8 煤矿安全监测监控系统

1、第八章 煤矿安全监测监控系统,第八章 煤矿安全监测监控系统,1 概述 2 监测系统的结构 3 安全监测计算机网络基础 4 监控系统电源 5 煤矿安全环境监测监控系统功能 6 安全环境监测监控系统辅助管理,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.1 概述,安全监测监控系统：多学科、综合性强,计算机技术,通信技术,控制技术,电子技术,第一节 概述,安全监测监控系统,楼宇安全监测通信系统,建筑消防监测监控系统,公路交通安全监控系统,煤矿安全监控系统,第八章 煤矿安全监测监控系统,一、安全监测监控系统组成 1、测控系统的基本概念 “测”检测各种环境安全参数、设备工况参数、过程控制参数等； “控”根据检测参数

2、去控制安全装置、报警装置、生产设备、执行机构等。 监测系统若系统仅用于生产过程的监测，当安全参数达到极限值时产生显示及声、光报警等输出的系统； 监测监控系统除监测外还参与一些简单的开关量控制，如断电、闭锁等的系统； 计算机监控系统在监测系统上增加了对生产机械的控制、调节功能的系统。,第一节 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,长英科技为楼宇温度监测系统,8路总线分支器,智能RS232/以太网（TCP/IP）网桥,多功能采集模块,连接网络整合,一、安全监测监控系统组成,第一节 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.1 概述,一、安全监测监控系统组成,第一节 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,

3、第一节 概述,一、安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,2)监测监控系统的组成 人体实际上也是一个“监测监控系统”。人通过五官（传感器）感受外界的信息，通过神经（传输信道）传输给大脑（计算机），大脑经过分析、判断，指挥四肢等器官（执行机构）的动作。信息由大脑集中管理，产生的动作由四肢等器官分散控制，这里可以将其称为。,第八章 煤矿安全监测监控系统,煤矿安全生产监测控系统层次上一般是分为，如图8-1-1所示。,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,典型煤矿安全监测监控系统的组成 集散测控系统,第一节 概述,一、安全监测监控系统组成,两级或三级管理的计算机

4、集散系统（DCS: Distributing Center System）： 传感器： 测控分站级： 传输信道： 中心站级。每个测控分站负责某几路传感器信号的采集和某个执行机构的控制，实现了采集、控制分散；中心站负责数据的处理、储存、传输，实现了管理的集中。中心站与分站和计算机网络之间的通信、传感器到测控分站的数据传输、测控分站到执行或控制装置信号的传输，是通过传输信道实现的。典型监测监控系统的组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（1）测控分站 测控分站，简称分站。根据放置地点和防爆要求的不同有井下分站和地面分站之分。 分站的主要功能是采集由传感器传来的环境安全参数、设备工况参数等信息，并进行

5、预处理。根据预先设定的参数极限，发出超限声、光报警信号和断电、闭锁信号，与中心站通过传输信道进行通信，传输被测量信息，接收中心站的命令。井上、井下信息的交换必须加安全栅隔离。 测控分站的核心是以单片机组成的微型计算机系统，包括CPU、ROM、RAM、I/O接口，必须的外设，系统软件和应用软件。,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,1）传感器 将被测的物理量转换为便于传输和处理的电信号，经传输线和测控分站连接，为测控分站提供信息，按输出信号的种类传感器有模拟量传感器和开关量传感器。根据监控系统的特点和

6、考虑抗干扰等因素，很多传感器采用频率信号输出，为测控分站的采集和处理带来了很大的方便。 有的传感器本身就是智能传感器，输出为数字量信号，可不设置测控分站，由传感器与中心站直接交换信息。,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.1 概述,安全监测监控系统组成,矿用传感器,瓦斯、风速、负压、一氧化碳、烟雾、温度、风门开关；各种机电设备开停、电压、电流、功率、电度等矿用传感器,第八章 煤矿安全监测监控系统,温度传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,温度传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,湿度传感器

7、,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,压力传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,位移传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,流量传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,粉尘浓度传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,风速传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,角度传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,高度传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿

8、安全监测监控系统,称重传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,扭矩传感器,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,2）执行和控制装置 执行或控制装置是根据分站或中心站的命令，进行状态转换和控制的装置，主要包括声、光报警装置，断电、闭锁装置等。 报警装置的作用是根据安全参数的极限值发出声、光报警信号。 断电、闭锁装置的作用是在安全参数超限时，切断工作面工作设备的电源，以免发生事故或防止事故的扩大，从而实现了工作面电源的闭锁。,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站 中心站的关键设备是主机，采用高可

9、靠性的计算机，如工控机等作为主要部件。主机一般设置2台，采用冷备份或热备份的方式，互为备用。主机的作用是系统的生成、系统的管理、进行数据的处理和输出、并进行必要存储，必要时对关键设备实施控制。 就其技术而言，测控系统是传感器技术、通信技术、计算机技术、控制技术、网络技术等信息技术的综合。 就其地位而言，测控系统是企业综合自动化CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems，计算机集成制造系统）中的子系统，是计算机网络中的结点。,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章

