1、煤礦安全監控技術山東科技大學 程學珍Shandong University of Science And Technology 煤礦安全監控技術程學珍，教授，博士，山東科技大學信息與電氣工程學院山東科技大學檢測技術研究所所長主要研究方向:1.新型礦用傳感器理論與技術2.安全檢測監控技術及系統3.粉塵檢測技術 主要內容第1章 煤礦監控系統第2章 礦用新型傳感器第3章 礦用工業總線第4章 工業以太網煤礦綜合監控系統第5章 礦井粉塵濃度在線檢測監控系統第6章 礦井通風信息化管理系統第7章 其他新型監控系統第1章 煤礦監控系統監控系統含義1.1監控系統發展概況1.2監控系統分類/特點/作用/存在問題1

2、.31.5監控系統通用要求1.4礦井安全監控系統規定第1章 煤礦監控系統1.1 煤礦監控系統含義煤礦監控系統是為了煤礦安全和正常生產而進行的各種有關參數或狀態的集中監測，并對有關環節加以控制，是保護采掘、運輸、通風、排水等主要生產環節安全運行的重要大型設施。該系統包括礦井環境安全監測和礦井生產(及設備、工況等)監控。礦井環境安全監測用于監測影響生產安全和礦工人身安全的井下環境因素；礦井生產監控系統用來監控煤炭生產主要設備的工況。具體是指具有模擬量、開關量、累計量采集、傳輸、存儲、處理、顯示、打印、聲光報警、控制等功能，用于煤礦通風安全及生產環節監控的系統。包括煤礦安全監控系統、煤礦瓦斯抽采（放

3、）監控系統、煤礦軌道運輸監控系統、煤礦膠帶運輸監控系統、煤礦供電監控系統、煤礦排水監控系統、煤礦火災監控系統、礦山壓力監控系統、煤與瓦斯突出監控系統、人員位置監測系統等。 1.2 礦井安全監控技術發展概況礦井安全生產監控技術是伴隨煤炭工業發展而逐步發展起來的。1815年，英國發明了世界上第一種瓦斯檢測儀器瓦斯檢定燈。20世紀30年代日本發明了光干涉瓦斯檢定器，一直延用至今40年代美國研制了檢測瓦斯氣體的敏感元件鉑絲敏感元件。1954年，英國采礦安全研究所（SMRE）制成了最早的載體催化元件。60年代以后，主要產煤國家都把發展載體催化元件作為瓦斯檢測儀器的主攻方向。電子技術的進步推動了瓦斯監測裝

4、置的進一步發展，首先是研制小型化個人攜帶式儀器，以后是瓦斯監控系統，如70年代后期法國研制的CTT63/40監控系統、英國的MINOS系統、美國的SCADA系統等。國外四段論：國外煤礦監測監控技術的發展是20世紀60年代開始發展起來的,至今已經有四代產品,基本上510 a更新一代產品。 從技術特性來看,主要是從信息傳輸發生的進步來劃分監控系統發展階段的。第一代采用空分制來傳輸信息。60年代中期英國煤礦的運輸機控制、日本煤礦中的固定設備控制大都采用這種技術。波蘭在70年代推出了可測瓦斯、CO、風速、溫度等參數共128個測點的CMC-1系統。第二代 頻分制信息傳輸傳輸信道的電纜芯數大大減少,很快就

5、取代了空分制系統。其中最具代表性且至今仍有影響的是西德Siemens公司的TST系統和TF200系統。（以晶體管電路為主的信息傳輸）第三代 時分制信息傳輸其中發展較快的是英國。1976年,英國煤礦研究院推出轟動一時的以時分制為基礎的MINOS煤礦監控系統,并在膠帶輸送、井下環境監測、供電供水監測和洗煤廠監控等方面取得成功,形成了全礦井監測監控系統。（以集成電路為主的信息傳輸）第四代以分布式微處理機為基礎80年代,美國以其擁有的雄厚高新技術優勢,率先把計算機技術、大規模集成電路技術、數據通信技術等現代高新技術用于煤礦監控系統。美國MSA公司DAN6400系統、霍尼韋爾監控系統。我國二段論第一階段

6、80年代初,原煤炭部組織了對國外煤礦監控技術進行大規模的考察和引進工作,大大促進了國內監控技術的發展。 先后從波蘭、法國、德國、英國和美國等(如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200、霍尼韋爾)引進了一批安全監控系統,裝備了部分煤礦;在引進的同時,通過消化、吸收并結合我國煤礦的實際情況,研制出KJ1（重慶）、KJ2(常州自動化研究所),KJ3（軌道系統）KJ4等系統并進行了鑒定。我國二段論第二階段90年代以來,緊跟世界監測監控系統的發展潮流,研制開發出了一批具有世界先進水平的監控系統,如煤炭科學研究總院重慶分院的KJ90系統、煤炭科學研究總院常州自動化研究所的KJ9

7、5系統等。主要特點:1）分站的智能化進一步提高;2）具有網絡連接功能;3）軟件采用了Windows操作系統。同時,在“以風定產,先抽后采,監測監控”12字方針和煤礦安全規程有關條款指導下,規定了我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井必須裝備礦井監測監控系統。因此,大大小小的系統生產廠家如雨后春筍般的不斷出現,為用戶提供了更多的選擇機會,并促進了各廠家在市場競爭條件下不斷提高產品質量和服務意識。實踐表明,安全監控系統為煤礦安全生產和管理起到了十分重要的作用。（1）早期的礦井監控系統礦井監控系統是由單一甲烷監測和就地斷電控制的瓦斯遙測系統及簡單的開關監測模擬調度系統發展而來。瓦斯遙測系統是用來

