煤矿安全监测监控系统

第十章安全监测监控系统

10.1监测系统的结构10.2监控系统电源10.3煤矿安全监测监控系统10.4

安全监测监控系统辅助管理10.5

监控信息远程管理10.6监测监控系统可靠性分析本章重点：系统结构、功能、电源和辅助管理计划学时：4个学时

10-1、安全监测系统的结构1．集中式1）定义：集中式控制是一种中心计算机直接控制被控对象的系统。2）特点：A、集中式控制是信息采集、分析处理、信道管理，控制功能均由地面中心站计算机完成；B、数据传输量大、负担繁重，中心站计算机是系统关键性节点，当中心站和传输通道发生故障时，将导致整个系统的瘫痪。集中式控制系统大多为星型结构。10-1、安全监测系统的结构1．集中式3）优点：A、结构简单，将多个节点连接到一个中心节点；B、增加、扩展节点十分方便。4）缺点：中心节点是整个系统的“瓶颈”，该系统的可靠性很大程度上取决于中心节点。Eg1、网吧各计算机看作传感器（显卡、内存），老板的计算机看作中心计算机（网卡、硬盘、CPU等等）；Eg2、把各个系分站简化为一台计算机，网络中心看作中心站计算机。（网速受限制）10-1、安全监测系统的结构1．集中式2．分布式分布式多级计算机控制系统，简称DSSC系统，实时控制系统中广为采用的一种控制系统。1)定义：分布式多级计算机系统是由分布在不同地点，以协作方式互相配合进行工作的多计算机系统。一般在几个地方设置执行简单任务的低档计算机，而较复杂的任务则集中由中、高档计算机去执行。执行局部独立控制功能的低档计算机称为下级计算机，而对各下级机起协调作用担任高级控制与管理职能的称为上级机，一般分布式系统都有这两个层次。（后面的信道容量）由于下级机有信息处理功能，因而与上级机间的信息交换往往是被压缩的信息，这种最少通讯原则无疑提高了系统可靠性。10-1、安全监测系统的结构1．集中式2．分布式10-1、安全监测系统的结构1．集中式2．分布式3．树状式监测监控分布式系统多用树型结构来实现优点：1）树型结构拓扑简单，适合安装施工；2）信息单一，系统的规模易于扩展；3）地面中心站只须用一根电缆直通井下，井下各分站都并联在这根主传输电缆上；4）分站连接十分方便灵活，可根据矿井现场情况灵活配置；5）分站与分站之间并联连接，任一分站的故障对其它分站无影响，分站的可靠性较高。10-1、安全监测系统的结构1．集中式2．分布式3．树状式监测监控分布式系统多用树型结构来实现缺点：1）在首末分站距离较远时阻抗难以匹配；（阻抗匹配：是指在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等，此时的传输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了。）2）总线断路，中心站和各分站都不能交换信息。树型结构，只需一根主传输电缆，因此也叫单树结构。为了克服单一信道的缺点，可以采用多树结构。根据矿井的规模，从井口到井底敷设适量的传输电缆，每根电缆可带适量的分站构成一个子系统，由于各子系统之间是相互独立的，所以，任一子系统的故障对其它子系统无影响。10-1、安全监测系统的结构1．集中式2．分布式3．树状式4、其它结构形式1）总线型结构2）星型结构3）环形结构

总线型结构星形结构环形结构

煤矿井下使用的各种电气设备均应符合防爆要求。安全监控设备大都采用本质安全型设备，但由于本质安全型电路容量较小，目前本质安全型电气设备最大输出功率仅为20W，这对一般电气设备的控制、通信及监测仪表来说容量是不够的。为此，除了降低仪表整机功耗外，通常采用的是隔爆兼本质安全型设备，标志为di，即高功耗部件，制成隔爆结构，而容量小于20W的则制成本质安全型，以满足煤矿井下安全生产需要。监控系统对电源有特殊要求。10.2监控系统电源爆炸性环境用电气设备类型及标志一、防爆电气设备分类按使用环境的不同分为两大类：Ⅰ类：用于煤矿井下的电气设备。主要用于含有甲烷混合物的爆炸性环境。Ⅱ类：用于工厂的防爆电气设备。主要用于除甲烷以外的其它各种爆炸性混合物环境。（Ⅱ类：按最大试验安全间隙和最小点燃电流比又可分为ⅡA、ⅡB、ⅡC）10.2监控系统电源防爆电气设备类型标志防爆电气设备类型标志隔爆型d正压型p本安型i特殊型s增安型e充油型o浇封型m无火花型n气密型h复合型（隔爆＋本安型）di充砂型q矿用一般型ky