10、 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）中心站,8.1 概述,安全监测监控系统组成,第八章 煤矿安全监测监控系统,（1）合理利用瓦

11、斯超限断电功能，杜绝瓦斯超限。 （2）监督安全技术措施的落实，及时消除瓦斯隐患。 （3）为快速查找瓦斯超限原因提供帮助。 （4）为矿井瓦斯治理提供基础数据。,8.1 概述,安全监测监控系统的作用：,第八章 煤矿安全监测监控系统,安全监测监控系统应用于煤矿生产，起源于对矿井瓦斯进行检测的安全需求。据记载，世界上最早见诸于学会报告的瓦斯爆炸事故是发生于1675年英国北威尔士欣煤矿的一次瓦斯爆炸。第一次伤亡超过百人的瓦斯爆炸事故发生于1825年的英国奈尔生多煤矿，死亡102人。第一个伤亡超过千人的瓦斯爆炸事故发生于1906年的法国傅立叶煤矿，死亡1099人。由此可见，在测量措施和安全措施没有完备以前

12、，由于破坏力的巨大，煤矿瓦斯爆炸已经成为当时社会瞩目的安全问题。,8.1 概述,二安全监测监控系统技术发展历程,第八章 煤矿安全监测监控系统,1、瓦斯检测技术的发展过程 最早英国1815年安全灯：构造简单，性能可靠，使用寿命长，用了100多年。,8.1 概述,二安全监测监控系统技术发展历程,第八章 煤矿安全监测监控系统,1、瓦斯检测技术的发展过程 光学瓦斯检定器：1925年日本根据瓦斯气体对光线的折射率与空气的折射率不同的原理，利用干涉条纹的位置来测定瓦斯浓度。,8.1 概述,二安全监测监控系统技术发展历程,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.1 概述,二安全监测监控系统技术发展历程,第八章 煤

13、矿安全监测监控系统,1、瓦斯检测技术的发展过程 催化型瓦斯监测仪器（占主要地位）：1943年以前-美国-VCC瓦斯测量仪-用纯铂丝催化元件;随后，日本-制成最早的载体催化元件;此后，据前联邦德国-研制成功利用氧化铝（Al2O3）为载体，钯（Pd）、钍（Th）为催化剂的载体催化元件，获得了较好的测量性能。,8.1 概述,二安全监测监控系统技术发展历程,第八章 煤矿安全监测监控系统,2、国内外瓦斯安全监测监控系统 1961年以后，英、美、法、德、日、前苏等工业发达国家，都把发展催化型仪器作为瓦斯检测的主要方向。同时，从1960年代开始，微型计算机技术、通信技术的发展，使得国外煤矿安全监测已经不单单

14、是自动监测矿井瓦斯浓度参数，而是集多种安全状态参数于一体监测的系统，是传感器技术、半导体材料技术以及通信技术综合产品。从技术特性来看，其信息传输是靠空分制即一个测点信号靠一对电缆来传输。其中最具代表性的是20世纪60年代中期法国的CCT63/40煤矿环境监测系统，它可测量瓦斯、一氧化碳、风速、温度等参数，最多可测40个点。,8.1 概述,二安全监测监控系统技术发展历程,第八章 煤矿安全监测监控系统,1958年：最早，出现于的山西省纯铂丝元件为传感器AQR-1型瓦斯测量仪。 1973年：长期连续监测瓦斯的AYJ-1型瓦斯遥测仪ABD-1型瓦斯断电报警仪、AQD-1型采煤机瓦斯断电控制仪等产品出现

15、。 同时，在1970年代煤矿已经采用了多路载波传输技术和模拟显示进行环境参数和机械状态的监测，用电话来指挥生产。随着改革开放的国策出台，开始引进了波兰CMM安全检测系统，英国的MINOS系统，美国的DAN系统和联邦德国的TF-200系统。 1980年：随着引进消化并进一步实现“国产化”，创造了一系列适合我国煤矿条件的监控系统。 1990年：先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80等煤矿安全监测监控系统。随后又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统, 以及MSNM,WEBGIS等

16、煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。 同时在“先抽后采、监测监控、以风定产”十二字方针和煤矿安全规程等法规文件中，规定我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井必须装备矿井安全监测监控系统。,8.1 概述,二安全监测监控系统技术发展历程,中国,第八章 煤矿安全监测监控系统,三安全监测监控系统发展应用现状 1、国外安全监测监控系统发展和应用 国外安全监测监控系统，在应用于煤矿生产过程中，是集环境安全、生产控制、调度运输等各方面功能于一体的复合系统。截至目前，如果从系统信息传输方式来刻划的话，基本上每10年就有又一代新产品出现，目前还没有明确的划分标志。如果按照安全监测监控系统信息传输特征