8、監控井下環境中甲烷濃度的監控系統，并具有瓦斯超限聲光報警和斷電功能。瓦斯遙測系統一般由甲烷傳感器、斷電儀、遙測儀和記錄儀組成.如下圖所示。圖1-1 早期的礦井監控系統具 體甲烷傳感器功能1）將被測甲烷濃度轉換為電信號送至斷電儀；2）具有甲烷濃度顯示和甲烷濃度超過報警濃度后聲光報警功能；3）甲烷傳感器至斷電儀最大傳輸距離為1km，采用3芯或4芯礦用信號電纜(l芯用做信號線、1芯用做地線、1芯用做斷電儀向傳感器供電)；4）模擬基帶信號傳輸(電壓型、電流型或頻率型)。 斷電儀功能1）對甲烷傳感器送來的甲烷濃度信號進行調制，將調制后的信號經2芯礦用信號電纜遠距離傳送至位于地面的遙測儀；2）由于斷電儀至

9、遙測儀之間距離較遠(可達10km),為減少電纜用量，降低系統成本，便于系統安裝與維護，斷電儀至遙測儀之間采用頻分多路復用，復用路數一般為5-10路；3）斷電儀同時對接收到的甲烷濃度信號進行判別，若超過斷電濃度，則通過控制繼電器切斷被控區域的動力電源，并實現閉鎖；4）斷電儀還兼作電源、將井下電網的交流電轉換為斷電儀和傳感器所需的本質安全型直流電源。遙測儀功能1）對接收到的調制信號解調后顯示；2）當甲烷濃度超過報警濃度時，發出聲光報警信號；3）記錄儀將甲烷濃度實時記錄下來。瓦斯遙測系統主要技術特征1）單一甲烷監測2）就地斷電控制3）聲光報警4）數碼管或模擬表頭顯示、多筆記錄儀記錄5）頻分多路復用、

10、單向模擬傳輸6）樹形網絡結構7）采用分立組件或中小規模集成電路。在發展甲烷遙測系統的同時，為了保證軌道運輸、提升運輸、膠帶運輸等運輸系統的安全，提高生產率和設備利用率，推廣應用了模擬盤調度系統(圖1-2)。例如：用于軌道運輸監控的信、集、閉系統。用于提升運輸監控的信號系統和用于膠帶運輸監控的信號系統等。模擬盤調度系統1）采用集中監控，每路信號使用一對電纜芯線接至總控制臺2）總控制臺使用指示燈顯示設備狀態3）為形象直觀，常常將設備圖形等制成背景，在被監控的設備處設置指示燈。系統技術特征：1）單一開關量監控2）繼電器閉鎖控制3）一對一模擬傳輸4）模擬盤指示燈顯示5）星形網絡結構6）采用分立組件或中

11、小規模集成電路。 圖1-2 模擬盤調度系統（2）單方面多參數礦井監控系統上述單參數系統雖在煤礦安全生產、提高生產率和設備利用率方面起到了重要作用，但由于這些系統監測參數單一、監測容量小、電纜用量大、系統性能價格比低，因此難以滿足煤礦安全生產的需要，特別是隨著采煤機械化程度的提高，對礦井監控系統提出了越來越高的要求。為適應機械化采煤的需要，礦井監控系統由早期的單一參數監測系統，發展為多參數單方面監控系統。這些系統均針對某一方面的多參數監控，包括環境安全監控系統、軌道運輸監控系統、膠帶運輸監控系統、提升運輸監控系統、供電監控系統、排水監控系統、礦山壓力監控系統、火災監控系統、水災監控系統、煤與瓦斯

12、突出監控系統、大型機電設備健康狀況監控系統等。環境安全監控系統主要用來監測甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、硫化氫濃度、風速、負壓、濕度、溫度、風門狀態、風窗狀態、風筒狀態、局部通風機開停、主要通風機開停、工作電壓、工作電流等，并實現甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風電閉鎖控制等。軌道運輸監控系統主要用來監測信號機狀態、電動轉撤機狀態、機車位置、機車編號、運行方向、運行速度、車皮數、空(實)車皮數等，并實現信號機、電動轉轍機閉鎖控制、地面遠程調度與控制等。膠帶運輸監控系統主要用來監測膠帶速度、軸溫、煙霧、堆煤、橫向撕裂、縱向撕裂、跑偏、打滑、電機運行狀態、煤倉煤位等，并實現順煤流啟動

13、、逆煤流停止閉鎖控制和安全保護、地面遠程調度與控制、膠帶火災監測與控制等。提升運輸監控系統主要用來監測罐籠位置和速度、安全門狀態、搖臺狀態、阻車器狀態等，并實現推車、補車、提升閉鎖控制等。供電監控系統主要用來監測電網電壓、電流、功率、功率因數、饋電開關狀態、電網絕緣狀態等，并實現漏電保護、饋電開關閉鎖控制、地面遠程控制等。排水監控系統主要用來監測水倉水位、水泵開停、水泵工作電壓、電流、功率、阿門狀態、流量、壓力等，并實現閥門開關、水泵開停控制、地面遠程控制等?；馂谋O控系統主要用來監測一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、溫度，壓差、煙霧等。并通過風門、風窗控制，實現均壓滅火控制、制氮與注氮控制

14、等。礦山壓力監控系統主要用來監測地音、頂板位移、位移速度、位移加速度、紅外發射、電磁發射等，并實現礦山壓力預報。煤與瓦斯突出監控系統主要用來監測煤巖體聲發射、瓦斯涌出量、工作面煤壁溫度、紅外發射、電磁發射等，并實現煤與瓦斯突出預報。大型機電設備健康狀況監控系統主要用來監測機械振動、油質量污染等，并實現故障診斷。系統一般由傳感器、執行機構、分站、電源箱(或電控箱)、主站(或傳輸接口)、主機（含顯示器)、打印機、模擬盤、多屏幕、UPS電源、遠程終端、網絡接口電纜和接線盒等組成，如圖1-3所示。圖1-3 礦井監控系統路由器電視墻等主機主機數據服務器文件服務器管理工作站管理工作站主站分站分站執行機構電