二．安全栅----安全保持器1、安全栅：本安回路的安全接口，它能在安全区和危险区之间双向转递电信号，并可限制因故障引起的安全区向危险区能量转递。2、安全栅设置位置(1)介于现场设备与控制室设备---由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口，因此无论控制室设备处于正常或故障状态，安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全。

(2)地面一般型电气设备与井下设备间----安全监测系统除井下设备外，地面还有一些一般型电气设备，为防止非本质安全型电路的电流或电压串入井下，破坏井下设备本质安全性能，必须采取电气隔离措施，如采用安全栅等等。

10.2监控系统电源二、安全栅----安全保持器3、安全栅种类1)．齐纳式安全栅

齐纳式安全栅可起限压或限流作用，可以很好的防止非本质安全电流串入本质安全电路。D1及D2是双重化稳压二极管，使安全栅输出端最高电压不超过二极管稳压值，故能起稳压作用；RD是熔断器，保护稳压二极管不被烧毁击穿；R2是限流电阻，当输出端短路时，保证其短路电流不超过本质安全电路的限定值。10.2监控系统电源图

齐纳式安全栅的电原理图二、安全栅----安全保持器3、安全栅种类1)．齐纳式安全栅齐纳式安全栅要求：(1)安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能。(2)要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送，并且由于信号接地，直接降低信号抗干扰能力，影响系统稳定性。10.2监控系统电源图

齐纳式安全栅的电原理图二、安全栅----安全保持器3、安全栅种类1)．齐纳式安全栅2)．光电隔离安全栅--由发光二极管和光敏三极管组成。发光二极管因外加电信号而发光，光再传到光敏器件以改变其电导，形成线路功能，把信号传输出去。在此，输入信号和输出信号之间只有光的联系，没有电的接触，也可不共地，因而切断了两部分电路在电方面的联系，起到安全栅的作用。10.2监控系统电源光电隔离安全栅二、安全栅----安全保持器3、安全栅种类1)．齐纳式安全栅2)．光电隔离安全栅

特点：1)由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。2)对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式仪表3)由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。4)隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，齐纳式安全栅所无法做到。5)隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。10.2监控系统电源三．本质安全型电源

1、本安(IS)的原理有意地限制危险区域电路的电能,使任何可能产生的电路火花或热点都变得极弱小而不至于引爆气体。2、实现它是通过在安全区域和危险区域之间的线路中安插一个能量限制接口来实现的。这个能量限制接口可根据需要向任何一个方向导电，但限制在故障情况下能传到危险区域的电压和电流强度。它可以集成在安全区域设备中,也可以根据需要单独使用。本质安全型电源可由电池或通过整流来获得。10.2监控系统电源

目前国产监测系统较为成熟且使用量较大，如表8-6-1列出了部分监测系统主要技术参数。这些系统特点是操作方便，系统主计算机均采用微机，功能都较齐全，容量大，软件丰富，井下与地面计算机通讯均选用RS232串行接口。煤矿安全监测系统的应用促进了矿山管理水平的提高，增强了矿山抗灾能力。监测系统的可靠性主要取决于传感器和分站，系统的运行费用主要花在传感器的维护、校正、管理上。另外，根据操作环境、人机对话适应性的要求，使用单位在系统选用、人员培训，以及人才及知识储备方面都不足，造成系统管理运行难度较大。10.3煤矿安全监测监控系统一、KJ66系统简介

KJ66系统是集电子、自动化、计算机、通信、软件之技术一体。

KJ66系统能融通风安全环境监测、矿井生产监测监控和工业摄像监视监控于一体。能接入各种类型的模拟量传感器：如瓦斯、一氧化碳、风速、温度、湿度、负压、烟雾、煤仓煤位、水仓水位、流量、电流、电压……，又能接入各种类型的开关状态传感器：如风门状态﹑风筒状态；主扇﹑局扇﹑水泵、皮带（跑偏﹑打滑﹑撕裂）﹑提升机、采煤机﹑掘进机﹑皮带运输机等设备的开停传感器，对机电设备﹑局部生产环节及生产过程进行实时控制和接收工业摄像机的图像及对摄像头进行遥控。系统具有很强的数据分析和处理能力，能对监测数据进行汇总，生成统计报表和进行趋势分析等，以动态图形﹑曲线﹑表格等方式输出显示。