17、来区分的话，可以将其分为如下几代产品。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,第一代产品：信息传输采用空分制方式，这是国外最早应用于煤矿安全监测监控的信息传输方法。在20世纪60年代，英国煤矿的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制等大都采用这种技术，其中最具代表性的是法国的CCT63/40矿井环境监测系统，它可以检测瓦斯、一氧化碳等多种参数，布置40多个测点。到了20世纪70年代末，这一系统在西欧一些国家共装备了150多套。其中波兰在70年代从法国引进这一技术后，推出了可测128个测点的CMC-1系统。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,第二代产品：其主要技术特征是信道的频分制

18、技术的应用，它可以大大减少传输信道电缆芯数目，于是很快取代了空分制系统。英、美、德等国家的煤矿在20世纪60年代后期就大量采用频分制技术。其中最具有表性的是西德Siemens公司的TST系统和F+H公司的TF200系统，这些音频传输系统，信息传输技术以晶体管电路为主，它比空分制信息传输前进了一大步。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,第三代产品：是在集成电路技术出现以后，推动了时分制信息传输技术发展。其中发展较快的是英国，英国煤炭研究院于1976年推出了轰动一时的以时分制为基础的MINOS煤矿监控系统。在皮带运输系统应用取得成功后，他们立即推广到井下环境监测、供电供水监测和洗煤厂监控

19、等方面，形成了全矿井监测监控系统。到了20世纪80年代初，MINOS监控系统已经相当成熟，在英国国内得到大量推广，还向美国和印度出售过。这一系统的成功应用，开创了煤矿自动化技术和安全监控技术发展的新局面，直到今日，国内外各种监控系统尽管在功能性和产品的技术先进性上都有较大的提高，但系统的整体结构仍没有太大的变化。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,第四代产品：是以分布式微处理机为基础的安全监控系统。近年来，计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术以及计算机网络技术等现代高新科技应用于煤矿监控系统，使得矿井安全监测监控技术跻身于高科技之列。以美国最为突出，最具代表性的是美国MSA公

20、司的DAN6400系统，其信息传输方式虽然仍属于时分制范畴，但用原来的一般时分制的概念已经不足以反映这一高新技术的应用特点。 淮南潘一矿1985年引进DAN6400。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,第五代产品：是光纤通信技术为基础的安全监控系统。采用光纤通信技术是国外煤矿监测监控系统近年来发展的特点之一。光纤技术应用之一是利用光纤高速数据通道将地面中心站与井下分站连接起来，提高信息传输速度，扩大系统容量。日本采矿研究中心利用局域网络(LAN)技术能够构成宽带传输线、具有高传输速率的特点，提出并开发了双回路环形系统。新系统由地面站、局域网系统(主系统)、本质安全子系统构成。 主系统

21、由一对光纤构成环路； 每个站之间最大通讯距离达6km； 采用再生重复传输方法，传输速度8.192Mbps； 当某处电缆断开时，系统可以改变传输路线； 某分站断电时，可将该分站旁路，不但增加了系统的信息量，可靠性也得到了很大的提高。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,1995年美国矿业局开发了光纤环境监测报警系统(FOREWARNS)，对矿井的CO、NO2、SO2这3种有毒气体进行监测。该系统由中心站(CMS)通过一个大芯径光纤向3种传感器提供光源。中心站由显示单元、激光组件组成，通过分光器将光信号分布到每个敏感组件(RSU)上。利用光纤技术监测瓦斯是气体传感器技术的新途径、新发展。美

22、国、英国、瑞典、日本、澳大利亚等国家均开展了该技术的研究工作，澳大利亚和美国还在煤矿进行了试验。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,该技术特点是利用了甲烷吸收某一特定波长的红外线能量的原理，甲烷的强吸收带虽然在3.3m，但在该波长下，硅光纤材料传播红外线能量的损失太大一般是将波长选在其谐波，即1.6m处。如果在光纤芯中，3.3m波长的红外光传播的光能损失是56dBkm。而在同一光芯中其谐波的光能损失只是它的156。此外，在这一波长的红外光源和探测器也是成熟的技术。光纤瓦斯传感器与载体热催化式瓦斯传感器相比有明显的优点，主要表现为线性范围宽(0100CH4)、线性误差小(0.1CH4)

23、、稳定性好(0.1CH4月)、响应时间短(s)、寿命长。由于在危险场所无电气连接，所以安全性能好。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,2、国内安全监测监控系统的发展和应用 煤炭科学研究总院常州自动化研究KJ1系统。 20世纪80年代初，引进了两套CCT63/40矿井环境监测系统，分别装备了阳泉一矿和兖州东滩矿。 80年代中期，引进了两套CMC-20型系统装备了抚顺龙凤矿和开滦赵庄矿，并由抚顺煤矿安全仪器厂引进CMM-20制造技术。 1984年，原煤炭部从西德F+H公司引进一套TF200系统，装备了兖州兴隆庄煤矿，并由重庆煤矿安全仪器厂引进其制造技术。 由此，国内不少矿井装备了TF20

