煤礦安全監(jiān)控技術(shù)

煤礦安全監(jiān)控技術(shù)山東科技大學(xué) 程學(xué)珍Shandong University of Science And Technology 煤礦安全監(jiān)控技術(shù)程學(xué)珍，教授，博士，山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院山東科技大學(xué)檢測技術(shù)研究所所長主要研究方向:1.新型礦用傳感器理論與技術(shù)2.安全檢測監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)3.粉塵檢測技術(shù) 主要內(nèi)容第1章 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)第2章 礦用新型傳感器第3章 礦用工業(yè)總線第4章 工業(yè)以太網(wǎng)煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)第5章 礦井粉塵濃度在線檢測監(jiān)控系統(tǒng)第6章 礦井通風(fēng)信息化管理系統(tǒng)第7章 其他新型監(jiān)控系統(tǒng)第1章 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)含義1.1監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展概況1.2監(jiān)控系統(tǒng)分類/特點(diǎn)/作用/存在問題1.31.5監(jiān)控系統(tǒng)通用要求1.4礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)定第1章 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)1.1 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)含義煤礦監(jiān)控系統(tǒng)是為了煤礦安全和正常生產(chǎn)而進(jìn)行的各種有關(guān)參數(shù)或狀態(tài)的集中監(jiān)測，并對有關(guān)環(huán)節(jié)加以控制，是保護(hù)采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)安全運(yùn)行的重要大型設(shè)施。該系統(tǒng)包括礦井環(huán)境安全監(jiān)測和礦井生產(chǎn)(及設(shè)備、工況等)監(jiān)控。礦井環(huán)境安全監(jiān)測用于監(jiān)測影響生產(chǎn)安全和礦工人身安全的井下環(huán)境因素；礦井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)用來監(jiān)控煤炭生產(chǎn)主要設(shè)備的工況。具體是指具有模擬量、開關(guān)量、累計(jì)量采集、傳輸、存儲、處理、顯示、打印、聲光報(bào)警、控制等功能，用于煤礦通風(fēng)安全及生產(chǎn)環(huán)節(jié)監(jiān)控的系統(tǒng)。包括煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦瓦斯抽采（放）監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)、煤與瓦斯突出監(jiān)控系統(tǒng)、人員位置監(jiān)測系統(tǒng)等。 1.2 礦井安全監(jiān)控技術(shù)發(fā)展概況礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控技術(shù)是伴隨煤炭工業(yè)發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。1815年，英國發(fā)明了世界上第一種瓦斯檢測儀器瓦斯檢定燈。20世紀(jì)30年代日本發(fā)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(chǎn)煤國家都把發(fā)展載體催化元件作為瓦斯檢測儀器的主攻方向。電子技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了瓦斯監(jiān)測裝置的進(jìn)一步發(fā)展，首先是研制小型化個(gè)人攜帶式儀器，以后是瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，如70年代后期法國研制的CTT63/40監(jiān)控系統(tǒng)、英國的MINOS系統(tǒng)、美國的SCADA系統(tǒng)等。國外四段論：國外煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展是20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的,至今已經(jīng)有四代產(chǎn)品,基本上510 a更新一代產(chǎn)品。 從技術(shù)特性來看,主要是從信息傳輸發(fā)生的進(jìn)步來劃分監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)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(yùn)輸機(jī)控制、日本煤礦中的固定設(shè)備控制大都采用這種技術(shù)。波蘭在70年代推出了可測瓦斯、CO、風(fēng)速、溫度等參數(shù)共128個(gè)測點(diǎn)的CMC-1系統(tǒng)。第二代 頻分制信息傳輸傳輸信道的電纜芯數(shù)大大減少,很快就取代了空分制系統(tǒng)。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(tǒng)和TF200系統(tǒng)。（以晶體管電路為主的信息傳輸）第三代 時(shí)分制信息傳輸其中發(fā)展較快的是英國。