10.3煤矿安全监测监控系统二、KJ66监测监控系统组成和主要技术指标

1、组成：KJ66安全生产监控系统由地面中心站、网络系统、传输系统、智能分站、各种安全生产参数传感器、断电仪、报警器以及可扩展的核子秤、瓦斯抽放、电力监测、提升、摄像控制等子系统组成。2、主要技术指标有：1）系统容量：可接分站数量：64个；可接测点数量：2304个

非智能型传感器：模拟量输入/开关量输入/控制量输出各512个,共计1536个，

智能型传感器：768个。2）巡检周期：每台分站为0.2s。按64台分站计算，系统最大巡检周期是12.8s3）误码率：中心站到分站，分站到智能传感器均小于10-6。4）测量精度：普通精度：测量精度为0.4%。高精度：测量精度为0.1%5）可接入的传感器信号类型：

频率型：200～1000Hz(优选)，0～15Hz0～150Hz(64～214Hz)模拟量

0～3000Hz核子秤电流型:1～5mA

,4～20mA模拟量传感器;0-5mA-10mA，0～±5mA开关量传感器电压型：0～1V，0～5V，模拟量传感器；触点型：常开/常闭智能型：标准的RS485数字信号传感器智能传感器6）后备电池供电时间：满载≥4小时10.3煤矿安全监测监控系统64×（8+8+8+12）

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能

10.3煤矿安全监测监控系统中心站主机：巡检扫描分站来采集数据，并将处理后的数据通过地面网络系统发送到各级领导办公室及各部门使用的多功能终端、多媒体工作站和多屏多画系统。显示方式：按图标显示分站的综合状态（包括正常、有一或多个传感器超限、交直流供电及传输误码和中断）；按分站显示内部各通道数据和状态，还可按页（动态显示页）组织和显示测点；可在超限测点窗口查看所有超限测点的情况，也可在提示信息窗口看到测点状态变化的情况；各设备还提供了曲线、历史记录、运行记录功能来监视数据。

KJ66能够管理1～64分站，包括KJF23系列、KJ2007系列等多种分站类型。KJF23A型分站的容量为：8路模拟量、8路数字量的输入，8路控制量的输出。

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能

10.3煤矿安全监测监控系统（1）分站就地断电控制；（2）中心站可定义由中心站实施控制或由分站实施控制；（3）程序控制与手动控制；（4）本地分站控制与异地分站控制；（5）超上限控制与超下限控制；（6）不仅在数据正常情况下可实现控制，在出现断线、负漂和溢出等特殊情况下用户也可设置是否进行控制；（7）既可由模拟量数据控制，也可由数字量状态控制。

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能

10.3煤矿安全监测监控系统“变值变态记录”：就是在测点数值或状态改变时进行记录，即实时记录两个优点：A、当测点数值保持不变或变化范围较小的情况下，不需要重复记录这些相同或基本相同的数值，变值变态记录就使这些重复的记录减少到最低程度；（避免低瓦斯矿井瓦斯爆炸）B、当测点数据变化较大、较快时，又可详细记录每一变化的细节。而对于“定时记录”在上述两种情况下，则分别会出现重复记录和丢失记录的情况。（可详细记录瓦斯喷出、突出瞬间瓦斯浓度变化）采集的数据可进行二次处理，包括计时、计数、线性计算、闭锁控制等。

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能

10.3煤矿安全监测监控系统多屏多画面：系统提供了完全面向非计算机专业人员，操作简单、功能强大的图形及动画制作软件XD510。借助键盘和鼠标可简单、方便地绘制用户所需的各种图形。（有特长）

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能

10.3煤矿安全监测监控系统用户可选择某一月内任意时间段内的任意测点进行查看记录、显示曲线的操作，可查看长达一个月、短至一分钟的测点变化趋势（股票预测），并将处理结果形成文件存于硬盘中，用户可随时调出查看。用户可同时查看不同时间段、不同测点的曲线，并且可以放大与缩小，以进行比较和分析。