24、0系统。同年从美国引进了两套MSA公司（矿业安全设备有限公司）的DAN6400系统，分别装备在淮南潘一矿和鸡西的小恒山矿。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,在20世纪80年代初，原煤炭部组织了对国外煤矿安全监控技术进行大规模考察和引进工作，大大促进了国内安全监控技术的发展。 如常州自动化所研制的KJ2系统于1988年通过鉴定； 航空部634所的KJ4系统于1986年通过鉴定； 镇江煤矿专用设备厂生产的A1系统于1988年通过鉴定； 淮南无线电厂生产的A2系统于1988年通过鉴定； 海南煤矿安全仪器厂1989年生产出了KJ10系统； 中国矿业大学北京研究生部研制的ZKY-1系统于19

25、89年通过鉴定； 天津煤矿专用设备厂引进生产的森头里昂系统也于同一时期通过鉴定； 常州自动化所研究的KJ22经济型煤矿监控系统于1991年通过鉴定； 由常州自动化所、大同矿务局和阜新矿业学院研制的KJ7系统于1991年通过鉴定，这些标志着我国煤矿安全测控系统进入了国产化的轨道。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,进入20世纪90年代，我国在安全监测监控技术方面的研制得到了进一步的发展，研制开发出了一批具有世界先进水平的监测监控系统。 如北京仙岛新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的KJ66系统， 煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90系统， 上海嘉利矿山电子公司的KJ92系统， 煤科总院

26、常州自动化研究所的KJ95系统等。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,如北京仙岛新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的KJ66系统,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90系统，,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,上海嘉利矿山电子公司的KJ92系统，,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,煤科总院常州自动化研究所的KJ95系统等。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,其主要特点是，测控分站的智能化水平进一步提高，具有网络连接功能；系统软件普遍采用了Windows操作系统。 总结我国近10年来煤矿安全监测监控系统的技术发展概

27、况，主要表现在以下5个方面： （1）矿井安全监测技术标准化工作逐步完善。为了规范管理煤矿监测系统，在原煤炭部组织下，相继制定了煤矿安全生产监控系统总体设计规范、煤矿监控系统软件设计规范以及甲烷、一氧化碳、风速等传感器行业标准。这些技术规范和标准对监测系统的技术规格、实时性、可靠性、精度、软件功能、关联设备等技术指标和试验方法做出了明确规定。这对我国煤矿安全监测系统的研究、设计及产品质量监督检验起到了指导作用和积极推动作用。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,（2）开发新型传输技术，系统容量扩大。我国现有的矿井监测系统的数据传输信道基本上采用电信号传输，既有模拟传输系统，也有数字传输系

28、统。从煤矿生产的实际情况出发，监控系统的网络结构，即中心站和监测分站之间的连接，一般采用树状网络结构。其最大特点是系统所用传输电缆少，但这种结构也存在着传输阻抗难以匹配、接收端信号功率微弱、信噪比小、抗干扰能力差等问题。因此，一些系统采用了数字频带传输技术，一般是采用数字调频移频监控FSK调制解调技术，这是一种数字调制信号传输信息的方式，与基带传输方式相比，这种传输方式有较好的抗干扰能力。随着矿井监控系统容量的增加，以及矿井调度通信功能的综合一体：KJ95就是集矿井调度通信、监测于一身的综合性系统。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,（3）应用软件丰富，系统功能增强。随着微型计算机技

29、术的快速发展，监控系统软件运行环境不断改善，应用软件的开发工作也不断深入。软件的不断升级、功能增强是近年来矿井监控系统技术进步的主要方面。目前，矿井监控系统都采用了Intel系列CPU的工业控制机，硬件配置增强，配有实时、多任务操作系统。系统软件多运行在Microsoft Windows95/98/2000/XP或NT4.0中文操作平台上，不仅可以充分利用多进程、多线程技术实时并发处理多任务，还具有丰富多彩的用户界面，使监控软件的前后台处理能力增强。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,联网是矿井监控系统软件发展的重要方面。监控系统本身就是一个分布式计算机网络。随着煤矿计算机应用水平的

30、不断提高和煤矿企业管理的要求，需要将矿井监控系统与其他计算机构成网络，使网络各节点上的计算机可以调用、分享监控信息，也可以处理管理信息。通过网络系统还可以方便地与矿务局计算机网络变换信息。现有的KJ4、KJ95、KJF2000等监控系统都具备联网功能。如KJ95系统与矿井调度通讯系统组成网络，通信系统中的语音工作站不断访问服务器，如果发现井下某一测点瓦斯超限，确定报警语音信息，语音工作站将语音信息转换成语音信号送交换机，再由交换机对井下进行广播报警。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,（4）矿井专业化安全监测系统不断涌现。 目的主要是要防止发生瓦斯、火灾等重大灾害事故的发生。煤矿自然