1976年,英國煤礦研究院推出轟動(dòng)一時(shí)的以時(shí)分制為基礎(chǔ)的MINOS煤礦監(jiān)控系統(tǒng),并在膠帶輸送、井下環(huán)境監(jiān)測、供電供水監(jiān)測和洗煤廠監(jiān)控等方面取得成功,形成了全礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。（以集成電路為主的信息傳輸）第四代以分布式微處理機(jī)為基礎(chǔ)80年代,美國以其擁有的雄厚高新技術(shù)優(yōu)勢,率先把計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)。美國MSA公司DAN6400系統(tǒng)、霍尼韋爾監(jiān)控系統(tǒng)。我國二段論第一階段80年代初,原煤炭部組織了對國外煤礦監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的考察和引進(jìn)工作,大大促進(jìn)了國內(nèi)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)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(jìn)了一批安全監(jiān)控系統(tǒng),裝備了部分煤礦;在引進(jìn)的同時(shí),通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況,研制出KJ1（重慶）、KJ2(常州自動(dòng)化研究所),KJ3（軌道系統(tǒng)）KJ4等系統(tǒng)并進(jìn)行了鑒定。我國二段論第二階段90年代以來,緊跟世界監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展潮流,研制開發(fā)出了一批具有世界先進(jìn)水平的監(jiān)控系統(tǒng),如煤炭科學(xué)研究總院重慶分院的KJ90系統(tǒng)、煤炭科學(xué)研究總院常州自動(dòng)化研究所的KJ95系統(tǒng)等。主要特點(diǎn):1）分站的智能化進(jìn)一步提高;2）具有網(wǎng)絡(luò)連接功能;3）軟件采用了Windows操作系統(tǒng)。同時(shí),在“以風(fēng)定產(chǎn),先抽后采,監(jiān)測監(jiān)控”12字方針和煤礦安全規(guī)程有關(guān)條款指導(dǎo)下,規(guī)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(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。因此,大大小小的系統(tǒng)生產(chǎn)廠家如雨后春筍般的不斷出現(xiàn),為用戶提供了更多的選擇機(jī)會,并促進(jìn)了各廠家在市場競爭條件下不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)意識。實(shí)踐表明,安全監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用。（1）早期的礦井監(jiān)控系統(tǒng)礦井監(jiān)控系統(tǒng)是由單一甲烷監(jiān)測和就地?cái)嚯娍刂频耐咚惯b測系統(tǒng)及簡單的開關(guān)監(jiān)測模擬調(diào)度系統(tǒng)發(fā)展而來。瓦斯遙測系統(tǒng)是用來監(jiān)控井下環(huán)境中甲烷濃度的監(jiān)控系統(tǒng)，并具有瓦斯超限聲光報(bào)警和斷電功能。瓦斯遙測系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)具 體甲烷傳感器功能1）將被測甲烷濃度轉(zhuǎn)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(bào)警濃度后聲光報(bào)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(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制后的信號經(jīng)2芯礦用信號電纜遠(yuǎn)距離傳送至位于地面的遙測儀；2）由于斷電儀至遙測儀之間距離較遠(yuǎn)(可達(dá)10km),為減少電纜用量，降低系統(tǒng)成本，便于系統(tǒng)安裝與維護(hù)，斷電儀至遙測儀之間采用頻分多路復(fù)用，復(fù)用路數(shù)一般為5-10路；3）斷電儀同時(shí)對接收到的甲烷濃度信號進(jìn)行判別，若超過斷電濃度，則通過控制繼電器切斷被控區(qū)域的動(dòng)力電源，并實(shí)現(xiàn)閉鎖；4）斷電儀還兼作電源、將井下電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為斷電儀和傳感器所需的本質(zhì)安全型直流電源。遙測儀功能1）對接收到的調(diào)制信號解調(diào)后顯示；2）當(dāng)甲烷濃度超過報(bào)警濃度時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號；3）記錄儀將甲烷濃度實(shí)時(shí)記錄下來。瓦斯遙測系統(tǒng)主要技術(shù)特征1）單一甲烷監(jiān)測2）就地?cái)嚯娍刂?）聲光報(bào)警4）數(shù)碼管或模擬表頭顯示、多筆記錄儀記錄5）頻分多路復(fù)用、單向模擬傳輸6）樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7）采用分立組件或中小規(guī)模集成電路。在發(fā)展甲烷遙測系統(tǒng)的同時(shí)，為了保證軌道運(yùn)輸、提升運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸?shù)冗\(yùn)輸系統(tǒng)的安全，提高生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，推廣應(yīng)用了模擬盤調(diào)度系統(tǒng)(圖1-2)。例如：用于軌道運(yùn)輸監(jiān)控的信、集、閉系統(tǒng)。用于提升運(yùn)輸監(jiān)控的信號系統(tǒng)和用于膠帶運(yùn)輸監(jiān)控的信號系統(tǒng)等。