在报表方面，用户既可生成格式与大小可由用户自行定义的普通报表，还可生成核子秤报表、瓦斯抽放报表以及针对超限测点的超限报表。（数据上传、自动计算平均值、均方差等、查询）

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能

10.3煤矿安全监测监控系统以太网络实现了主机与其它计算机、多屏多画系统、大屏幕投影、模拟盘、图形工作站等设备的实时数据，历史记录数据等资源的共享。同时可实现与上级机关或其它部门的数据信息共享。系统中心站主机可与XD510多媒体终端（可同时收看监测数据、电视节目、工业电视以及播放CD唱片、VCD影碟）和多屏幕画面实时显示系统组成网络。XD510多媒体工作站既能监测实时数据，又能查询办公自动化信息。联网功能的实现使煤矿安全生产调度自动化管理的水平大大提高了一步

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能

10.3煤矿安全监测监控系统系统中心站配备有核子秤计量软件，该软件从分站读取数据及初步统计数据，根据其它参数计算出流量、负载、班产、日产，并在网络上广播数据，使网络上的每台计算机都能查看到这些数据。另外，它还能监视核子秤系统中输送机的运行情况。

（高速公路入口自动计重测量；《平凡的世界》多劳多得、不劳不得；现在电子考勤、代考勤、考勤后不下井——李一矿）特点：抗干扰性强、统计准确、安装方便、节省设备、维护简单、成本低。

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能

10.3煤矿安全监测监控系统系统具有对瓦斯抽放的计算与统计功能。通过对抽放管道和抽放源中的差压、负压和温度等数据的采集。计算出流量，再根据气态方程可计算出瓦斯的混合抽放量，再根据浓度计算出瓦斯的纯抽放量。三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能

7、电力监测功能

10.3煤矿安全监测监控系统通过电量采集器将中央变电所配电柜上的电流、电压、功率因数、开关状态以及采区变电所配电柜的电流、电压、漏电流及保护控制状态传送给KJF23型分站，再通过分站传输给中心站主机，使人能在地面监视井下电力系统的运行状况。

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能7、电力监测功能

8、提升监测功能

10.3煤矿安全监测监控系统中心站根据提升分站测量的数据计算出提升机的位置、速度、提升次数，如果提升机是用于提煤的，那么可以根据提升次数及每次的提升重量，统计出各班的总提煤量，并在网络上广播数据，使网络上的每台计算机都能查看到提升机数据。（副井罐笼进人）特点：测量方法简单、可靠性高、统计准确、安装方便。

三、监测监控系统功能

1、监测功能2、控制功能3、数据处理、显示和生成报表功能1）数据记录和处理2）数据显示3）数据存盘和生成报表4、网络功能5、核子秤计量功能6、瓦斯抽放计算功能7、电力监测功能

8、提升监测功能9、工业摄像控制功能10.3煤矿安全监测监控系统仙岛工业摄像监控系统率先实现了在计算机上对摄像机、云台的遥控，而且借助于网络实现了多机群控。控制软件以Windows98为平台，32位编程，操作方便，易学易用。除设有选台，遥控操作外，还具有画面捕捉、动态存储、回放、打印等多种功能。系统有良好的拓展性，前端摄像单元和网络控制用户都可以在使用中适时增加10.4安全监测监控系统辅助管理一、数据信息管理安全检监测监控系统的数据来自于传感器，按数据的来源和作用分：1、动态数据（监测瓦斯、风速、负压、温度、一氧化碳、风门开关；煤仓煤位、水仓水位、设备开停；电压、电流、功率等）2、逻辑量及状态量（地点、名称、单位、报警门限、断电门限、监测值、最大最小值、断电命令、超限报警、传感器故障、封锁和解锁；开停时刻、状态、工作时间、开停次数、传感器状态等）3、历史数据管理（常见2分钟存盘一次）4、图形信息管理（生产现场的状况实时图像-现场设备工作状态、场所安全状态、生产系统模拟、系统数据分析）二、辅助决策管理在安全监测监控系统中，通过集成专家系统、决策辅助、人工智能软件，建立起一个集矿井监测、监控、监视、调度、通信、计算机管理为一体的矿区安全管理与控制的信息网络，实现安全生产自动化和管理现代化，提高生产效率。很多大专院校和研究院开发了相关的决策辅助管理软件，如：西安科大的“矿井通风系统安全评价的定量分析”，与KJ66,KJ95系统连接，利用监测信息实现辨识、分析、评价和控制。10.4安全监测监控系统辅助管理三、安全监测监控管理软件系统设计（一）系统设计原则1、实时性2、针对性3、灵活性和通用性4、可靠性（二）管理软件系统设计步骤1、系统定义--就是清楚地列出系统的各个部分与软件设计有关的特点，并进行定义，以作为软件设计的依据。·输入定义首先列出系统向微机提供的所有输入项，然后对每个输入提出问题。·输出定义首先列出要求微机产生的所有输出项，然后对每个输出提出问题。·定义存储器指对存储器资源如何管理，工作区如何划分?是否采取存储器掉电保护。·定义信息处理方式从读入输入数据到送出输出结果之间的阶段称为处理阶段。在这个阶段必须精确确定用什么方法处理输入数据以获得要求的结果。·定义错误处理方式系统出现错误是难免的，因此，设计者必须为排错及诊断故障做好准备。·定义操作要求任何系统都需要人来干预，即要进行人机对话，因此必须考虑操作者最合适的输入方式和操作步聚，何种显示形式能很容易地提醒操作员出现的操作出错。10.4安全监测监控系统辅助管理三、安全监测监控管理软件系统设计（一）系统设计原则（二）管理软件系统设计步骤1、系统定义--就是清楚地列出系统的各个部分与软件设计有关的特点，并进行定义，以作为软件设计的依据。·输入定义