31、发火预测预报、瓦斯突出预报、矿井带式输送机巷火灾监测等一系列专业安全监测系统相继研制成功。由煤科总院抚顺分院开发的KJF系统将束管监测技术与环境监测系统相结合，将束管系统置于井下，解决了束管监测技术存在的取样时间延迟问题，为采空区自燃火灾监测预报及采空区注氯防火状态监测提供了手段；煤科总院重庆分院开发的KJ54型矿井安全监测系统是在现有监测系统的基础上，根据我国煤矿生产的实际情况和多年来与自然灾害斗争的实际经验，以多种自然灾害的预报为目标而研制的新一代矿井安全监测系统。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,（5）重视、加强传感器的开发研究。 煤炭科学研究总院重庆分院等单位采用单片微机研

32、制出智能型甲烷传感器，增加了红外线非接触调校和自动调校功能，传感器整机稳定性有了一定提高。为了克服高浓度瓦斯冲击造成催化元件失效的问题，一些研究院所和企业采用催化和热导两种敏感元件研制了高、低浓度瓦斯传感器，相应延长了传感器的使用寿命。后来煤炭科学研究总院抚顺分院和武汉大学分别研制出胶体电解质和固体电解质CO元件，解决了电解质泄漏问题，元件的使用寿命达到2年。为了适应煤矿监测系统的发展，还开发了新的品种，如煤炭科学研究总院抚顺分院研制了CO2传感器、O2传感器、采空区多点温度传感器、微压力传感器及重庆分院研制的离子烟雾传感器等。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,四、我国矿井安全监测

33、监控技术发展方向 1）紧密结合我国煤矿安全生产国情 我国是一个煤矿灾害事故严重，特别是瓦斯爆炸事故频发的产煤大国。近年来出现的瓦斯爆炸事故大都发生在中小煤矿，而且都出现在没有监测监控系统或系统未能正常使用的矿井。因此，高突瓦斯矿井必须装备安全监测系统。但应根据不同煤矿井型、产量及其安全状况开发装备相应的监测系统，使煤矿在经济上能够承受，使用起来可靠。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,2）重视专业化或专家系统的开发 近年来，一些科研院所虽然进行了大量的研究工作，取得一些成果，但由于大部分是在独立的系统上进行的，没有广泛的适应性，无法推广应用。今后，开发安全监控技术应特别注意将诸如瓦斯

34、涌出规律、瓦斯突出预测预报、煤自燃发火预测预报、带式输送机火灾早期预报、均压通风自动调控以及矿井灾变期间抢险救灾指挥等技术融入监测系统中，才能充分发挥监测系统的作用。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,3）继续深入强化传感器技术的研究 传感器是煤矿安全监测系统可靠运行的关键，虽然我们已经作了大量的研究工作，但由于传感器运行在煤矿特殊的气候环境下，增加了开发研究的难度，特别是一次敏感元件的稳定性和使用寿命仍然没能完全解决。传感器、通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱，已经受到国内外各行各业的重视。因此，国内外传感器技术进步将为煤矿安全监测传感器的发展提供契机。为了提高煤矿安全监测传

35、感器水平，在今后研究开发工作中，应注重以下方面：,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,(1) 关注国内外传感器发展热点，借鉴传感器新技术，开发适用于煤矿的安全传感器。 微型化、集成化、智能化、系统化、低功耗是当今全球传感器发展的方向，而光纤技术、生物工程技术、微电子技术及微加工技术等多种技术的融合，可能使传感器性能最优化，这些都是我们在跟踪国内外新技术时要特别关注的地方。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,(2) 解决煤矿安全传感器的稳定性、可靠性，提高传感器的制作质量，在很大程度上依赖制作工艺。 先进的传感器制作工艺也是传感器技术创新的基础，诸如微机械加工技术、平面制作工艺

36、、薄膜制作工艺及传感器封装技术等对传感器研究开发及传感器实现产业化、工程化起着至关重要的作用，这是一项十分重要的基础工作。,8.1 概述,第八章 煤矿安全监测监控系统,(3) 应高度重视传感器功能材料的研究。 当今世界各国已把纳米技术纳入了自己的关键技术中。美国国家关键技术报告中指出：对先进的纳米技术的研究可能导致纳米传感器的产生；我国的一些研究单位研究表明，用纳米材料制作气体传感器时，由于其本身具有高表面能，有较大的孔径和空容，其比表面是常规材料的数十倍，在气固反应过程中能加快反应速度，提高反应灵敏度，有利于改善气体传感器的性能。这些都值得我们在今后研究工作中借鉴。,8.1 概述,第八章 煤