模擬盤調(diào)度系統(tǒng)1）采用集中監(jiān)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(shè)備狀態(tài)3）為形象直觀，常常將設(shè)備圖形等制成背景，在被監(jiān)控的設(shè)備處設(shè)置指示燈。系統(tǒng)技術(shù)特征：1）單一開關(guān)量監(jiān)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)6）采用分立組件或中小規(guī)模集成電路。 圖1-2 模擬盤調(diào)度系統(tǒng)（2）單方面多參數(shù)礦井監(jiān)控系統(tǒng)上述單參數(shù)系統(tǒng)雖在煤礦安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)率和設(shè)備利用率方面起到了重要作用，但由于這些系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)單一、監(jiān)測容量小、電纜用量大、系統(tǒng)性能價(jià)格比低，因此難以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需要，特別是隨著采煤機(jī)械化程度的提高，對礦井監(jiān)控系統(tǒng)提出了越來越高的要求。為適應(yīng)機(jī)械化采煤的需要，礦井監(jiān)控系統(tǒng)由早期的單一參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)展為多參數(shù)單方面監(jiān)控系統(tǒng)。這些系統(tǒng)均針對某一方面的多參數(shù)監(jiān)控，包括環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)、軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、提升運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、排水監(jiān)控系統(tǒng)、礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、水災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、煤與瓦斯突出監(jiān)控系統(tǒng)、大型機(jī)電設(shè)備健康狀況監(jiān)控系統(tǒng)等。環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)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(fēng)速、負(fù)壓、濕度、溫度、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)窗狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開停、主要通風(fēng)機(jī)開停、工作電壓、工作電流等，并實(shí)現(xiàn)甲烷超限聲光報(bào)警、斷電和甲烷風(fēng)電閉鎖控制等。軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測信號機(jī)狀態(tài)、電動(dòng)轉(zhuǎn)撤機(jī)狀態(tài)、機(jī)車位置、機(jī)車編號、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度、車皮數(shù)、空(實(shí))車皮數(shù)等，并實(shí)現(xiàn)信號機(jī)、電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)閉鎖控制、地面遠(yuǎn)程調(diào)度與控制等。膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)、煤倉煤位等，并實(shí)現(xiàn)順煤流啟動(dòng)、逆煤流停止閉鎖控制和安全保護(hù)、地面遠(yuǎn)程調(diào)度與控制、膠帶火災(zāi)監(jiān)測與控制等。提升運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測罐籠位置和速度、安全門狀態(tài)、搖臺狀態(tài)、阻車器狀態(tài)等，并實(shí)現(xiàn)推車、補(bǔ)車、提升閉鎖控制等。供電監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測電網(wǎng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、饋電開關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)絕緣狀態(tài)等，并實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)、饋電開關(guān)閉鎖控制、地面遠(yuǎn)程控制等。排水監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測水倉水位、水泵開停、水泵工作電壓、電流、功率、阿門狀態(tài)、流量、壓力等，并實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)、水泵開?？刂啤⒌孛孢h(yuǎn)程控制等。火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)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(fēng)門、風(fēng)窗控制，實(shí)現(xiàn)均壓滅火控制、制氮與注氮控制等。礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測地音、頂板位移、位移速度、位移加速度、紅外發(fā)射、電磁發(fā)射等，并實(shí)現(xiàn)礦山壓力預(yù)報(bào)。