15、源電源傳感器傳感器執行機構圖1-4 礦井監控系統組成框圖廣域網電話網傳感器功能：1）將被測物理量轉換為電信號；2）經3芯或4芯礦用電纜(其中1芯用于地線、1芯用于信號線、1芯用于分站向傳感器供電)與分站相連；3）具有顯示和聲光報警功能(有些傳感器沒有顯示或沒有聲光報警功能)。執行機構(含聲光報警及顯示設備功能：1）將控制信號轉換為被控物理量；2）使用礦用電纜與分站相連。分站功能：1）接收來自傳感器的信號；2）按預先約定的復用方式(時分制或頻分制等)遠距離傳送給主站(或傳輸接口)；3）接收來自主站(或傳輸接口)的多路復用信號(時分制或頻分制等)；4）具有線性校正、超限判別、邏輯運算等簡單的數據處

16、理能力，對傳感器輸人的信號和主站(或傳輸接口)傳輸來的信號進行處理，控制執行機構工作。傳感器及執行機構距分站的最大傳輸距離一般不大于2 km。因此，一般采用星形網絡結構(1個傳感器或1個執行機構使用1根電纜與分站相連)單向模擬傳輸。分站至主站之間最大傳輸距離達10km。為減少電纜用量、降低系統電纜投資、便于安裝維護、提高系統可靠性，通常采用2芯(用于單工或單向)、3芯或4芯(用于雙向)礦用信號電纜時分制或頻分制多路復用(也有采用碼分制)，樹形網絡結構或環形網絡結構或樹形與星形混合網絡結構串行數字傳輸(基帶傳輸或頻帶傳輸，異步傳輸或同步傳輸)。電源箱功能1）將井下交流電網電源轉換為系統所需的本質

17、安全型直流電源，2）具有維持電網停電后正常供電不小于2h的蓄電池。主站功能1）接收分站遠距離發送的信號，并送主機處理;2）接收主機信號，并送相應分站。具體主要完成：地面非本質安全型電氣設備與井下本質安全型電氣設備的隔離，還具有控制分站的發送與接收、多路復用信號的調制與解調、系統自檢等功能。主機功能1）一般選用工控微型計算機或普通臺式微型計算機、雙機或多機備份。2）主機主要用來接收監測信號、校正、判別、數據統計、磁盤存儲、顯示、聲光報警、人機對話、輸出控制，控制打印輸出以及與管理網絡連接等。投影儀、模擬盤、大屏幕、多屏幕、電視墻用來擴大顯示面積，以便于在調度室遠距離觀察。管理工作站或遠程終端一般

18、設置在礦長及總工辦公室，以便隨時了解礦井安全和生產狀況。數據服務器是主機與管理工作站及網絡其他用戶交換監控信息的集散地。路由器用于企業網與廣域網及電話線網等協議轉換、安全防范等。單方面多參數礦井監控系統技術特征傳感器及執行機構采用星形網絡結構與分站相連、單向模擬傳輸；分站至主站間采用樹形、環形或樹形與星形混合網絡結構。多路復用(時分制、頻分制或碼分制)、單工或雙工(個別系統采用單向)，串行數字傳檢基帶傳輸或頻帶傳輸、異步傳輸或同步傳輸);采用微型計算機（含單片機）、大規模集成電路、固態繼電器及大功率電力電子器件、投影儀、大屏幕、模擬盤、多屏幕、電視墻等，具有彩色顯示、磁盤記錄、打印報表、聯網等

19、功能。單方面多參數礦井監控系統主要作用解決了機械化采煤的急需。單方面多參數礦井監控系統存在主要問題控制功能差、通用性差、性能價格比低等問題。這既不符合監測與控制并重、硬件通用、軟件組態、現場總線監控與多媒體的發展趨勢，又難于滿足煤炭高產、高效、安全生產的需要。主要表現在如下幾個方面：（1）現有礦井監控系統均針對某一監控對象而開發為單一的環境安全、軌道運輸、膠帶運愉、提升運輸、供電系統、排水系統、礦山壓力、煤與瓦斯突出、大型機電設備健康狀況等專用監控系統，從而造成硬件不通用、軟件不兼容、信道不共享、信息不共享。若一個礦井實現全面監控，則需要裝備環境安全監控、軌道運輸監控、膠帶運輸監控、提升運輸監

20、控、供電系統監控、排水系統監控、礦山壓力監控、煤與瓦斯突出監控、大型機電設備健康狀況監控等數個互不兼容的系統，從而造成設備重復投資、電纜重復敷設、維護人員重復設置，浪費大量人力、物力和財力。（2）現有礦井監控系統均在同一水平上重復開發.若需進行新領域的監控，又需重新開發，開發周期長，在開發過程中又浪費大量的人力、物力和財力。（3）現有礦井監控系統均沒有將數據、文字、聲音、圖像等多種媒體有機地結合在一起，難以提高信息的利用率。（4）現有礦井監控系統均沒有針對礦井機電一體化和移動監控進行研制，這主要表現在沒有用于機電一體化、體積小，功能齊全的本質安全型嵌入式智能監控站和便攜式儀器接入的移動測控網。

21、（5）現有礦井監控系統的通信協議均自我定義，互不兼容，沒有一個符合礦井電氣防爆等特殊要求的總線標準，從而造成不同廠家的設備無法接入，無法共享傳輸電纜。 （6）現有礦井監控系統均為主從式傳輸，如圖1-5所示該種傳輸系統的可靠性受地面主站設備和主干電纜影響很大，當地面主站設備或主干電纜發生故障，將會造成整個系統癱瘓。該種傳輸方式用于環境安全、軌道運輸、膠帶運輸、供電系統等單方面監控時，一般不會出現主站“瓶頸”效應，但當用于全礦井多方面綜合監控時，由于信息量的增加，必然會出現嚴重的主站“瓶頸”效應。當然，也可以通過提高傳輸速度的方法來避免或減少“瓶頸”效應，但通過進行的理論分析和試驗結果表明，系統傳

