煤矿安全监控技术

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1、煤矿安全监控技术山东科技大学 程学珍Shandong Univrsity o Science And hnolog 煤矿安全监控技术程学珍，教授,博士，山东科技大学信息与电气工程学院山东科技大学检测技术研究所所长主要研究方向：.新型矿用传感器理论与技术2.安全检测监控技术及系统.粉尘检测技术 主要内容第1章 煤矿监控系统第2章 矿用新型传感器第3章 矿用工业总线第4章 工业以太网煤矿综合监控系统第章 矿井粉尘浓度在线检测监控系统第章 矿井通风信息化管理系统第7章其他新型监控系统第1章 煤矿监控系统监控系统含义1.1监控系统发展概况12监控系统分类特点/作用/存在问题.3.监控系统通用要求1.矿

2、井安全监控系统规定第1章煤矿监控系统.1 煤矿监控系统含义煤矿监控系统是为了煤矿安全和正常生产而进行的各种有关参数或状态的集中监测，并对有关环节加以控制，是保护采掘、运输、通风、排水等主要生产环节安全运行的重要大型设施。该系统包括矿井环境安全监测和矿井生产（及设备、工况等)监控。矿井环境安全监测用于监测影响生产安全和矿工人身安全的井下环境因素;矿井生产监控系统用来监控煤炭生产主要设备的工况。具体是指具有模拟量、开关量、累计量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能,用于煤矿通风安全及生产环节监控的系统。包括煤矿安全监控系统、煤矿瓦斯抽采（放）监控系统、煤矿轨道运输监控系统、煤矿

3、胶带运输监控系统、煤矿供电监控系统、煤矿排水监控系统、煤矿火灾监控系统、矿山压力监控系统、煤与瓦斯突出监控系统、人员位置监测系统等。 12 矿井安全监控技术发展概况矿井安全生产监控技术是伴随煤炭工业发展而逐步发展起来的。815年,英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器瓦斯检定灯。2世纪3年代日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直延用至今40年代美国研制了检测瓦斯气体的敏感元件铂丝敏感元件。194年,英国采矿安全研究所（SMRE）制成了最早的载体催化元件。60年代以后,主要产煤国家都把发展载体催化元件作为瓦斯检测仪器的主攻方向。电子技术的进步推动了瓦斯监测装置的进一步发展,首先是研制小型化个人携带式仪器,

4、以后是瓦斯监控系统，如70年代后期法国研制的CTT63/40监控系统、英国的INO系统、美国的SAA系统等。国外四段论:国外煤矿监测监控技术的发展是20世纪60年代开始发展起来的,至今已经有四代产品,基本上10a更新一代产品。从技术特性来看,主要是从信息传输发生的进步来划分监控系统发展阶段的。第一代采用空分制来传输信息。6年代中期英国煤矿的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术。波兰在70年代推出了可测瓦斯、CO、风速、温度等参数共28个测点的CMC-1系统。第二代频分制信息传输传输信道的电缆芯数大大减少,很快就取代了空分制系统。其中最具代表性且至今仍有影响的是西德iems公司的

5、TST系统和F200系统。（以晶体管电路为主的信息传输）第三代 时分制信息传输其中发展较快的是英国。1976年,英国煤矿研究院推出轰动一时的以时分制为基础的MINOS煤矿监控系统，并在胶带输送、井下环境监测、供电供水监测和洗煤厂监控等方面取得成功，形成了全矿井监测监控系统。(以集成电路为主的信息传输)第四代以分布式微处理机为基础0年代，美国以其拥有的雄厚高新技术优势,率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新技术用于煤矿监控系统。美国MA公司DAN6400系统、霍尼韦尔监控系统。我国二段论第一阶段80年代初,原煤炭部组织了对国外煤矿监控技术进行大规模的考察和引进工作,大大促进

6、了国内监控技术的发展。先后从波兰、法国、德国、英国和美国等(如AN6400、TF200、MINOS和Stuo-0、霍尼韦尔)引进了一批安全监控系统,装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况,研制出KJ1（重庆）、KJ2(常州自动化研究所)，KJ3（轨道系统)KJ等系统并进行了鉴定。我国二段论第二阶段0年代以来,紧跟世界监测监控系统的发展潮流,研制开发出了一批具有世界先进水平的监控系统,如煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90系统、煤炭科学研究总院常州自动化研究所的KJ95系统等。主要特点:1)分站的智能化进一步提高;)具有网络连接功能;3）软件采用了ndos操作系统。同

7、时,在“以风定产,先抽后采,监测监控”12字方针和煤矿安全规程有关条款指导下,规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此,大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现,为用户提供了更多的选择机会,并促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。实践表明,安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用。(1)早期的矿井监控系统矿井监控系统是由单一甲烷监测和就地断电控制的瓦斯遥测系统及简单的开关监测模拟调度系统发展而来。瓦斯遥测系统是用来监控井下环境中甲烷浓度的监控系统，并具有瓦斯超限声光报警和断电功能。瓦斯遥测系统一般由甲烷传感器、断电仪、遥测

8、仪和记录仪组成.如下图所示。图11 早期的矿井监控系统具 体甲烷传感器功能）将被测甲烷浓度转换为电信号送至断电仪;2)具有甲烷浓度显示和甲烷浓度超过报警浓度后声光报警功能;3)甲烷传感器至断电仪最大传输距离为1km，采用3芯或4芯矿用信号电缆（l芯用做信号线、芯用做地线、1芯用做断电仪向传感器供电)；4）模拟基带信号传输(电压型、电流型或频率型)。 断电仪功能1)对甲烷传感器送来的甲烷浓度信号进行调制,将调制后的信号经芯矿用信号电缆远距离传送至位于地面的遥测仪;2）由于断电仪至遥测仪之间距离较远（可达10m)，为减少电缆用量，降低系统成本，便于系统安装与维护，断电仪至遥测仪之间采用频分多路复用