煤與瓦斯突出監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測煤巖體聲發(fā)射、瓦斯涌出量、工作面煤壁溫度、紅外發(fā)射、電磁發(fā)射等，并實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出預(yù)報(bào)。大型機(jī)電設(shè)備健康狀況監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測機(jī)械振動(dòng)、油質(zhì)量污染等，并實(shí)現(xiàn)故障診斷。系統(tǒng)一般由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、分站、電源箱(或電控箱)、主站(或傳輸接口)、主機(jī)（含顯示器)、打印機(jī)、模擬盤、多屏幕、UPS電源、遠(yuǎn)程終端、網(wǎng)絡(luò)接口電纜和接線盒等組成，如圖1-3所示。圖1-3 礦井監(jiān)控系統(tǒng)路由器電視墻等主機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器文件服務(wù)器管理工作站管理工作站主站分站分站執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源電源傳感器傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖1-4 礦井監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖廣域網(wǎng)電話網(wǎng)傳感器功能：1）將被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號；2）經(jīng)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(bào)警功能(有些傳感器沒有顯示或沒有聲光報(bào)警功能)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)(含聲光報(bào)警及顯示設(shè)備功能：1）將控制信號轉(zhuǎn)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(yù)先約定的復(fù)用方式(時(shí)分制或頻分制等)遠(yuǎn)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(fù)用信號(時(shí)分制或頻分制等)；4）具有線性校正、超限判別、邏輯運(yùn)算等簡單的數(shù)據(jù)處理能力，對傳感器輸人的信號和主站(或傳輸接口)傳輸來的信號進(jìn)行處理，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(1個(gè)傳感器或1個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dá)10km。為減少電纜用量、降低系統(tǒng)電纜投資、便于安裝維護(hù)、提高系統(tǒng)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(shí)分制或頻分制多路復(fù)用(也有采用碼分制)，樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或樹形與星形混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)串行數(shù)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(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的本質(zhì)安全型直流電源，2）具有維持電網(wǎng)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(yuǎn)距離發(fā)送的信號，并送主機(jī)處理;2）接收主機(jī)信號，并送相應(yīng)分站。具體主要完成：地面非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備與井下本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的隔離，還具有控制分站的發(fā)送與接收、多路復(fù)用信號的調(diào)制與解調(diào)、系統(tǒng)自檢等功能。主機(jī)功能1）一般選用工控微型計(jì)算機(jī)或普通臺式微型計(jì)算機(jī)、雙機(jī)或多機(jī)備份。2）主機(jī)主要用來接收監(jiān)測信號、校正、判別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、磁盤存儲、顯示、聲光報(bào)警、人機(jī)對話、輸出控制，控制打印輸出以及與管理網(wǎng)絡(luò)連接等。投影儀、模擬盤、大屏幕、多屏幕、電視墻用來擴(kuò)大顯示面積，以便于在調(diào)度室遠(yuǎn)距離觀察。管理工作站或遠(yuǎn)程終端一般設(shè)置在礦長及總工辦公室，以便隨時(shí)了解礦井安全和生產(chǎn)狀況。數(shù)據(jù)服務(wù)器是主機(jī)與管理工作站及網(wǎng)絡(luò)其他用戶交換監(jiān)控信息的集散地。路由器用于企業(yè)網(wǎng)與廣域網(wǎng)及電話線網(wǎng)等協(xié)議轉(zhuǎn)換、安全防范等。單方面多參數(shù)礦井監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)特征傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與分站相連、單向模擬傳輸；分站至主站間采用樹形、環(huán)形或樹形與星形混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。