22、輸距離為10km時，最大傳輸速率為4800bit/s(在無中繼條件下)。這說明，在全礦井綜合監控系統中，靠提高傳輸速率解決主站瓶頸效應是沒有出路的。圖1-5 主從式礦井監控系統（7）現有礦井監控系統軟件均為某一特定系統開發，通用性差，難以滿足環境安全、軌道運輸、膠帶運輸、提升運輸、供電系統、排水系統、礦山壓力、火災、水災、煤與瓦斯突出，大型機電設備健康診斷等多方面綜合監控的需要。（8）現有分站均是為某一監控目的而開發的，功能單一，用戶難以通過簡單的操作實現環境安全、軌道運輸、膠帶運輸等多方面底層監控的目的。（9）現有傳感器及執行機構，一般采用星形結構與分站連接(除個別系統外).如圖1-6所示.

23、這樣雖然可使用一根多芯電纜既給傳感器及執行機構供電又傳遞信號，但由于電纜復用率低，需敷設大量的電纜，既增大了系統投資，又不便于系統維護。圖1-6 傳感器及執行機構采用星形結構與分站鏈接（10）現有傳感器及執行機構一般需經分站接入系統(除個別外)，這樣雖然便于分站實現就地控制，但當個別傳感器和執行機構離分站較遠而離系統電纜較近時，就顯得十分不合理，既不便子系統維護，又增加了系統電纜投資。（11）現有傳感器輸出信號為模擬信號(頻率型、電流型和電壓型)和開關量信號，很難實現傳感器及執行機構的電纜多路復用。（12）現有傳感器的電路均針對某一種傳感組件設計，僅能實現標校、顯示、聲光報警、信號輸出等基本功

24、能，不能實現同一電路配接不同傳感組件，也不能實現多參數監測。（13）現有傳感器的控制功能特別是地面遠程控制功能，難以滿足減少井下危險環境從業人員數量的需要。我國煤礦監測監控系統的發展趨勢（1）發展全面的監測監控專家系統目前,我國有20余家生產監測監控系統的公司或院所,其產品主要是監測環境安全參數,實現報警或斷電控制,對生產設備的監測監控限于對設備的開/停狀態進行監測,與煤炭生產全過程實行監測監控差距還較大。在軟件技術上應研究開發能根據被監測環境地點的參數進行有效的危險性判別、分析和提出專家解決方案,在事故情況下,指示最佳救災和避災路線,為搶救和疏散人員、器材提供決策。同時系統軟件應向網絡化發展

25、,按統一的格式向外提供監測數據。發展覆蓋面更廣,監測監控參數更多的軟硬件系統,為實現煤礦生產綜合自動化奠定良好基礎,是我國監測監控系統的發展任務之一。（2）研制高可靠性、品種齊全的礦用傳感器目前,國產監控系統的配套傳感器,主要存在兩大問題:一是品種不全,用于監測環境參數的傳感器較多,而用于監測生產設備工作運行狀況參數的傳感器少;二是現有的傳感器不同程度存在精度差、可靠性不高的缺陷。特別是用于瓦斯綜合治理和災害預測的甲烷傳感器,一直存在使用壽命短、工作穩定性差和調校期頻繁的缺點,嚴重制約著礦井瓦斯的支持檢測。在研制新型傳感器時應高起點、高智能化,應充分利用微處理器的優點,做到自診斷、自校正、自調

26、零、配置標準遠傳接口,統一傳感器的輸出信號制,以提高傳輸的可靠性、數據出來的簡單性和傳感器的互換性。發展配置齊全、高可靠性的礦用傳感器是監控系統發展的關鍵技術之一（3）合理的規范通信協議現有廠家的監控系統幾乎都采用各自專用的通信協議,互不兼容。目前,信息傳輸系統的兼容性已成為裝備監控系統的各集團公司、礦井進一步引進和擴充系統功能的制約因素。有些礦井為了安全生產的需要,在系統存在嚴重問題和得不到技術服務的條件下,不得不選擇其他的系統。由此,通信協議不規范的后果是造成設備購置重復、不能隨意進行軟硬件升級改造。制定統一的專業技術標準,對促進礦井監控技術發展和系統的推廣應用具有十分重要的意義。（4）實

27、現全面化的網絡管理雖然現在許多礦建立了局部的計算機網絡系統,實現了本礦井的資源共享,但大多還處于一礦一系統,與外界幾乎沒有聯系,其功能和任務也極其簡單。今后的發展趨勢是各生產礦井與礦務局、各礦務局與本省乃至全國煤礦系統構成統一完整、功能先進的計算機網絡系統,真正實現更大范圍的煤礦資源共享。具體:發展全礦井綜合自動化監控系統全礦井綜合自動化監控系統是礦井監控系統的發展方向，是一種既可用于環境安全、軌道運輸、膠帶運輸、提升運輸、供電、排水、礦山壓力、火災、水災、煤與瓦斯突出、大型機電設備健康狀況等全面綜合監控，又可實現某些或某個方面監控的多參數、多功能監測與控制并重以及就地自動控制與地面人為遠程控

28、制結合的系統。全礦井綜合自動化監控系統：智能傳感器智能監控站調度管理網絡等組成，如圖1-7所示。圖1-7 全礦井綜合自動化監控系統智能傳感器全礦井綜合監控系統的傳感器(簡稱智能傳感器，含執行機構)與現有傳感器相比具有以下不同之處：1.電路通用智能傳感器的電路是通用的，可配接各種不同的傳感組件(含敏感組件)，當用于不同被測物理量時，只需更換傳感組件。并且同一個傳感器還可同時接入多個傳感組件構成多參數傳感器(如甲烷與風速二參數傳感器、一氧化碳與溫度二參數傳感器等)。通用電路首先方便了用戶維護?，F有系統維護人員為了維護系統須了解幾種甚至十幾種傳感器電路原理，這就要求維護人員具有較高的業務水平和豐富的

