 2。 WiFi 覆盖方案,该方案具有通过无线 SSID 划分子 网并实现通信隔离的功能,通过 3 个 SSID 将 WiFi 划分为 3 个子网段,第 1 个为无线通信及人员定位 通信子网,第 2 个为监测系统通信子网,第 3 个为办 公通信子网。 无线网络安全:无线网络的接入采用 Radius 鉴 权服务器安全验证,即每个接入用户用有单独的用 户名和密码,并且用户名和密码与 MAC 地址绑定, 从而有效降低非法接入的几率。 3 ꢀ 人员定位及无线通信系统 图 2ꢀ 系统结构 石人沟铁矿人员定位和无线通信采用市场上二 2 ꢀ 井下基础网络建设 合一的设备,既可以实现定位功能,又可以实现通信 功能。 人员定位及无线通信系统主要由客户端、语 音服务器、定位服务器、UPS 电源、矿用人员定位分 站、矿用手机、矿用定位卡组成。 矿用定位卡的选型 井下基础网络主干网络未来可传输井下所有信 号数据,“一次投入、多次使用”,为将来其他子系统 改造和并网节省井下布线的成本。 [ 3] 石人沟铁矿井下采用千兆工业以太环网 拓 [ 6-9] 以减小体积和节省电能 为准则。 人员定位及无 扑结构, 由核心交换机与 5 台汇聚交换机通过光纤 组成。 线通信系统的所有数据均通过井下基础网络传输到 地面监控中心客户端。 在地表机房设置核心交换机,经过斜坡道入口 # 往下到达 180 m 水平 13 穿脉,从 180 m 水平三期副 系统组成示意图如见图 4 所示。 井上来到达地表机房形成环网。 WiFi 采用双频段 瘦 AP,防潮防腐蚀。 局端设备包括:万兆核心路由 交换机、无线 AP 管理器、服务器组及机房供电系 统,局端和终端设备间的传输层使用统一路径的光 缆、大对数通信电缆、3 层光口交换机、及 WiFi 瘦 AP 组成的主干网络连接,如图 3 所示。 能够满足大 [ 5] 型地下矿山多业务融合需要 。 图 4ꢀ 人员定位及无线通信系统组成 光纤以太网络拓扑结构:采用三层交换机对网 络进行 VLAN 划分为 5 个子网,VLAN10 为语音通 信子网,VLAN20 为监测系统( 物联网) 通信子网, VLAN30 为视频监控系统通信子网,VLAN40 为办公 网络通信子网,VLAN50 为 WiFi 覆盖专用通信子 网,并与 VLAN10 进行汇聚,5 个子网通过 VLAN 进 行隔离,实现专用数据走专用通道,保障数据的可靠 对于井下的通道来讲,其紧密闭合度相对较 [ 2] 强 。 按照石人沟铁矿井下开采现状和进度要求, 在井下区域和巷道中如井下主要巷道、交叉道口重 要位置设置一定数量的矿用人员定位分站。 一般情 况下每隔 150 m 设置 1 台,可保证网络覆盖范围内 无线手机移动通话。 下井人员每人佩带 1 个矿用定位卡,每班班长 配置一部矿用手机,当井下人员进入井下以后,在井 下无线网络覆盖范围内,矿用人员定位分站都可以 接收到信号,并上传到地面,经过软件处理,得出各 具体位置,同时可把它动态、实时显示在监控中心的 电脑上。 井上人员可随时查看井下人员的位置,实 现井下人员定位,并在定位基础上实现轨迹追踪、区 [ 4] 性 。 [ 10] 域报警、距离监测等,具有较强的可操作性 。 图 3ꢀ 光纤网络布设示意 每班班长可以在井下使用矿用手机和井下其他 无线网络划分:通过本系统拟采用华为室外 作业区班长或者地面进行通话。 矿用手机通过信号 1 60 ꢀ ꢀ 闫宝军:石人沟铁矿井下安全避险系统三网合一技术研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 衰减+平滑算法也可以实现定位、 实时监测和预 [ 11] 警 功能,并入监控中心定位与管理的服务器中。 石人沟铁矿井下通信系统利用井下的光纤+WiFi 覆 [ 12] 盖方式扩充通信距离 石人沟铁矿井下人员定位 和无线通信系统建设选用市场性价比最高的设备, 矿用人员定位分站安装在巷道或工作面,用来接收 定矿用定位卡、矿用手机的信息,并将接收到的信息 传送至网络系统,也将来自系统的的信息发送至矿 用手机上。 矿用人员定位分站实物图见图 5。 矿用 定位卡相当于“井下身份证”,所有下井人员佩戴 1 张,该卡不断地自动向通信分站发送信号,遇异常情 况时可发送报警信号,也可接收撤离通知。 