37、矿安全监测监控系统,8.2 监测系统的结构,一监测系统的种类,环境监测系统,工况监测系统,瓦斯突出预报子系统,顶板监测子系统,综采监控,胶带监控,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.2 监测系统的结构,侧重于监测采掘工作面、机电硐室、采区主要进回风道等自然环境的参数，其主要包括： 1）矿井气体监测：低浓度沼气（4%以下）、高浓度沼气（4%100%）、一氧化碳、二氧化碳、氧气； 2）矿井环境监测：温度、风量、风速、负压、矿压、地下水、通风设施、煤尘、烟雾等参数。 除实时显示检测数据外，还应按煤矿安全规程的要求及各矿井实际情况，在一定地点及工作场所设置声光报警和执行装置，以便防止和预报灾害。 （瓦斯

38、1%、1.5% 、0.5% 、1min ）,环境监测系统,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.2 监测系统的结构,采煤工作面,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.2 监测系统的结构,采空区,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.2 监测系统的结构,掘进工作面,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.2 监测系统的结构,硐室,第八章 煤矿安全监测监控系统,侧重于监测机电设备，其主要监测参数有采区产量（核子秤）、井下煤仓煤位、采煤机机组位置、运输机械、提升机械监控、设备故障监测及效率监测等等。但生产工况监测信息并非全部要传输到集中监控系统之中。,8.2 监测系统的结构,工况监测系统,第八章 煤矿安全监测监控系统

39、,侧重于监测机电设备，其主要监测参数有采区产量（核子秤）、井下煤仓煤位、采煤机机组位置、运输机械、提升机械监控、设备故障监测及效率监测等等。但生产工况监测信息并非全部要传输到集中监控系统之中。,8.2 监测系统的结构,工况监测系统,第八章 煤矿安全监测监控系统,监测系统的信息有两个流向(重点) 1）检测信息：从传感元件到分站再传输到地面接收机（主机）； 2）控制信息（指令）：又从主机到分站，再到执行机构。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,监测系统的功能包括： 各种参数监测与传输、超限报警、断电，以及对各种模拟量和开关量进行实时地参数统计、分析、处理、显示、存贮；同时，还能

40、对各种信息进行记录，打印报告，显示和绘制各种图形曲线等等。 监控系统还可通过模拟盘直观地显示出模拟图形，以及对计算机和系统进行故障再诊等。 （认识实习） 整个监控系统可在汉字操作系统支持下有效地进行工作。如果某些监控系统配备有计算机局网，则能更有效地处理大量信息，形成矿区（矿务局、地区）型的大型集中监测网。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,二、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

41、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。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,3）优点： A、结构简单，将多个节点连接到一个中心节点即可； 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。如图8-2-1所示。 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）,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,第八章 煤矿安

42、全监测监控系统,2分布式,分布式多级计算机控制系统，简称DSSC系统，是实时控制系统中广为采用的一种控制系统。 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。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测

43、监控系统,2分布式,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,2分布式,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,矿井监测监控分布式系统多用树型结构来实现。,个人电脑,网络中心,系交换器,室HUB,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,树型结构的优点： 1）树型结构拓扑简单，适合于矿井安装施工； 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）这种结构方式，分站连接十分方便灵活，可根据矿井现场情况灵活配置； 5）由于分站与分站之间并联连接，因此，任一分站的故障对其它分站无影响，分站的可靠

44、性较高。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,树型结构的缺点： 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。 上述树型结构，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。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系

45、统,3、其它结构形式,1）总线型结构 这种网络拓扑结构比较简单，总线型中所有设备都直接与采用一条称为公共总线的传输介质相连，这种介质一般也是同轴电缆（包括粗缆和细缆），不过现在也有采用光缆作为总线型传输介质的，如ATM网、Cable Modem所采用的网络等都属于总线型网络结构。它的结构示意图如图所示。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,总线型结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,总线型结构的特点：,（1）组网费用低：从示意图可知这样的结构根本不需要另外的互联设备，是直接通过一条总线进行连接，所以组网费用较低； （2）这种网络因为各节点是共用总线带宽的，所以在传输速度上会随着

46、接入网络的用户的增多而下降； （3）网络用户扩展较灵活：需要扩展用户时只需要添加一个接线器即可，但所能连接的用户数量有限； （4）维护较容易：单个节点（每台电脑或集线器等设备都可以看作是一个节点）失效不影响整个网络的正常通信。但是如果总线一断，则整个网络或者相应主干网段就断了。 （5）这种网络拓扑结构的缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,2）星型结构 这种结构是目前在局域网中应用得最为普遍的一种，在企业网络中几乎都是采用这一方式。星型网络几乎是Ethernet（以太网）网络专用，它是因网络中的各工作站节点设备