9、,复用路数一般为5-10路；3）断电仪同时对接收到的甲烷浓度信号进行判别,若超过断电浓度,则通过控制继电器切断被控区域的动力电源,并实现闭锁;4）断电仪还兼作电源、将井下电网的交流电转换为断电仪和传感器所需的本质安全型直流电源。遥测仪功能1)对接收到的调制信号解调后显示；2）当甲烷浓度超过报警浓度时,发出声光报警信号;）记录仪将甲烷浓度实时记录下来。瓦斯遥测系统主要技术特征1）单一甲烷监测2）就地断电控制3）声光报警)数码管或模拟表头显示、多笔记录仪记录5)频分多路复用、单向模拟传输6)树形网络结构7)采用分立组件或中小规模集成电路。在发展甲烷遥测系统的同时，为了保证轨道运输、提升运输、胶带运

10、输等运输系统的安全,提高生产率和设备利用率，推广应用了模拟盘调度系统(图1-2)。例如:用于轨道运输监控的信、集、闭系统。用于提升运输监控的信号系统和用于胶带运输监控的信号系统等。模拟盘调度系统1)采用集中监控,每路信号使用一对电缆芯线接至总控制台2)总控制台使用指示灯显示设备状态）为形象直观，常常将设备图形等制成背景，在被监控的设备处设置指示灯。系统技术特征：1)单一开关量监控)继电器闭锁控制3）一对一模拟传输4)模拟盘指示灯显示5)星形网络结构6）采用分立组件或中小规模集成电路。 图-模拟盘调度系统（2)单方面多参数矿井监控系统上述单参数系统虽在煤矿安全生产、提高生产率和设备利用率方面起到

11、了重要作用,但由于这些系统监测参数单一、监测容量小、电缆用量大、系统性能价格比低,因此难以满足煤矿安全生产的需要，特别是随着采煤机械化程度的提高,对矿井监控系统提出了越来越高的要求。为适应机械化采煤的需要，矿井监控系统由早期的单一参数监测系统,发展为多参数单方面监控系统。这些系统均针对某一方面的多参数监控,包括环境安全监控系统、轨道运输监控系统、胶带运输监控系统、提升运输监控系统、供电监控系统、排水监控系统、矿山压力监控系统、火灾监控系统、水灾监控系统、煤与瓦斯突出监控系统、大型机电设备健康状况监控系统等。环境安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、

12、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主要通风机开停、工作电压、工作电流等,并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。轨道运输监控系统主要用来监测信号机状态、电动转撤机状态、机车位置、机车编号、运行方向、运行速度、车皮数、空(实)车皮数等,并实现信号机、电动转辙机闭锁控制、地面远程调度与控制等。胶带运输监控系统主要用来监测胶带速度、轴温、烟雾、堆煤、横向撕裂、纵向撕裂、跑偏、打滑、电机运行状态、煤仓煤位等，并实现顺煤流启动、逆煤流停止闭锁控制和安全保护、地面远程调度与控制、胶带火灾监测与控制等。提升运输监控系统主要用来监测罐笼位置和速度、安全门状态、摇台

13、状态、阻车器状态等，并实现推车、补车、提升闭锁控制等。供电监控系统主要用来监测电网电压、电流、功率、功率因数、馈电开关状态、电网绝缘状态等，并实现漏电保护、馈电开关闭锁控制、地面远程控制等。排水监控系统主要用来监测水仓水位、水泵开停、水泵工作电压、电流、功率、阿门状态、流量、压力等，并实现阀门开关、水泵开停控制、地面远程控制等。火灾监控系统主要用来监测一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、温度，压差、烟雾等。并通过风门、风窗控制,实现均压灭火控制、制氮与注氮控制等。矿山压力监控系统主要用来监测地音、顶板位移、位移速度、位移加速度、红外发射、电磁发射等，并实现矿山压力预报。煤与瓦斯突出监控系统主

14、要用来监测煤岩体声发射、瓦斯涌出量、工作面煤壁温度、红外发射、电磁发射等,并实现煤与瓦斯突出预报。大型机电设备健康状况监控系统主要用来监测机械振动、油质量污染等，并实现故障诊断。系统一般由传感器、执行机构、分站、电源箱(或电控箱)、主站(或传输接口)、主机(含显示器)、打印机、模拟盘、多屏幕、UPS电源、远程终端、网络接口电缆和接线盒等组成,如图-3所示。图13 矿井监控系统路由器电视墙等主机主机数据服务器文件服务器管理工作站管理工作站主站分站分站执行机构电源电源传感器传感器执行机构图1-4 矿井监控系统组成框图广域网电话网传感器功能：）将被测物理量转换为电信号；2)经芯或4芯矿用电缆(其中1

15、芯用于地线、1芯用于信号线、1芯用于分站向传感器供电）与分站相连；)具有显示和声光报警功能(有些传感器没有显示或没有声光报警功能）。执行机构(含声光报警及显示设备功能：）将控制信号转换为被控物理量;)使用矿用电缆与分站相连。分站功能：)接收来自传感器的信号；2）按预先约定的复用方式(时分制或频分制等）远距离传送给主站（或传输接口）;3)接收来自主站（或传输接口)的多路复用信号（时分制或频分制等);)具有线性校正、超限判别、逻辑运算等简单的数据处理能力，对传感器输人的信号和主站（或传输接口)传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。传感器及执行机构距分站的最大传输距离一般不大于2k。因此，一般采用

16、星形网络结构(1个传感器或1个执行机构使用根电缆与分站相连）单向模拟传输。分站至主站之间最大传输距离达10km。为减少电缆用量、降低系统电缆投资、便于安装维护、提高系统可靠性，通常采用芯（用于单工或单向)、芯或4芯(用于双向）矿用信号电缆时分制或频分制多路复用(也有采用码分制),树形网络结构或环形网络结构或树形与星形混合网络结构串行数字传输(基带传输或频带传输,异步传输或同步传输)。电源箱功能1）将井下交流电网电源转换为系统所需的本质安全型直流电源,2)具有维持电网停电后正常供电不小于2h的蓄电池。主站功能1）接收分站远距离发送的信号，并送主机处理;2)接收主机信号，并送相应分站。具体主要完成