29、維護經驗，由于維護人員業務水平的差異，難以實現每一位維護人員均能及時處理故障和及時維護的要求。多種電路還造成備品備件種類繁多，不便于配備的困難。智能傳感器使用一種通用電路，便于維護人員集中精力、深入細致地掌握電路原理，達到每一位具有一定電路基礎的維護人員均能及時處理故障的要求，從而保證系統的正常運行。同時由于電路統一、備用組件種類少，也便于備件的準備。通用電路由小信號檢測與放大電路、A/D轉換器(可選帶A/D轉換器的單片機、單片機最小系統(含程序存儲器、數據存儲器、時鐘電路、復位電路、看門狗電路等)、顯示電路、聲光報警電路、信號輸出電路等組成，如圖1-8所示。圖1-8 智能傳感器2.數字信號傳

30、輸與多路復用智能傳感器采用數字信號傳輸。多臺傳感器共享一根多芯電纜連接成樹形結構，與智能監控站相連。當傳感器遠離智能監控站而靠近系統傳輸電纜時，智能傳感器可直接接系統電纜，如圖1-9所示。圖1-9 智能傳感器直接接系統電纜現有傳感器沒有采用數字信號輸出和多路復用，主要是因為現有傳感器采用單片機的較少，實現時分多路復用困難。另一個原因是早期傳感器耗能大，一對芯線只能為一臺傳感器供電。例如:早期甲烷傳感器工作電流為300 mA、傳感器輸入電壓為724V，若由24V本安電源供電。供電電纜環路電阻為26/km，其供電距離為（24-7）/（0.3 * 26）=2.18km。若向2臺傳感器供電，則供電距離

31、僅為1.09km，不滿足2km傳輸距離的要求。而目前傳感器的工作電流一般不大于100 mA,特別是一些溫度、開關量等傳感器工作電流不大于10 mA，從而解決了一對芯線為多臺傳感器遠距離供電的問題。因此，傳感器電纜復用路數，并不取決于監測周期、傳輸速率和地址編碼，而取決于傳感器的供電電流，這就給傳感組件降低消耗提出了新的要求。3.就地控制智能傳感器傳輸的串行數字信號除數據(模擬量傳感器)或狀態(開關量傳感器)外，還有報警、斷電等控制信號。接在同一條總線上的執行機構(如聲光報警和斷電設備)根據收到的控制信號（如報警和斷電信號)，執行相應的操作(如發出聲光報替和斷電控制)。傳感器直接控制執行機構，較

32、經分站控制執行機構具有執行速度快、可靠性高等優點。當分站發生故障時，仍可執行一些基本的控制。智能監控站智能監控站是全礦井綜合監控系統智能現場設備，其功能類似于現有系統分站，具有信號采集、控制、與主站(或上級智能控制站)雙向數據傳輸等功能，但又不同于現有系統分站，主要體現在以下幾個方面:（1）與傳感器（含執行機構）信號傳輸采用數字傳輸，多路復用，同時，也解決了模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出4種監控量互換的問題，適用于各種監控。（2）采用組態軟件技術，解決了分站軟件通用問題。用戶只需要根據不同的監控對象和目的，像搭積木一樣，利用分站本身提供的傳輸、數據處理、控制等模塊，組成相應的監

33、控軟件.實現環境安全、軌道運輸、膠帶運輸、供電等監控，而用戶不需學習繁雜的編程方法。（3）采用現場總線技術。解決通信協議不通用、不同的分站難以接入同一系統、主從式通信等問題，提高系統的可靠性。調度管理網絡調度和管理人員是通過調度管理網絡與系統進行信息交換的，其功能類似于現有系統的中心站和遠程終端，具有系統初始化、顯示、打印、存儲、控制干預等功能，但又不同于現有中心站和遠程終端，這主要體現在以下幾個方面： (1)采用計算機網絡將工作在生產調度室、通風調度室、礦長辦公室和總工辦公室等的許多工作站聯系在一起。較采用終端方式更加靈活方便，信息利用率高。在工作站上，可利用網上的生產、安全、銷售、財會等多

34、方面信息。當然，也可通過授權限制某些用戶對信息資源的利用。 (2)采用組態軟件技術，解決了中心站軟件通用問題。用戶只需要根據不同的監控對象和目的，利用智能監測站提供的模塊，組成相應的監控軟件，實現綜合監控。 (3)網絡設備由工作站(含多屏幕工作站、多媒體工作站)和服務器等組成。一般采用以太網、快速以太網、交換式以太網和ATM。 智能傳感器和智能監控站一般采用樹形網絡，以適應井下巷道布置的特點。在連接方式上，可采用單層網絡，也可采用多層網絡，以滿足不同礦井、不同監控的要求。圖1-10煤礦安全監控系統圖1-11煤礦安全監控系統（KJ95N）1.3 礦井監控系統分類特點作用分類按監控目的分：如供電、

35、火災、煤與瓦斯突出、膠帶運輸監控系統等。按使用環境不同分：可分為防爆型（本質安全型、隔爆兼本質安全型和隔爆型等）、礦用一般型、地面普通型和復合型系統等。按復用方式不同分：如頻分、時分、碼分和復合復用方式系統等。按采用網絡結構分：如星型、環形、樹型、總線型和復合型系統等。按信號傳輸方式分：單、雙工和環形系統等。按傳輸信號不同分：模擬和數字傳輸系統等。按調制方式分：如基帶、調頻和調相系統等。按同步方式分：同步和異步系統。按監控目的分類：（1）煤礦安全監控系統（2）煤礦瓦斯抽采（放）監控系統（3）煤礦軌道運輸監控系統 （4）煤礦膠帶運輸監控系統（5）提升運輸監控系統（6）煤礦供電監控系統（7）煤礦排