47、通过一个网络集中设备（如集线器或者交换机）连接在一起，各节点呈星状分布而得名。这类网络目前用的最多的传输介质是双绞线，如常见的五类线、超五类双绞线等。它的基本连接图示如图所示。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,星形结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,星型结构的基本特点：,（1）容易实现：它所采用的传输介质一般都是采用通用的双绞线，这种传输介质相对来说比较便宜，如目前正品五类双绞线每米也仅1.5元左右，而同轴电缆最便宜的也要2.00元左右一米，光缆那更不用说了； （2）节点扩展、移动方便：节点扩展时只需要从集线器或交换机等集中设备中拉一条线即可，而要移动一个节点只需要把相应

48、节点设备移到新节点即可，而不会像环型网络那样“牵其一而动全局”； （3）维护容易：一个节点出现故障不会影响其它节点的连接，可任意拆走故障节点； （4）采用广播信息传送方式：任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到，这在网络方面存在一定的隐患，但这在局域网中使用影响不大； （5）网络传输数据快：这一点可以从目前最新的1000Mbps到10G以太网接入速度可以看出。,缺点：距离短，100m,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,3）环形结构 这种结构的网络形式主要应用于令牌网中，在这种网络结构中各设备是直接通过电缆来串接的，最后形成一个闭环，整个网络发送的信息就是在这个环中传

49、递，通常把这类网络称之为“令牌环网”。 这只是一种拓扑结构网络示意图，实际上大多数情况下这种拓扑结构的网络不会是所有计算机真的要连接成物理上的环型，一般情况下，环的两端是通过一个阻抗匹配器来实现环的封闭的，因为在实际组网过程中因地理位置的限制不方便真的做到环的两端物理连接。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,第八章 煤矿安全监测监控系统,环形结构的特点：,（1）在这种网络中，“令牌”是在环型连接中依次传递。所用的传输介质一般是同轴电缆。 （2）这种网络实现也非常简单，投资最小。可以从其网络结构示意图中看出，组成这个网络除了各工作站就是传输介质-同轴电缆，以及一些连接器材，没

50、有价格昂贵的节点集中设备，如集线器和交换机。功能最为简单，仅能当作一般的文件服务模式。 （3）传输速度较快：在令牌网中允许有16Mbps的传输速度，它比普通的10Mbps以太网要快许多。当然随着以太网的广泛应用和以太网技术的发展，以太网的速度也得到了极大提高，目前普遍都能提供100Mbps的网速，远比16Mbps要高。 （4）维护困难：从其网络结构可以看到，整个网络各节点间是直接串联，这样任何一个节点出了故障都会造成整个网络的中断、瘫痪，维护起来非常不便。另一方面因为同轴电缆所采用的是插针式的接触方式，所以非常容易造成接触不良，网络中断，而且这样查找起来非常困难，这一点相信维护过这种网络的人都

51、会深有体会。 （5）扩展性能差：也是因为它的环型结构，决定了它的扩展性能远不如星型结构的好，如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器才能连接。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,3）混和型结构 这种网络拓扑结构是由前面所讲的星型结构和总线型结构的网络结合在一起的网络结构，这样的拓扑结构更能满足较大网络的拓展，解决星型网络在传输距离上的局限，而同时又解决了总线型网络在连接用户数量的限制。这种网络拓扑结构同时兼顾了星型网与总线型网络的优点，在缺点方面得到了一定的弥补。这种网络拓扑结构示意图如图所示。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,

52、第八章 煤矿安全监测监控系统,这种网络拓扑结构主要用于较大型的局域网中，如果一个单位有几栋在地理位置上分布较远（当然是同一小区中）， 如果单纯用星型网来组整个公司的局域网，因受到星型网传输介质-双绞线的单段传输距离（100m）的限制很难成功； 如果单纯采用总线型结构来布线则很难承受公司的计算机网络规模的需求。 结合这两种拓扑结构，在同一栋楼层我们采用双绞线的星型结构，而不同楼层我们采用同轴电缆的总线型结构，而在楼与楼之间我们也必须采用总线型，传输介质当然要视楼与楼之间的距离，如果距离较近（500m以内）可以采用粗同轴电缆来作传输介质，如果在180m之内还可以采用细同轴电缆来作传输介质。但是如果

53、超过500m我们只有采用光缆或者粗缆加中继器来满足了。这种布线方式就是常见的综合布线方式。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,混和型结构的特点： （1）应用相当广泛：这主要是因它解决了星型和总线型拓扑结构的不足，满足了大公司组网的实际需求； （2）扩展相当灵活：这主要是继承了星型拓扑结构的优点。但由于仍采用广播式的消息传送方式，所以在总线长度和节点数量上也会受到限制，不过在局域网中是不存在太大的问题； （3）同样具有总线型网络结构的网络速率会随着用户的增多而下降的弱点； （4）较难维护：这主要受到总线型网络拓扑结构的制约，如果总线断，则整个网络也就瘫痪了，但是如果是分支网段