17、:地面非本质安全型电气设备与井下本质安全型电气设备的隔离，还具有控制分站的发送与接收、多路复用信号的调制与解调、系统自检等功能。主机功能1)一般选用工控微型计算机或普通台式微型计算机、双机或多机备份。)主机主要用来接收监测信号、校正、判别、数据统计、磁盘存储、显示、声光报警、人机对话、输出控制,控制打印输出以及与管理网络连接等。投影仪、模拟盘、大屏幕、多屏幕、电视墙用来扩大显示面积，以便于在调度室远距离观察。管理工作站或远程终端一般设置在矿长及总工办公室，以便随时了解矿井安全和生产状况。数据服务器是主机与管理工作站及网络其他用户交换监控信息的集散地。路由器用于企业网与广域网及电话线网等协议转换

18、、安全防范等。单方面多参数矿井监控系统技术特征传感器及执行机构采用星形网络结构与分站相连、单向模拟传输;分站至主站间采用树形、环形或树形与星形混合网络结构。多路复用（时分制、频分制或码分制)、单工或双工(个别系统采用单向),串行数字传检基带传输或频带传输、异步传输或同步传输）;采用微型计算机（含单片机）、大规模集成电路、固态继电器及大功率电力电子器件、投影仪、大屏幕、模拟盘、多屏幕、电视墙等，具有彩色显示、磁盘记录、打印报表、联网等功能。单方面多参数矿井监控系统主要作用解决了机械化采煤的急需。单方面多参数矿井监控系统存在主要问题控制功能差、通用性差、性能价格比低等问题。这既不符合监测与控制并重

19、、硬件通用、软件组态、现场总线监控与多媒体的发展趋势，又难于满足煤炭高产、高效、安全生产的需要。主要表现在如下几个方面:（1)现有矿井监控系统均针对某一监控对象而开发为单一的环境安全、轨道运输、胶带运愉、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等专用监控系统,从而造成硬件不通用、软件不兼容、信道不共享、信息不共享。若一个矿井实现全面监控，则需要装备环境安全监控、轨道运输监控、胶带运输监控、提升运输监控、供电系统监控、排水系统监控、矿山压力监控、煤与瓦斯突出监控、大型机电设备健康状况监控等数个互不兼容的系统,从而造成设备重复投资、电缆重复敷设、维护人员重复设置，

20、浪费大量人力、物力和财力。（2)现有矿井监控系统均在同一水平上重复开发.若需进行新领域的监控，又需重新开发，开发周期长，在开发过程中又浪费大量的人力、物力和财力。（3）现有矿井监控系统均没有将数据、文字、声音、图像等多种媒体有机地结合在一起，难以提高信息的利用率。(4)现有矿井监控系统均没有针对矿井机电一体化和移动监控进行研制,这主要表现在没有用于机电一体化、体积小，功能齐全的本质安全型嵌入式智能监控站和便携式仪器接入的移动测控网。（5)现有矿井监控系统的通信协议均自我定义,互不兼容,没有一个符合矿井电气防爆等特殊要求的总线标准,从而造成不同厂家的设备无法接入,无法共享传输电缆。 （）现有矿井

21、监控系统均为主从式传输,如图5所示该种传输系统的可靠性受地面主站设备和主干电缆影响很大，当地面主站设备或主干电缆发生故障，将会造成整个系统瘫痪。该种传输方式用于环境安全、轨道运输、胶带运输、供电系统等单方面监控时，一般不会出现主站“瓶颈”效应,但当用于全矿井多方面综合监控时,由于信息量的增加,必然会出现严重的主站“瓶颈”效应。当然,也可以通过提高传输速度的方法来避免或减少“瓶颈”效应，但通过进行的理论分析和试验结果表明，系统传输距离为10km时,最大传输速率为480bits(在无中继条件下)。这说明,在全矿井综合监控系统中,靠提高传输速率解决主站瓶颈效应是没有出路的。图-5 主从式矿井监控系统

22、（7）现有矿井监控系统软件均为某一特定系统开发,通用性差，难以满足环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出，大型机电设备健康诊断等多方面综合监控的需要。（8）现有分站均是为某一监控目的而开发的,功能单一，用户难以通过简单的操作实现环境安全、轨道运输、胶带运输等多方面底层监控的目的。（9)现有传感器及执行机构,一般采用星形结构与分站连接(除个别系统外)如图16所示.这样虽然可使用一根多芯电缆既给传感器及执行机构供电又传递信号,但由于电缆复用率低，需敷设大量的电缆,既增大了系统投资，又不便于系统维护。图-6 传感器及执行机构采用星形结构与分站链

23、接(10）现有传感器及执行机构一般需经分站接入系统(除个别外）,这样虽然便于分站实现就地控制，但当个别传感器和执行机构离分站较远而离系统电缆较近时，就显得十分不合理,既不便子系统维护，又增加了系统电缆投资。()现有传感器输出信号为模拟信号(频率型、电流型和电压型)和开关量信号，很难实现传感器及执行机构的电缆多路复用。(2)现有传感器的电路均针对某一种传感组件设计,仅能实现标校、显示、声光报警、信号输出等基本功能,不能实现同一电路配接不同传感组件,也不能实现多参数监测。（13)现有传感器的控制功能特别是地面远程控制功能，难以满足减少井下危险环境从业人员数量的需要。我国煤矿监测监控系统的发展趋势(