多路復(fù)用(時(shí)分制、頻分制或碼分制)、單工或雙工(個(gè)別系統(tǒng)采用單向)，串行數(shù)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(jì)算機(jī)（含單片機(jī)）、大規(guī)模集成電路、固態(tài)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(bào)表、聯(lián)網(wǎng)等功能。單方面多參數(shù)礦井監(jiān)控系統(tǒng)主要作用解決了機(jī)械化采煤的急需。單方面多參數(shù)礦井監(jiān)控系統(tǒng)存在主要問題控制功能差、通用性差、性能價(jià)格比低等問題。這既不符合監(jiān)測與控制并重、硬件通用、軟件組態(tài)、現(xiàn)場總線監(jiān)控與多媒體的發(fā)展趨勢，又難于滿足煤炭高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的需要。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)均針對某一監(jiān)控對象而開發(fā)為單一的環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)愉、提升運(yùn)輸、供電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、礦山壓力、煤與瓦斯突出、大型機(jī)電設(shè)備健康狀況等專用監(jiān)控系統(tǒng)，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(gè)礦井實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控，則需要裝備環(huán)境安全監(jiān)控、軌道運(yùn)輸監(jiān)控、膠帶運(yùn)輸監(jiān)控、提升運(yùn)輸監(jiān)控、供電系統(tǒng)監(jiān)控、排水系統(tǒng)監(jiān)控、礦山壓力監(jiān)控、煤與瓦斯突出監(jiān)控、大型機(jī)電設(shè)備健康狀況監(jiān)控等數(shù)個(gè)互不兼容的系統(tǒng)，從而造成設(shè)備重復(fù)投資、電纜重復(fù)敷設(shè)、維護(hù)人員重復(fù)設(shè)置，浪費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。（2）現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)均在同一水平上重復(fù)開發(fā).若需進(jìn)行新領(lǐng)域的監(jiān)控，又需重新開發(fā)，開發(fā)周期長，在開發(fā)過程中又浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。（3）現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)均沒有將數(shù)據(jù)、文字、聲音、圖像等多種媒體有機(jī)地結(jié)合在一起，難以提高信息的利用率。（4）現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)均沒有針對礦井機(jī)電一體化和移動(dòng)監(jiān)控進(jìn)行研制，這主要表現(xiàn)在沒有用于機(jī)電一體化、體積小，功能齊全的本質(zhì)安全型嵌入式智能監(jiān)控站和便攜式儀器接入的移動(dòng)測控網(wǎng)。（5）現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議均自我定義，互不兼容，沒有一個(gè)符合礦井電氣防爆等特殊要求的總線標(biāo)準(zhǔn)，從而造成不同廠家的設(shè)備無法接入，無法共享傳輸電纜。 （6）現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)均為主從式傳輸，如圖1-5所示該種傳輸系統(tǒng)的可靠性受地面主站設(shè)備和主干電纜影響很大，當(dāng)?shù)孛嬷髡驹O(shè)備或主干電纜發(fā)生故障，將會造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。該種傳輸方式用于環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸、供電系統(tǒng)等單方面監(jiān)控時(shí)，一般不會出現(xiàn)主站“瓶頸”效應(yīng)，但當(dāng)用于全礦井多方面綜合監(jiān)控時(shí)，由于信息量的增加，必然會出現(xiàn)嚴(yán)重的主站“瓶頸”效應(yīng)。當(dāng)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(yīng)，但通過進(jìn)行的理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)傳輸距離為10km時(shí)，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(jiān)控系統(tǒng)中，靠提高傳輸速率解決主站瓶頸效應(yīng)是沒有出路的。圖1-5 主從式礦井監(jiān)控系統(tǒng)（7）現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)軟件均為某一特定系統(tǒng)開發(fā)，通用性差，難以滿足環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸、提升運(yùn)輸、供電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、礦山壓力、火災(zāi)、水災(zāi)、煤與瓦斯突出，大型機(jī)電設(shè)備健康診斷等多方面綜合監(jiān)控的需要。（8）現(xiàn)有分站均是為某一監(jiān)控目的而開發(fā)的，功能單一，用戶難以通過簡單的操作實(shí)現(xiàn)環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸?shù)榷喾矫娴讓颖O(jiān)控的目的。