36、水監控系統（8）煤礦火災監控系統（9）礦山壓力監控系統（10）煤與瓦斯突出監控系統（11）人員位置監測系統（12）綜合監控系統全煤礦綜合自動化監控系統1、礦井安全監控系統 2、人員定位系統3、壓風自救系統 4、供水自救系統5、礦山通信聯絡系統 6、緊急避險系統7、風水管路在線檢測系統8、礦井粉塵檢測監控系統9、礦井水文監測報警系統 10、壓風機綜合檢測監控系統11、通風機檢測監控系統12、主井提升子系統13、副井提升子系統 14、礦井洗煤廠系統15、35KV變電所監控系統16、原煤計量系統17、泵房排水監控系統 18、工業電視監控系統19、井下污水自動處理系統 20、火災逃生訓練系統21、井上

37、綜合防塵監控系統 22、井下絞車間隙控制系統23、煤巖聲發射監測系統24、瓦斯防治導航系統25、井下主運輸膠帶機集中控制系統 26、礦井通風信息智能化管理系統27、輸送帶上煤含水分檢測監控系統 礦井監控系統特點煤礦井下是一個特殊的工作環境，有易燃易爆可燃性氣體和腐蝕性氣體，潮濕、淋水、礦塵大、電網電壓波動大、電磁干擾嚴重、空間狹小、監控距離遠。因此，礦井監控系統不同于一般工業監控系統，礦井監控系統同一般工業監控系統相比具有如下特點： (1)電氣防爆。一般工業監控系統均工作在非爆炸性環境中，而礦井監控系統工作在有瓦斯和煤塵爆炸性環境的煤礦井下。因此，礦井監控系統的設備必須是防爆型電氣設備，并且不

38、同于化工、石油等爆炸性環境中的工廠用防爆型電氣設備。 (2)傳輸距離遠。一般工業監控對系統的傳輸距離要求不高，僅為幾千米，甚至幾百米，而礦井監控系統的傳輸距離至少要達到10千米。 (3)網絡結構宜采用樹形結構。一般工業監控系統電纜敷設的自由度較大，可根據設備、電纜溝、電桿的位置選擇星形、環形、樹形，總線形等結構。而礦井監控系統的傳輸電纜必須沿巷道敷設，掛在巷道壁上。由于巷道為分支結構，并且分支長度可達數千米。因此，為便于系統安裝維護、節約傳輸電纜、降低系統成本宜采用樹形結構。 (4)監控對象變化緩慢。礦井監控系統的監控對象主要為緩變量，因此，在同樣監控容量下，對系統的傳輸速率要求不高。 (5)

39、電網電壓波動大，電磁干擾嚴重。由于煤礦井下空間小，采煤機、運輸機等大型設備啟停和架線電機車火花等造成電磁干擾嚴重。 (6)工作環境惡劣。煤礦井下除有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性氣體外，還有硫化氫等腐蝕性氣體，礦塵大、潮濕、有淋水、空間狹小。因此，礦井監控設備要有防塵、防潮、防腐、防霉、抗機械沖擊等措施。 (7)傳感器（或執行機構）宜采用遠程供電。一般工業監控系統的電源供給比較容易，不受電氣防爆要求的限制。礦井監控系統的電源供給，受電氣防爆要求的限制。由于傳感器及執行機構往往設置在工作面等惡劣環境，因此，不宜就地供電?，F有礦井監控系統多采用分站遠距離供電。 (8)不宜采用中繼器。煤礦井下工作環境惡

40、劣，監控距離遠，維護困難，若采用中繼器延長系統傳輸距離，由于中繼器是有源設備，故障率較無中繼器系統高，并且在煤礦井下電源的供給受電氣防爆的限制，在中繼器處不一定好取電源，若采用遠距離供電還需要增加供電芯線。因此，不宜采用中繼器。 通過對礦井監控系統的分析，可以看出，礦井監控系統不同于一般工業監控系統。因此，直接用一般工業監控的理論和技術解決礦井監控的問題是行不通的。不是不符合電氣防爆要求，就是傳輸距離太近，或網絡結構不適合用于礦井監控系統，或不能進行總線供電，或節點容量太小等等。因此，有必要研究適合礦井監控系統的理論和技術。 系統作用（1）當瓦斯超限或局部通風機停止運行或掘進巷道停風時，煤礦安

41、全監控系統自動切斷相關區域的電源并閉鎖同時報警：避免或減少由于電氣設備失爆、違章作業、電氣設備故障電火花或危險溫度引起瓦斯爆炸；避免或減少采、掘、運等設備運行產生的摩擦碰撞火花及危險溫度等引起瓦斯爆炸；提醒領導、生產調度等及時將人員撤至安全處;提醒領導、生產調度等及時處理事故隱患，防止瓦斯爆炸等事故發生。（2）還可通過煤礦安全監控系統監控瓦斯抽放系統、通風系統、煤炭自燃、瓦斯突出等。（3）煤礦安全監控系統在應急救援和事故調查中也發揮著重要作用，當煤礦井下發生瓦斯（煤塵）爆炸等事故后，系統的監測記錄是確定事故時間、爆源、火源等重要依據之一。 現存問題煤礦應按照煤礦安全規程和AQ17029-200

42、7煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范安裝、使用、維護和管理系統。但部分煤礦傳感器裝備數量和地點不滿足上述規程和標準的要求，更沒有按照規程和標準調校和維護，甚至將傳感器報警濃度調高，不使用斷電控制功能等。從國務院煤礦事故調查專家組參加:河北唐山劉官屯煤礦“12.7”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡108人）山西大同煤礦集團焦家寨礦“11.5”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡47人）山西臨汾瑞之源煤礦“12.5”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡105人）山西焦煤集團屯蘭礦“2.22”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡78人）河南平頂山市新華四礦“9.8”特別重大瓦斯爆炸事故（死亡79人）發現:事故礦均沒有按規程和標準要