24、1）发展全面的监测监控专家系统目前,我国有0余家生产监测监控系统的公司或院所,其产品主要是监测环境安全参数,实现报警或断电控制，对生产设备的监测监控限于对设备的开停状态进行监测,与煤炭生产全过程实行监测监控差距还较大。在软件技术上应研究开发能根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家解决方案,在事故情况下，指示最佳救灾和避灾路线,为抢救和疏散人员、器材提供决策。同时系统软件应向网络化发展，按统一的格式向外提供监测数据。发展覆盖面更广，监测监控参数更多的软硬件系统,为实现煤矿生产综合自动化奠定良好基础,是我国监测监控系统的发展任务之一。（2）研制高可靠性、品种齐全的矿用传感器目

25、前,国产监控系统的配套传感器,主要存在两大问题:一是品种不全，用于监测环境参数的传感器较多,而用于监测生产设备工作运行状况参数的传感器少;二是现有的传感器不同程度存在精度差、可靠性不高的缺陷。特别是用于瓦斯综合治理和灾害预测的甲烷传感器,一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁的缺点,严重制约着矿井瓦斯的支持检测。在研制新型传感器时应高起点、高智能化,应充分利用微处理器的优点,做到自诊断、自校正、自调零、配置标准远传接口，统一传感器的输出信号制,以提高传输的可靠性、数据出来的简单性和传感器的互换性。发展配置齐全、高可靠性的矿用传感器是监控系统发展的关键技术之一(3)合理的规范通信协议现有厂

26、家的监控系统几乎都采用各自专用的通信协议,互不兼容。目前,信息传输系统的兼容性已成为装备监控系统的各集团公司、矿井进一步引进和扩充系统功能的制约因素。有些矿井为了安全生产的需要,在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下,不得不选择其他的系统。由此,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改造。制定统一的专业技术标准，对促进矿井监控技术发展和系统的推广应用具有十分重要的意义。()实现全面化的网络管理虽然现在许多矿建立了局部的计算机网络系统,实现了本矿井的资源共享,但大多还处于一矿一系统,与外界几乎没有联系,其功能和任务也极其简单。今后的发展趋势是各生产矿井与矿务局、各矿务

27、局与本省乃至全国煤矿系统构成统一完整、功能先进的计算机网络系统,真正实现更大范围的煤矿资源共享。具体:发展全矿井综合自动化监控系统全矿井综合自动化监控系统是矿井监控系统的发展方向，是一种既可用于环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等全面综合监控，又可实现某些或某个方面监控的多参数、多功能监测与控制并重以及就地自动控制与地面人为远程控制结合的系统。全矿井综合自动化监控系统:智能传感器智能监控站调度管理网络等组成,如图1所示。图- 全矿井综合自动化监控系统智能传感器全矿井综合监控系统的传感器(简称智能传感器，含执行机构)与现有

28、传感器相比具有以下不同之处：1电路通用智能传感器的电路是通用的,可配接各种不同的传感组件（含敏感组件）,当用于不同被测物理量时,只需更换传感组件。并且同一个传感器还可同时接入多个传感组件构成多参数传感器（如甲烷与风速二参数传感器、一氧化碳与温度二参数传感器等)。通用电路首先方便了用户维护。现有系统维护人员为了维护系统须了解几种甚至十几种传感器电路原理，这就要求维护人员具有较高的业务水平和丰富的维护经验,由于维护人员业务水平的差异，难以实现每一位维护人员均能及时处理故障和及时维护的要求。多种电路还造成备品备件种类繁多，不便于配备的困难。智能传感器使用一种通用电路,便于维护人员集中精力、深入细致地

29、掌握电路原理,达到每一位具有一定电路基础的维护人员均能及时处理故障的要求，从而保证系统的正常运行。同时由于电路统一、备用组件种类少,也便于备件的准备。通用电路由小信号检测与放大电路、A/D转换器(可选带A/D转换器的单片机、单片机最小系统（含程序存储器、数据存储器、时钟电路、复位电路、看门狗电路等)、显示电路、声光报警电路、信号输出电路等组成,如图1-8所示。图18 智能传感器2数字信号传输与多路复用智能传感器采用数字信号传输。多台传感器共享一根多芯电缆连接成树形结构，与智能监控站相连。当传感器远离智能监控站而靠近系统传输电缆时，智能传感器可直接接系统电缆,如图19所示。图9 智能传感器直接接

30、系统电缆现有传感器没有采用数字信号输出和多路复用，主要是因为现有传感器采用单片机的较少，实现时分多路复用困难。另一个原因是早期传感器耗能大,一对芯线只能为一台传感器供电。例如:早期甲烷传感器工作电流为0mA、传感器输入电压为V,若由4V本安电源供电。供电电缆环路电阻为2/km,其供电距离为（24-7）/（.3 26）=2.8m。若向2台传感器供电,则供电距离仅为1.09km,不满足km传输距离的要求。而目前传感器的工作电流一般不大于100mA,特别是一些温度、开关量等传感器工作电流不大于10A，从而解决了一对芯线为多台传感器远距离供电的问题。因此,传感器电缆复用路数,并不取决于监测周期、传输速

31、率和地址编码，而取决于传感器的供电电流,这就给传感组件降低消耗提出了新的要求。3.就地控制智能传感器传输的串行数字信号除数据(模拟量传感器）或状态(开关量传感器)外,还有报警、断电等控制信号。接在同一条总线上的执行机构(如声光报警和断电设备）根据收到的控制信号（如报警和断电信号),执行相应的操作（如发出声光报替和断电控制)。传感器直接控制执行机构，较经分站控制执行机构具有执行速度快、可靠性高等优点。当分站发生故障时,仍可执行一些基本的控制。智能监控站智能监控站是全矿井综合监控系统智能现场设备,其功能类似于现有系统分站，具有信号采集、控制、与主站(或上级智能控制站)双向数据传输等功能,但又不同于