·输出定义

·定义存储器

·定义信息处理方式

·定义错误处理方式

·定义操作要求

2、程序设计----制定程序步骤的纲要，也就是将系统定义的问题用程序的方式进行描述。绘制流程图、结构化程序设计、模块化程序设计和自顶向下设计等，都是此步骤的有效方法。3、编程----就是将程序流程图中的一系列操作，编译成计算机能够接受的具体程序。编程可以采用机器语言、汇编语言或高级语言。采用何种语言编程，应根据系统情况、要求设计人员技术水平而定。9.4安全监测监控系统辅助管理一、远程监测监控方法1、服务器/客户机模式--是连接在以太网里，将中心站计算机作为网络的服务器，然后在连入网络中的其它计算机上，安装该监测监控系统的网络管理软件到本地机上，就可以实时观察监测监控系统所监测到的信息。2、WEB模式的监测信息浏览在局域网里，通过专门的接口程序和插件，与监控中心站主机建立通信机制，来保证在图形模式中，实现数据信息的远程浏览。3、基于IP的宽带监控系统由于信息量的增大，新的一代互联网技术得到了应用。如煤科总院重庆煤科院研制开发的KJ90分布式网络化煤矿综合监控系统，主干传输平台即采用了基于IP的工业以太网通信技术，将地面以太网技术直接延伸至煤矿井下环境，为矿井构筑了先进、可靠、标准、高速、宽带、双向的综合信息传输平台，使得矿山安全和综合自动化系统的各种监控设备、自动化过程控制设备、语音通讯设备、图象监控设备等都以IP方式接入。并与煤矿企业的Internet／Intranet整体架构实现无缝连接。10.5监控信息远程管理

二、监控信息远程管理因为所有监测信息都是在中心站计算机上反映出来的，故只要能使中心站计算机跟其他计算机网络连接起来，就可以在网络中进行异地资源共享和传播。1、瓦斯变化实时监控和预测2、矿图等图形信息交换3、其他文件性信息远程传输（生产安全工作汇报文件、安全监测专项技术文件等）10.5监控信息远程管理

10.6监测监控系统可靠性分析一、安全监测监控系统可靠性基本理论可靠性是产品在规定条件下和规定的间内,完成规定功能能力。（一）可靠性的五个要素1、产品。单独研究和试验任元件、器件、机器、设备和系统。2、规定条件。指产品在其全寿命周内所受全部外部作用条件。3、规定时间。指规定产品完成规定能的时间。4、规定功能。指产品的性能指标。5、能力。说明产品的可靠性程度。它仅有定性的含义,还必须有定量的规定。10.6监测监控系统可靠性分析一、安全监测监控系统可靠性基本理论可靠性是产品在规定条件下和规定的间内,完成规定功能能力。（二）可靠性分类可靠性：固有可靠性：产品在生产厂及生产过程中就已经确立了的一