43、求安裝、維護和使用系統。有的傳感器裝備數量不足有的安裝地點不正確有的報警濃度、斷電濃度和斷電控制設置不正確有的從不調校、有的不能正常運行、形同虛設。 例如：2009年2月22日發生死亡78人的特別重大瓦斯爆炸事故的屯蘭礦是事故礦中煤礦安全監控系統使用維護最好的煤礦，但仍存在著下述嚴重問題：（1）將回風巷甲烷傳感器報警值和斷電值調高至2.5%，如圖1-13所示。 （2）將4臺電氣開關設置在微風的12403工作面1號聯絡巷，但不設置甲烷傳感器，如圖1-14所示。因此，煤礦安全規程（2010年版）第132條第二款修改為“井下個別機電設備設在回風流中的，必須安裝甲烷傳感器并具備甲烷超限斷電功能”。（3

44、）系統工作不穩定，事故前20分鐘內，監測信號中斷4次，如圖1-13所示。圖1-13瓦斯監測數據多次中斷、斷電值調為2.5%CH4 圖1-14 12403采煤工作面1號聯絡巷布置圖1.4 礦井監控系統通用要求信息傳輸要求主要包括：傳輸介質、網絡結構、工作方式、連接方式、傳輸方向、復用方式、信號、同步方式、調制方式、字符、幀格式、傳輸速率、誤碼率、傳輸處理誤差、最大巡檢周期、最大傳輸距離和最大節點容量等。傳輸介質：雙絞線：扭在一起的兩根絕緣銅線所組成。同軸電纜：繞在同一軸線上的兩個導體組成，一個作為信號線、一個作為地線。光纜：核心為光纖，光纖由純凈玻璃或塑膠材料構成、覆層和保護層。無線介質：主要三

45、種傳輸技術，即微波、紅外線和激光。網絡結構網絡中互連的點稱為結點或站，結點間的物理連接結構稱為拓撲。通常有星形、環形、總線形和樹形拓撲結構，如下各圖所示。網絡拓撲結構圖信號復用方式傳輸多路信號主要有三種復用方式，即頻分復用、時分復用和碼分復用。頻分復用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻率范圍。時分復用是用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區間。 碼分復用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。信號表示模擬量的信號可以是模擬信號和數字信號兩種。數字信號同模擬信號相比具有以下特點：抗干擾能力強;傳輸中的差錯可以控制，傳輸質量高；可以傳遞各種消息，靈活通用；便于計算機存儲、處理和傳輸；便于本質

46、安全防爆隔離。因此宜采用數字信號傳輸，這包括分站至主站和傳感器及執行機構至分站之間的信號傳輸。通信方式對于點與點之間的通信，按消息傳遞的方向與時間關系， 通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。單工通信， 是指消息只能單方向傳輸的工作方式， 因此只占用一個信道， 如下圖所示。發端信道收端單工通信方式示意圖半雙工通信，是指通信雙方都能收發消息， 但不能同時進行收和發的工作方式，如下圖所示。發端信 道收端發端收端半雙工通信方式示意圖全雙工通信， 是指通信雙方可同時進行收發消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道，如下圖所示。發端信 道收端收端發端信 道全雙工通信方式示意圖傳輸模式

47、并行傳輸是將代表信息的數字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸，如下圖（a）所示。并行傳輸的優點是節省傳輸時間，但需要傳輸信道多， 設備復雜， 成本高， 故較少采用， 一般適用于計算機和其他高速數字系統，特別適用于設備之間的近距離通信。 串行傳輸是數字序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸， 如下圖(b)所示。一般的遠距離數字通信都采用這種傳輸方式。發送設備接收設備101(b)發送設備接收設備?(a)(a) 并行傳輸； (b) 串行傳輸并行和串行通信方式示意異步傳輸（串）比特被劃分成小組獨立傳送。發送方可以在任何時刻發送這些比特組，接收方從不知道它們會在什么時候到達。同步傳

48、輸（串）把若干個字符組合起來構成所謂的數據幀一起發送。調制方式基帶傳輸與頻帶傳輸相比具有設備簡單、成本低、便于本質安全防爆、便于樹狀系統使用(傳輸頻帶在低頻段)等優點。而調頻和調相具有抗干擾能力強的優點。因此，礦井監控系統宜采用基帶、調頻和調相傳輸。字符字符長度通常有5、6、7、8位等，但在實際使用中，為提高編碼效率一般采用8位。在廣泛應用的MCS-51系列單片機及其兼容系列中.為便于多機通信，可將8位數據后的第9位用做地址/數據標志位。停止位有1、1.5、2位，為提高編碼效率，一般采用1位停止位。因此礦井監控系統的字符長度宜為8位，由1位邏輯“0”表示開始，1位邏輯“1”表示停止，任意長度的

49、邏輯“1”表示空閑。字符最高位與停止位之間設1位地址/數據標志位(如下圖所示)，該位為邏輯“1”表示該字符為地址字符，該位為邏輯“0”表示該字符為數據(除地址之外的各種信息)字符。字符最高位與停止位之間也可設1位奇偶校驗位，宜采用奇校驗(如下圖所示)。幀格式 為標明一幀信息的接收地址、長度和類別等，井保證可靠的傳輸，在一幀中通常包括地址場、控制場、數據場和校驗場。還有標志幀開始和結束的開始標志和結束標志。在采用具有地址/數據標志位字符的幀格式中地址場可兼作幀開始標志，停止位兼作結束標志。在信號的遠距離傳輸過程中，會受到各種干擾而發生差錯，為保證裝置的傳輸質量，除提高裝置的信噪比外，采用差錯控制