32、现有系统分站，主要体现在以下几个方面：（1）与传感器（含执行机构)信号传输采用数字传输，多路复用,同时,也解决了模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出4种监控量互换的问题，适用于各种监控。（）采用组态软件技术，解决了分站软件通用问题。用户只需要根据不同的监控对象和目的，像搭积木一样,利用分站本身提供的传输、数据处理、控制等模块,组成相应的监控软件.实现环境安全、轨道运输、胶带运输、供电等监控，而用户不需学习繁杂的编程方法。（3）采用现场总线技术。解决通信协议不通用、不同的分站难以接入同一系统、主从式通信等问题，提高系统的可靠性。调度管理网络调度和管理人员是通过调度管理网络与系统进行信息

33、交换的,其功能类似于现有系统的中心站和远程终端,具有系统初始化、显示、打印、存储、控制干预等功能,但又不同于现有中心站和远程终端,这主要体现在以下几个方面: (1)采用计算机网络将工作在生产调度室、通风调度室、矿长办公室和总工办公室等的许多工作站联系在一起。较采用终端方式更加灵活方便,信息利用率高。在工作站上,可利用网上的生产、安全、销售、财会等多方面信息。当然，也可通过授权限制某些用户对信息资源的利用。（)采用组态软件技术，解决了中心站软件通用问题。用户只需要根据不同的监控对象和目的，利用智能监测站提供的模块，组成相应的监控软件，实现综合监控。 (3)网络设备由工作站（含多屏幕工作站、多媒体

34、工作站)和服务器等组成。一般采用以太网、快速以太网、交换式以太网和AT。 智能传感器和智能监控站一般采用树形网络，以适应井下巷道布置的特点。在连接方式上,可采用单层网络，也可采用多层网络，以满足不同矿井、不同监控的要求。图1-10煤矿安全监控系统图1-11煤矿安全监控系统（5N)1.3 矿井监控系统分类特点作用.分类按监控目的分：如供电、火灾、煤与瓦斯突出、胶带运输监控系统等。按使用环境不同分:可分为防爆型（本质安全型、隔爆兼本质安全型和隔爆型等）、矿用一般型、地面普通型和复合型系统等。按复用方式不同分:如频分、时分、码分和复合复用方式系统等。按采用网络结构分:如星型、环形、树型、总线型和复合

35、型系统等。按信号传输方式分:单、双工和环形系统等。按传输信号不同分：模拟和数字传输系统等。按调制方式分:如基带、调频和调相系统等。按同步方式分:同步和异步系统。按监控目的分类:（1）煤矿安全监控系统（2）煤矿瓦斯抽采(放)监控系统（）煤矿轨道运输监控系统 （4)煤矿胶带运输监控系统()提升运输监控系统（）煤矿供电监控系统（7）煤矿排水监控系统(）煤矿火灾监控系统(9)矿山压力监控系统（10）煤与瓦斯突出监控系统(11)人员位置监测系统（12）综合监控系统全煤矿综合自动化监控系统1、矿井安全监控系统 2、人员定位系统3、压风自救系统 、供水自救系统5、矿山通信联络系统 6、紧急避险系统7、风水管

36、路在线检测系统8、矿井粉尘检测监控系统9、矿井水文监测报警系统 10、压风机综合检测监控系统、通风机检测监控系统、主井提升子系统13、副井提升子系统 1、矿井洗煤厂系统15、K变电所监控系统16、原煤计量系统1、泵房排水监控系统 18、工业电视监控系统9、井下污水自动处理系统 20、火灾逃生训练系统21、井上综合防尘监控系统 22、井下绞车间隙控制系统23、煤岩声发射监测系统、瓦斯防治导航系统25、井下主运输胶带机集中控制系统 6、矿井通风信息智能化管理系统27、输送带上煤含水分检测监控系统1.3.2 矿井监控系统特点煤矿井下是一个特殊的工作环境，有易燃易爆可燃性气体和腐蚀性气体,潮湿、淋水、

37、矿尘大、电网电压波动大、电磁干扰严重、空间狭小、监控距离远。因此,矿井监控系统不同于一般工业监控系统，矿井监控系统同一般工业监控系统相比具有如下特点：（1)电气防爆。一般工业监控系统均工作在非爆炸性环境中,而矿井监控系统工作在有瓦斯和煤尘爆炸性环境的煤矿井下。因此,矿井监控系统的设备必须是防爆型电气设备,并且不同于化工、石油等爆炸性环境中的工厂用防爆型电气设备。 （2)传输距离远。一般工业监控对系统的传输距离要求不高，仅为几千米,甚至几百米,而矿井监控系统的传输距离至少要达到1千米。(3)网络结构宜采用树形结构。一般工业监控系统电缆敷设的自由度较大，可根据设备、电缆沟、电杆的位置选择星形、环形

38、、树形，总线形等结构。而矿井监控系统的传输电缆必须沿巷道敷设，挂在巷道壁上。由于巷道为分支结构,并且分支长度可达数千米。因此,为便于系统安装维护、节约传输电缆、降低系统成本宜采用树形结构。 （4)监控对象变化缓慢。矿井监控系统的监控对象主要为缓变量，因此，在同样监控容量下,对系统的传输速率要求不高。 (5)电网电压波动大,电磁干扰严重。由于煤矿井下空间小，采煤机、运输机等大型设备启停和架线电机车火花等造成电磁干扰严重。(6）工作环境恶劣。煤矿井下除有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性气体外,还有硫化氢等腐蚀性气体，矿尘大、潮湿、有淋水、空间狭小。因此，矿井监控设备要有防尘、防潮、防腐、防霉、抗机械冲击