矿用定 位卡实物图见图 6。 图 6ꢀ 矿用定位卡实物 矿用手机是专门为矿山井下设计的无线通话终 端设备。 通过该手机可方便实现地面和井下、井下 和井下之间通话。 该手机具有便捷、可移动性、使用 方便等特点。 矿用手机实物图见图 7。 图 7ꢀ 矿用手机实物 石人沟铁矿人员定位及无线通信系统具体选用 主要设备见表 1。 图 5ꢀ 人员定位分站实物 表 1ꢀ 人员定位和无线通信系统主要设备 人员定位管理软件 IP-PBX 语音软交换服务器 服务器 UPS(含蓄电池) 矿用本安型手机 矿用人员标示卡 矿用人员定位分站 项目 / 套 / 台 MST-01 1 / 套 C3KS 1 / 台 KT112-S1 100 / 个 KJ530-K1 300 / 台 KT112-F 350 型号规格 数量 W-ICA-VT-PL 1 4 ꢀ 监测监控系统 石人沟铁矿井下监测监控系统由监控客户端、 视频客户端、服务器、井下环境监测监控分站、环境 传感器、摄像机、风机变频器柜等设备组成。 其中环 境传感器包括风速传感器、风压传感器、温度传感 器、湿度传感器、风机开停传感器、一氧化碳浓度传 感器、二氧化氮浓度传感器、氧气传感器、大气压强 传感器。 监测监控系统组成示意图见图 8。 监测监 控系统的所有数据均是通过井下基础传输网络传输 到地面监控中心。 图 8ꢀ 监测监控系统组成 障率及误操作率。 根据石人沟铁矿现状设置井下环境传感器,在 井下各开采水平的采掘工作面、采场入口、掘进天井 处设置相应传感器。 传感器带就地显示装置,可以 现场查看数据,超过危险警戒线传感器现场会声光 报警,同时把报警信号传输到地面监控客户端,提醒 作业人员远离危险区域,确保井下人员安全。 井下 各水平环境传感器数量见表 2。 通过监测监控系统分站把井下各种环境参数采 集到地表服务器中,通过采集上来的准确数据控制 井下风机转速,达到良好通风效果,通过地表控制井 下风机减少职工下井时间。 在客户端上集成一个软 件平台,方便工作人员查看和控制,有效降低设备故 1 61 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 视频监控采用网络摄像机,通过以太网传输视 频信号,在主副井口、井下各中段采场入口、副井和 主井提升机房信号室、各中段码头门和装、卸矿点和 中央变电所等主要关键地点布置摄像机。 井下的所 有视频图像数据在地面服务器中储存 3 个月时间。 每个监测监控分站增加外延天线,使用适应恶 [ 13-15] 劣环境的 2. 4 GHz 玻璃钢全向天线 过无线传输方式接入井下基础网络。 把数据通 表 2ꢀ 井下各水平环境传感器数量 个 传感器名称 ꢁ60 m 中段 ꢁ75 m 中段 ꢁ90 m 中段 ꢁ120 m 中段 ꢁ150 m 中段 ꢁ165 m 中段 ꢁ180 m 中段 风速传感器 风压传感器 5 1 1 1 5 4 4 2 1 4 1 1 1 0 4 4 2 0 4 1 1 1 0 4 4 2 0 5 1 1 1 5 3 3 2 1 4 1 1 1 0 4 4 2 1 5 1 1 1 0 4 4 2 1 8 1 1 1 4 3 3 2 1 温度传感器 湿度传感器 风机开停传感器 一氧化碳浓度传感器 二氧化氮浓度传感器 氧气传感器 大气压强传感器 [ J]. 采矿技术,2018(1):56-58. 5 ꢀ 结ꢀ 论 本次项目改造充分考虑石人沟铁矿原有人员定 [ [ 6]ꢀ 胡ꢀ 劲,鞠ꢀ 波,杨ꢀ 素,等. 下人员定位系统设计[J]. 制造业 自动化,2018(3):30-32. 位系统、无线通讯系统,并结合石人沟铁矿井下生产 实际情况,采用人员定位、无线通讯及监测监控系统 三网合一技术方案,解决了人员定位系统和无线通 信系统存在的实际问题。 为石人沟铁矿井下安全生 产提供宝贵数据。 大大提供井下人员劳动管理水 平。 无线通讯功能通过 WiFi 网络进行通信和传输 数据,可实现井下人员及时通话沟通,能够建立井下 高效生产调度指挥系统,提高矿山井下安全生产效 率。 7]ꢀ 时志红. 矿井下人员定位系统研究与设计[ J]. 煤炭与化工, 2 017(5):142-144. 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