50、措施是十分有效的方法。常用的方法有檢錯法和糾錯法。在計算機通信和工業監控系統中，通常采用奇偶校驗和循環冗余校駿，以提高編碼效率和降低設備的復雜性因此礦井監控系統的差錯控制方法宜采用奇偶校驗或循環冗余校驗。 因此，礦井監控系統的1幀宜由1個字符的地址場、1個字符的控制場、N個字符的數據場和2個字符的CRC校驗場(下圖所示)組成，CRC生成多項式宜采用CRC-CCITT，也可采用HDLC的幀格式(下圖所示)。傳輸速度比特率每單位時間傳輸的比特位，單位為比特每秒（bps)。帶寬媒體能夠傳輸的最高頻率與最低頻率的差值。也用于指媒體能夠傳輸的比特數。誤碼率用于監測的礦井監控系統的誤碼率應不大于10-6用

51、于監控的礦井監控系統的誤碼率應不大于10-8傳輸處理誤差為降低系統成本，模擬量一般采用8位字長表示 ，在A/D轉換過程中的處理誤差為小于 等于1/256，因此礦井監控系統的傳輸處理誤差應不大于0.5%.最大巡檢周期為保證實時性，需對最大傳輸容量下巡檢周期進行規定。由于礦井監控信號的變化比較緩慢，因此，礦井監控系統的最大巡檢周期應不大于30s，并應滿足監控要求。當然在不過多增加系統成本的前提下，傳輸周期越短越好。最大傳輸距離煤礦井下工作環境惡劣、維護困難，若采用中繼器延長礦井監控系統的傳輸距離，由于中繼器是有源設備，故障率較無中繼系統高，并且在煤礦井下礦井監控系統的供電受電氣防爆限制，在中繼器處

52、不一定好取電源，若采用遠距離供電還需要增加供電芯線。因此，礦井監控系統不宜采用中繼器延長傳輸距離。根據我國煤礦的具體情況，為滿足礦井的監控需要，主站至分站、分站至分站之間的最大傳輸距離應不小干10 km。由于高產高效工作面的出現，工作面走向長度可達I 500 m, 工作面長度可達200 m,因此，傳感器及執行機構至分站的最大傳愉距離應不小于2 km。最大節點容量一個網段的節點容量一般由譯碼能力、接口的驅動能力和傳輸距離等決定。譯碼能力一般與地址場的字長有關，因此，決定節點容量的關鍵因素是物理層。根據RS485、CAN等有關標準嚴格分析及測試，無中繼傳輸距離達10km的網段，其最大節點容量為12

53、8。雖然現有一些系統號稱可接分站數百個甚至上千個，但這僅僅是譯碼能力，沒有任何實驗及數據來證明該系統容量是可靠的，往往在實際使用中，會出現系統工作不穩定等問題。因此礦井監控系統的最大節點容量宜在8、16、32、64、128 中選取。取上述值除考慮物理層外.還應考慮便于二進制編碼的問題。模擬量、開關量和累計量等監測功能、聲光報警、手動（自動）控制功能、有備用電源、自檢報警、主機備份、實時存儲、顯示（內容顯示、繪制曲線、柱狀圖顯示和模擬動畫顯示等）功能、打印功能、人機對話功能、防雷、抗干擾、掉電保護功能、網絡通信功能、地面設備防靜電措施、穩定性、響應時間、電源波動適應范圍要求等(90%-110%地

54、面,井下75%-110%)。二.系統應具有的性能要求三.軟件要求 ?性能要求實時性:能周期性地循環運行而不中斷數據處理精度:處理誤差應小于0.5%死機率:軟件引起的死機率小于1次/720h鍵盤響應:從鍵盤輸入到執行該條命令的最長間隔時間小于30S中文功能:自檢功能:接入系統的傳感器分站等故障位置的自檢功能信息輸出和存儲功能:生成功能?單位、格式、時間、色標、符號及字符長度單位：計量單位必須符合法定計量單位。表示格式：模擬量一般采用三位有效數字表示，如低甲烷濃度表示為：0.00%CH4、煤倉煤位00.0m等。開關量狀態：可用漢字（如開/停）、字符(如ON/OFF)、圖形顏色（如紅色為停止、綠色為

55、工作）等。時間：如秒、分、小時、天和月等。色標：紅色表示超限報警、設備故障、停止運行和電力網有電等。黃色表示設備維修不用、測點不巡檢、接收不到信號、電力網無電。綠色表示正常運轉工作。符號：如A-模擬量、D-開關量、I-輸入、O-輸出等。字符長度：名稱一般不超過8個漢字。?顯示?報警?存儲記錄?打印1.5 礦井安全監控系統規定使用與維護要點 （1）選用符合AQ6201-2006煤礦安全監控系統通用技術要求等，取得礦用產品安全標志準用證和防爆合格證的系統。 （2）按照煤礦安全規程和AQ1029-2007煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范設計、安裝、使用、管理與維護系統。 （3）甲烷、風速、風壓、風筒、風門、局部通風機開停、主通風機開停、饋電狀態等傳感器要按規定的數量和地點正確安裝與維護。 （4）根據被控對象的不同，正確連接甲烷斷電閉鎖和風電閉鎖。 （5）根據工作面和回風巷等不同地點，正確設置報警濃度、斷電濃度、復電濃度和斷電區域。 （6）每隔10天使用校準氣樣和空氣氣樣對甲烷傳感器進行正確調校，同時對甲烷斷電閉鎖和風電閉鎖功能進行測試。 （7）甲烷超限報警、斷電、饋電異常、停風報警后，要及時采取停電、撤人等安全措施。 一般規定1.煤礦企業應建立安全儀表計量檢驗制度。2.高瓦斯礦井、煤（巖）與瓦斯突出礦井，必須裝備礦井安全監控系統。沒有裝備礦井安全監控系統的礦井的煤巷、半煤巖