（9）現(xiàn)有傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般采用星形結(jié)構(gòu)與分站連接(除個(gè)別系統(tǒng)外).如圖1-6所示.這樣雖然可使用一根多芯電纜既給傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電又傳遞信號，但由于電纜復(fù)用率低，需敷設(shè)大量的電纜，既增大了系統(tǒng)投資，又不便于系統(tǒng)維護(hù)。圖1-6 傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)與分站鏈接（10）現(xiàn)有傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般需經(jīng)分站接入系統(tǒng)(除個(gè)別外)，這樣雖然便于分站實(shí)現(xiàn)就地控制，但當(dāng)個(gè)別傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)離分站較遠(yuǎn)而離系統(tǒng)電纜較近時(shí)，就顯得十分不合理，既不便子系統(tǒng)維護(hù)，又增加了系統(tǒng)電纜投資。（11）現(xiàn)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(guān)量信號，很難實(shí)現(xiàn)傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電纜多路復(fù)用。（12）現(xiàn)有傳感器的電路均針對某一種傳感組件設(shè)計(jì)，僅能實(shí)現(xiàn)標(biāo)校、顯示、聲光報(bào)警、信號輸出等基本功能，不能實(shí)現(xiàn)同一電路配接不同傳感組件，也不能實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測。（13）現(xiàn)有傳感器的控制功能特別是地面遠(yuǎn)程控制功能，難以滿足減少井下危險(xiǎn)環(huán)境從業(yè)人員數(shù)量的需要。我國煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（1）發(fā)展全面的監(jiān)測監(jiān)控專家系統(tǒng)目前,我國有20余家生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的公司或院所,其產(chǎn)品主要是監(jiān)測環(huán)境安全參數(shù),實(shí)現(xiàn)報(bào)警或斷電控制,對生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控限于對設(shè)備的開/停狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,與煤炭生產(chǎn)全過程實(shí)行監(jiān)測監(jiān)控差距還較大。在軟件技術(shù)上應(yīng)研究開發(fā)能根據(jù)被監(jiān)測環(huán)境地點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行有效的危險(xiǎn)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(zāi)和避災(zāi)路線,為搶救和疏散人員、器材提供決策。同時(shí)系統(tǒng)軟件應(yīng)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,按統(tǒng)一的格式向外提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。發(fā)展覆蓋面更廣,監(jiān)測監(jiān)控參數(shù)更多的軟硬件系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)綜合自動(dòng)化奠定良好基礎(chǔ),是我國監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展任務(wù)之一。（2）研制高可靠性、品種齊全的礦用傳感器目前,國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的配套傳感器,主要存在兩大問題:一是品種不全,用于監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的傳感器較多,而用于監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備工作運(yùn)行狀況參數(shù)的傳感器少;二是現(xiàn)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(zāi)害預(yù)測的甲烷傳感器,一直存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差和調(diào)校期頻繁的缺點(diǎn),嚴(yán)重制約著礦井瓦斯的支持檢測。在研制新型傳感器時(shí)應(yīng)高起點(diǎn)、高智能化,應(yīng)充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn),做到自診斷、自校正、自調(diào)零、配置標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)傳接口,統(tǒng)一傳感器的輸出信號制,以提高傳輸?shù)目煽啃浴?shù)據(jù)出來的簡單性和傳感器的互換性。發(fā)展配置齊全、高可靠性的礦用傳感器是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一（3）合理的規(guī)范通信協(xié)議現(xiàn)有廠家的監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用各自專用的通信協(xié)議,互不兼容。目前,信息傳輸系統(tǒng)的兼容性已成為裝備監(jiān)控系統(tǒng)的各集團(tuán)公司、礦井進(jìn)一步引進(jìn)和擴(kuò)充系統(tǒng)功能的制約因素。