39、等措施。 (7)传感器（或执行机构)宜采用远程供电。一般工业监控系统的电源供给比较容易,不受电气防爆要求的限制。矿井监控系统的电源供给，受电气防爆要求的限制。由于传感器及执行机构往往设置在工作面等恶劣环境，因此,不宜就地供电。现有矿井监控系统多采用分站远距离供电。(8)不宜采用中继器。煤矿井下工作环境恶劣,监控距离远，维护困难,若采用中继器延长系统传输距离,由于中继器是有源设备,故障率较无中继器系统高,并且在煤矿井下电源的供给受电气防爆的限制,在中继器处不一定好取电源,若采用远距离供电还需要增加供电芯线。因此，不宜采用中继器。 通过对矿井监控系统的分析,可以看出,矿井监控系统不同于一般工业监控

40、系统。因此,直接用一般工业监控的理论和技术解决矿井监控的问题是行不通的。不是不符合电气防爆要求,就是传输距离太近,或网络结构不适合用于矿井监控系统，或不能进行总线供电，或节点容量太小等等。因此，有必要研究适合矿井监控系统的理论和技术。 .3.3 系统作用（1)当瓦斯超限或局部通风机停止运行或掘进巷道停风时,煤矿安全监控系统自动切断相关区域的电源并闭锁同时报警：避免或减少由于电气设备失爆、违章作业、电气设备故障电火花或危险温度引起瓦斯爆炸;避免或减少采、掘、运等设备运行产生的摩擦碰撞火花及危险温度等引起瓦斯爆炸；提醒领导、生产调度等及时将人员撤至安全处;提醒领导、生产调度等及时处理事故隐患，防止

41、瓦斯爆炸等事故发生。（)还可通过煤矿安全监控系统监控瓦斯抽放系统、通风系统、煤炭自燃、瓦斯突出等。（3)煤矿安全监控系统在应急救援和事故调查中也发挥着重要作用,当煤矿井下发生瓦斯(煤尘)爆炸等事故后,系统的监测记录是确定事故时间、爆源、火源等重要依据之一。1.3.4 现存问题煤矿应按照煤矿安全规程和AQ1702927煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范安装、使用、维护和管理系统。但部分煤矿传感器装备数量和地点不满足上述规程和标准的要求,更没有按照规程和标准调校和维护,甚至将传感器报警浓度调高，不使用断电控制功能等。从国务院煤矿事故调查专家组参加:河北唐山刘官屯煤矿“127”特别重大瓦斯爆炸事

42、故(死亡108人)山西大同煤矿集团焦家寨矿“11.”特别重大瓦斯爆炸事故(死亡47人）山西临汾瑞之源煤矿“12.”特别重大瓦斯爆炸事故（死亡15人)山西焦煤集团屯兰矿“.22”特别重大瓦斯爆炸事故(死亡7人）河南平顶山市新华四矿“9.”特别重大瓦斯爆炸事故（死亡79人)发现：事故矿均没有按规程和标准要求安装、维护和使用系统。有的传感器装备数量不足有的安装地点不正确有的报警浓度、断电浓度和断电控制设置不正确有的从不调校、有的不能正常运行、形同虚设。 例如：09年月22日发生死亡8人的特别重大瓦斯爆炸事故的屯兰矿是事故矿中煤矿安全监控系统使用维护最好的煤矿，但仍存在着下述严重问题:(1）将回风巷甲

43、烷传感器报警值和断电值调高至2.%,如图13所示。 (2）将台电气开关设置在微风的203工作面1号联络巷，但不设置甲烷传感器，如图-14所示。因此,煤矿安全规程（2010年版)第32条第二款修改为“井下个别机电设备设在回风流中的,必须安装甲烷传感器并具备甲烷超限断电功能”。(3）系统工作不稳定，事故前20分钟内,监测信号中断次,如图1-13所示。图1-13瓦斯监测数据多次中断、断电值调为2.%H 图1-1 1203采煤工作面1号联络巷布置图. 矿井监控系统通用要求信息传输要求主要包括:传输介质、网络结构、工作方式、连接方式、传输方向、复用方式、信号、同步方式、调制方式、字符、帧格式、传输速率、

44、误码率、传输处理误差、最大巡检周期、最大传输距离和最大节点容量等。传输介质:双绞线:扭在一起的两根绝缘铜线所组成。同轴电缆：绕在同一轴线上的两个导体组成,一个作为信号线、一个作为地线。光缆：核心为光纤,光纤由纯净玻璃或塑胶材料构成、覆层和保护层。无线介质：主要三种传输技术，即微波、红外线和激光。网络结构网络中互连的点称为结点或站,结点间的物理连接结构称为拓扑。通常有星形、环形、总线形和树形拓扑结构，如下各图所示。网络拓扑结构图信号复用方式传输多路信号主要有三种复用方式,即频分复用、时分复用和码分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占

45、据不同的时间区间。码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。信号表示模拟量的信号可以是模拟信号和数字信号两种。数字信号同模拟信号相比具有以下特点:抗干扰能力强;传输中的差错可以控制，传输质量高；可以传递各种消息，灵活通用;便于计算机存储、处理和传输；便于本质安全防爆隔离。因此宜采用数字信号传输，这包括分站至主站和传感器及执行机构至分站之间的信号传输。通信方式对于点与点之间的通信,按消息传递的方向与时间关系， 通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。单工通信， 是指消息只能单方向传输的工作方式, 因此只占用一个信道, 如下图所示。发端信道收端单工通信方式示意图半双工通信，是指通信双方都能收

46、发消息, 但不能同时进行收和发的工作方式，如下图所示。发端信道收端发端收端半双工通信方式示意图全双工通信,是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道,如下图所示。发端信 道收端收端发端信 道全双工通信方式示意图传输模式并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，如下图(a)所示。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多， 设备复杂， 成本高，故较少采用， 一般适用于计算机和其他高速数字系统,特别适用于设备之间的近距离通信。串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输， 如下图(b)所示。一般的远距离数字