54、出了故障，则仍不影响整个网络的正常运作。再一个整个网络非常复杂，维护起来不容易； （5）速度较快：因为其骨干网采用高速的同轴电缆或光缆，所以整个网络在速度上应不受太多的限制。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,三、监测系统的组成,监测系统一般由地面中心站、井下工作站（井下分站和传感器）、传输系统三部分组成。 1、地面中心站 一般有传输接口装置和若干台计算机，电源，数据处理及系统运行软件，存贮、打印、显示等装置组成。为了计算机稳定工作，一般还配备了机房恒温调节，不间断电源等辅助设施。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,2、井下工作站 井下工作站由井下分站和

55、传感器组成。 井下分站的作用： 1）对传感器送来的信号进行处理，使其转换成便于传输的信号送到地面中心站； 2）将地面中心站发来的指令或从传感器送来应由分站处理的有关信号经处理后送至指定执行部件，以完成预定的处理任务，如报警、断电、控制局扇开启等； 3）向传感器提供电源。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,3、传输系统 用来将井下信息传输至地面和将地面中心站监控指令传输至井下分站的信息媒介。 传感器与分站之间一般采用直接传输方式。 我国国家标准规定传感器的输出信号应满足以下几种信号： 模拟量信号：1）频率输出（515HZ）； 2）电流输出为05mA； 3）电压输出为0100m

56、V； 开关量信号：0.1mA、5mA和2001000HZ等。 井下分站与地面中心站之间的传输方式较多，主要有空分制信息传输、频分制信息传输、时分制信息传输及频分与时分结合传输方式。,8.2 监测系统的结构,第八章 煤矿安全监测监控系统,8.3 安全监测计算机网络基础,第八章 煤矿安全监测监控系统,一、 计算机网络及其体系结构,1. 计算机网络：通过某种通信介质将不同地理位置的多台具有独立功能的计算机连接起来，并且借助网络通信协议和网络操作系统来进行数据通信，实现网络上的资源共享和信息交换的系统。 由定义可知： (1) 计算机网络是 “ 通信技术 ” 与 “ 计算机技术 ” 的结合产物 ，即：计

57、算机技术通信技术计算机网络。 (2) 数据交换是基础，资源共享为目的 。,2020/9/15,计算机网络示意图,2020/9/15,2.计算机网络的组成,组成 : 通信子网，资源子网 1）通信子网 功能：完成网络的通信数据的存储转发 具体的有：差错控制；流量控制；路由选择；网络安全；流量计费。 构成：网络结点（终端设备、通信控制装置（通信控制器、集中器、前置处理机或通信接口处理机）、调制解调器等设备）+ 通信线路（同轴电缆、光缆、架空明线、通信卫星等）,2020/9/15,2）资源子网 功能：提供网络资源共享，处理数据能力 构成：主机系统 ( 硬件 + 软件 ) 计算机网络软件有网络协议软件、

58、网络通信软件和网络操作系统等。,2020/9/15,3.计算机网络的分类,1）按网络地理覆盖范围划分 局域网（Local Area Network， LAN ）: 是由一系列用户终端和具有信息处理与交换功能的节点及节点间的传输线路组成，限制在有限的距离之内，实现各计算机间的数据通信，具有较高的网络传输速率，局域网范围一般不超过10Km ，往往局限于企事业单位内，组建局域网具有组建灵活，成本低廉，运行可靠，速度快等优点。,2020/9/15,城域网（Metropolitan Area Network，MAN）: 也称都市网，它的覆盖范围一般是一个城市，它是在局域网不断普及，网络产品增加，应用领域

59、拓展等情况下兴起的。它是将一个城市范围的局域网互连起来，以得到更高的数据传输速率,2020/9/15,广域网 （Wide Area Network，WAN）: 覆盖范围广阔，又称远程网。广域网覆盖的地理范围可以是一个城市，一个地区，一个省，一个国家。最大的是 Internet 。,2020/9/15,2）按不同用途分：共享资源网、数据处理网、数据传输网、大型商用网、企业管理网等。 3）按通信交换技术分：线路交换网和分组交换网。 4）按通信技术分：基带网和宽带网。 5）按传输介质分：有线网和无线网。,2020/9/15,4.计算机网络的拓扑结构,概念： 通过网络中的结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中实体之间的结构关系。简单地说：指网络形状。 节点：连接到网络的一个有源设备。如计算机、打印机及连网设备。 链路：两个节点间承载信息流的线路或信道，所使用的界质可以是电话、光纤 、线路或微波。 从拓朴结构的观点看，计算机网络由一组节点和连接节点的链路组成。 常见的网络拓扑结构：总线型、星型、环型、树型、网状型、混合型,第八章 煤矿安全监测监控系统,第八章 煤矿安全监测监控系统,定义