47、通信都采用这种传输方式。发送设备接收设备10(b）发送设备接收设备？(a)() 并行传输； (） 串行传输并行和串行通信方式示意异步传输(串)比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组,接收方从不知道它们会在什么时候到达。同步传输（串)把若干个字符组合起来构成所谓的数据帧一起发送。调制方式基带传输与频带传输相比具有设备简单、成本低、便于本质安全防爆、便于树状系统使用(传输频带在低频段）等优点。而调频和调相具有抗干扰能力强的优点。因此，矿井监控系统宜采用基带、调频和调相传输。字符字符长度通常有5、6、7、8位等,但在实际使用中，为提高编码效率一般采用8位。在广泛应用的MCS5系

48、列单片机及其兼容系列中.为便于多机通信，可将8位数据后的第9位用做地址/数据标志位。停止位有1、.5、2位,为提高编码效率,一般采用位停止位。因此矿井监控系统的字符长度宜为8位，由1位逻辑“0”表示开始,1位逻辑“1”表示停止,任意长度的逻辑“1”表示空闲。字符最高位与停止位之间设1位地址数据标志位(如下图所示)，该位为逻辑“”表示该字符为地址字符,该位为逻辑“0”表示该字符为数据(除地址之外的各种信息）字符。字符最高位与停止位之间也可设1位奇偶校验位,宜采用奇校验（如下图所示）。帧格式 为标明一帧信息的接收地址、长度和类别等，井保证可靠的传输，在一帧中通常包括地址场、控制场、数据场和校验场。

49、还有标志帧开始和结束的开始标志和结束标志。在采用具有地址数据标志位字符的帧格式中地址场可兼作帧开始标志,停止位兼作结束标志。在信号的远距离传输过程中，会受到各种干扰而发生差错，为保证装置的传输质量,除提高装置的信噪比外，采用差错控制措施是十分有效的方法。常用的方法有检错法和纠错法。在计算机通信和工业监控系统中，通常采用奇偶校验和循环冗余校骏，以提高编码效率和降低设备的复杂性因此矿井监控系统的差错控制方法宜采用奇偶校验或循环冗余校验。 因此，矿井监控系统的1帧宜由个字符的地址场、1个字符的控制场、N个字符的数据场和个字符的CRC校验场(下图所示)组成，C生成多项式宜采用CRCCCTT,也可采用H

50、DLC的帧格式(下图所示)。传输速度比特率每单位时间传输的比特位，单位为比特每秒(bps)。带宽媒体能够传输的最高频率与最低频率的差值。也用于指媒体能够传输的比特数。误码率用于监测的矿井监控系统的误码率应不大于106用于监控的矿井监控系统的误码率应不大于10-8传输处理误差为降低系统成本，模拟量一般采用8位字长表示 ,在A/D转换过程中的处理误差为小于 等于1/256，因此矿井监控系统的传输处理误差应不大于0最大巡检周期为保证实时性，需对最大传输容量下巡检周期进行规定。由于矿井监控信号的变化比较缓慢,因此,矿井监控系统的最大巡检周期应不大于30s，并应满足监控要求。当然在不过多增加系统成本的前

51、提下，传输周期越短越好。最大传输距离煤矿井下工作环境恶劣、维护困难,若采用中继器延长矿井监控系统的传输距离，由于中继器是有源设备，故障率较无中继系统高，并且在煤矿井下矿井监控系统的供电受电气防爆限制,在中继器处不一定好取电源,若采用远距离供电还需要增加供电芯线。因此，矿井监控系统不宜采用中继器延长传输距离。根据我国煤矿的具体情况,为满足矿井的监控需要,主站至分站、分站至分站之间的最大传输距离应不小干k。由于高产高效工作面的出现,工作面走向长度可达I 0m, 工作面长度可达00 ,因此，传感器及执行机构至分站的最大传愉距离应不小于 m。最大节点容量一个网段的节点容量一般由译码能力、接口的驱动能力

52、和传输距离等决定。译码能力一般与地址场的字长有关,因此,决定节点容量的关键因素是物理层。根据RS485、CAN等有关标准严格分析及测试，无中继传输距离达km的网段，其最大节点容量为28。虽然现有一些系统号称可接分站数百个甚至上千个,但这仅仅是译码能力,没有任何实验及数据来证明该系统容量是可靠的,往往在实际使用中,会出现系统工作不稳定等问题。因此矿井监控系统的最大节点容量宜在8、6、3、64、128中选取。取上述值除考虑物理层外.还应考虑便于二进制编码的问题。模拟量、开关量和累计量等监测功能、声光报警、手动(自动)控制功能、有备用电源、自检报警、主机备份、实时存储、显示（内容显示、绘制曲线、柱状

53、图显示和模拟动画显示等）功能、打印功能、人机对话功能、防雷、抗干扰、掉电保护功能、网络通信功能、地面设备防静电措施、稳定性、响应时间、电源波动适应范围要求等(90%-110%地面,井下75-1）。二.系统应具有的性能要求三.软件要求?性能要求实时性:能周期性地循环运行而不中断数据处理精度:处理误差应小于0.5%死机率:软件引起的死机率小于次/720h键盘响应:从键盘输入到执行该条命令的最长间隔时间小于0中文功能：自检功能：接入系统的传感器分站等故障位置的自检功能信息输出和存储功能:生成功能？?单位、格式、时间、色标、符号及字符长度单位：计量单位必须符合法定计量单位。表示格式:模拟量一般采用三位

54、有效数字表示,如低甲烷浓度表示为:0.00%4、煤仓煤位0.0m等。开关量状态：可用汉字(如开停)、字符(如OOFF)、图形颜色(如红色为停止、绿色为工作)等。时间:如秒、分、小时、天和月等。色标：红色表示超限报警、设备故障、停止运行和电力网有电等。黄色表示设备维修不用、测点不巡检、接收不到信号、电力网无电。绿色表示正常运转工作。符号：如A模拟量、D-开关量、I-输入、O-输出等。字符长度：名称一般不超过8个汉字。？?显示?报警？?存储记录?？打印.5 矿井安全监控系统规定15.1使用与维护要点 （1)选用符合Q621-26煤矿安全监控系统通用技术要求等,取得矿用产品安全标志准用证和防爆合格证

55、的系统。 (）按照煤矿安全规程和A102920煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范设计、安装、使用、管理与维护系统。 (3）甲烷、风速、风压、风筒、风门、局部通风机开停、主通风机开停、馈电状态等传感器要按规定的数量和地点正确安装与维护。 （4)根据被控对象的不同,正确连接甲烷断电闭锁和风电闭锁。 （5）根据工作面和回风巷等不同地点,正确设置报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电区域。 （6）每隔1天使用校准气样和空气气样对甲烷传感器进行正确调校,同时对甲烷断电闭锁和风电闭锁功能进行测试。 ()甲烷超限报警、断电、馈电异常、停风报警后，要及时采取停电、撤人等安全措施。 1.5.一般规定1.煤矿企业

56、应建立安全仪表计量检验制度。2.高瓦斯矿井、煤(岩)与瓦斯突出矿井，必须装备矿井安全监控系统。没有装备矿井安全监控系统的矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷的掘进工作面，必须装备甲烷风电闭锁装置或甲烷断电仪和风电闭锁装置。没有装备矿井安全监控系统的无瓦斯涌出的岩巷掘进工作面,必须装备风电闭锁装置。没有装备矿井安全监控系统的矿井的采煤工作面,必须装备甲烷断电仪。采区设计、采掘作业规程和安全技术措施,必须对安全监控设备的种类、数量和位置,信号电缆和电源电缆的敷设,控制区域等做出明确规定，并绘制布置图。4.煤矿安全监控设备之间必须使用专用阻燃电缆或光缆连接,严禁与调度电话电缆或动力电缆等共用。防爆

57、型煤矿安全监控设备之间的输入、输出信号必须为本质安全型信号。安全监控设备必须具有故障闭锁功能:当与闭锁控制有关的设备未投入正常运行或故障时,必须切断该监控设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁;当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后,自动解锁。矿井安全监控系统必须具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能;当主机或系统电缆发生故障时，系统必须保证甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能；当电网停电后，系统必须保证正常工作时间不小于h；系统必须具有防雷电保护；系统必须具有断电状态和馈电状态监测、报警、显示、存储和打印报表功能；中心站主机应不少于2台，1台备用。1.53 安装、使用

58、和维护管理1.安装断电控制系统时，必须根据断电范围要求,提供断电条件,并接通井下电源及控制线。安全监控设备的供电电源必须取自被控制开关的电源侧,严禁接在被控开关的负荷侧。拆除或改变与安全监控设备关联的电气设备的电源线及控制线、检修与安全监控设备关联的电气设备、需要安全监控设备停止运行时，须报告矿调度室，并制定安全措施后方可进行。2.安全监控设备必须定期进行调试、校正，每月至少1次。甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备,每7天必须使用校准气样和空气样调校1次。每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试。安全监控设备发生故障时，必须及时处理，在故障期间必须有安全措施。3.必须

59、每天检查安全监控设备及电缆是否正常,使用便携式甲烷检测报警仪或便携式光学甲烷检测仪与甲烷传感器进行对照，并将记录和检查结果报监测值班员；当两者读数误差大于允许误差时，先以读数较大者为依据，采取安全措施并必须在8内对2种设备调校完毕。4矿井安全监控系统中心站必须实时监控全部采掘工作面瓦斯浓度变化及被控设备的通、断电状态。矿井安全监控系统的监测日报表必须报矿长和技术负责人审阅。5.必须设专职人员负责便携式甲烷检测报警仪的充电、收发及维护。每班要清理隔爆罩上的煤尘,发放前必须检查便携式甲烷检测报警仪的零点和电压或电源欠压值,不符合要求的严禁发放使用。6.配制甲烷校准气样的装置和方法必须符合国家有关标

60、准，相对误差必须小于5%。制备所用的原料气应选用浓度不低于99.9%的高纯度甲烷气体。.安全监控设备布置图和接线图应标明传感器、声光报警器、断电器、分站、电源、中心站等设备的位置、接线、断电范围、传输电缆等,并根据实际布置及时修改。1.4甲烷传感器和其他传感器的设置安全规定1.甲烷传感器报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围必须符合相关规定。2.低瓦斯矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面,必须在工作面设置甲烷传感器。3.在回风流中的机电设备硐室的进风侧必须设置甲烷传感器。4.高瓦斯矿井进风的主要运输巷道内使用架线电机车时，装煤点、瓦斯涌出巷道的下风流中必须设置甲烷传感器。在煤(岩）

61、与瓦斯突出矿井和瓦斯喷出区域中,进风的主要运输巷道和回风巷道内使用矿用防爆特殊型蓄电池电机车或矿用防爆型柴油机车时，蓄电池电机车必须设置车载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪,柴油机车必须设置便携式甲烷检测报警仪。当瓦斯浓度超过.5%时，必须停止机车运行。6.瓦斯抽放泵站必须设置甲烷传感器，抽放泵输入管路中必须设置甲烷传感器。利用瓦斯时,还应在输出管路中设置甲烷传感器。.装备矿井安全监控系统的矿井,每一个采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站应设置风速传感器，主要通风机的风硐应设置压力传感器;瓦斯抽放泵站的抽放泵吸入管路中应设置流量传感器、温度传感器和压力传感器，利用瓦斯时，还应在输出管路中设置流量传感器、温度传感器和压力传感器。装备矿井安全监控系统的开采容易自燃、自燃煤层的矿井,应设置一氧化碳传感器和温度传感器。装备矿井安全监控系统的矿井,主要通风机、局部通风机应设置设备开停传感器,主要风门应设置风门开关传感器，被控设备开关的负荷侧应设置馈电状态传感器。