有些礦井為了安全生產(chǎn)的需要,在系統(tǒng)存在嚴(yán)重問題和得不到技術(shù)服務(wù)的條件下,不得不選擇其他的系統(tǒng)。由此,通信協(xié)議不規(guī)范的后果是造成設(shè)備購置重復(fù)、不能隨意進(jìn)行軟硬件升級改造。制定統(tǒng)一的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),對促進(jìn)礦井監(jiān)控技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。（4）實(shí)現(xiàn)全面化的網(wǎng)絡(luò)管理雖然現(xiàn)在許多礦建立了局部的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了本礦井的資源共享,但大多還處于一礦一系統(tǒng),與外界幾乎沒有聯(lián)系,其功能和任務(wù)也極其簡單。今后的發(fā)展趨勢是各生產(chǎn)礦井與礦務(wù)局、各礦務(wù)局與本省乃至全國煤礦系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一完整、功能先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),真正實(shí)現(xiàn)更大范圍的煤礦資源共享。具體:發(fā)展全礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)全礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是礦井監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，是一種既可用于環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸、提升運(yùn)輸、供電、排水、礦山壓力、火災(zāi)、水災(zāi)、煤與瓦斯突出、大型機(jī)電設(shè)備健康狀況等全面綜合監(jiān)控，又可實(shí)現(xiàn)某些或某個(gè)方面監(jiān)控的多參數(shù)、多功能監(jiān)測與控制并重以及就地自動(dòng)控制與地面人為遠(yuǎn)程控制結(jié)合的系統(tǒng)。全礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)：智能傳感器智能監(jiān)控站調(diào)度管理網(wǎng)絡(luò)等組成，如圖1-7所示。圖1-7 全礦井綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)智能傳感器全礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器(簡稱智能傳感器，含執(zhí)行機(jī)構(gòu))與現(xiàn)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(dāng)用于不同被測物理量時(shí)，只需更換傳感組件。并且同一個(gè)傳感器還可同時(shí)接入多個(gè)傳感組件構(gòu)成多參數(shù)傳感器(如甲烷與風(fēng)速二參數(shù)傳感器、一氧化碳與溫度二參數(shù)傳感器等)。通用電路首先方便了用戶維護(hù)。現(xiàn)有系統(tǒng)維護(hù)人員為了維護(hù)系統(tǒng)須了解幾種甚至十幾種傳感器電路原理，這就要求維護(hù)人員具有較高的業(yè)務(wù)水平和豐富的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，由于維護(hù)人員業(yè)務(wù)水平的差異，難以實(shí)現(xiàn)每一位維護(hù)人員均能及時(shí)處理故障和及時(shí)維護(hù)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(hù)人員集中精力、深入細(xì)致地掌握電路原理，達(dá)到每一位具有一定電路基礎(chǔ)的維護(hù)人員均能及時(shí)處理故障的要求，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)由于電路統(tǒng)一、備用組件種類少，也便于備件的準(zhǔn)備。通用電路由小信號檢測與放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器(可選帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)、單片機(jī)最小系統(tǒng)(含程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、看門狗電路等)、顯示電路、聲光報(bào)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(shù)字信號傳輸與多路復(fù)用智能傳感器采用數(shù)字信號傳輸。多臺傳感器共享一根多芯電纜連接成樹形結(jié)構(gòu)，與智能監(jiān)控站相連。當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離智能監(jiān)控站而靠近系統(tǒng)傳輸電纜時(shí)，智能傳感器可直接接系統(tǒng)電纜，如圖1-9所示。圖1-9 智能傳感器直接接系統(tǒng)電纜現(xiàn)有傳感器沒有采用數(shù)字信號輸出和多路復(fù)用，主要是因?yàn)楝F(xiàn)有傳感器采用單片機(jī)的較少，實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用困難。另一個(gè)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(huán)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(guān)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(yuǎn)距離供電的問題。因此，傳感器電纜復(fù)用路數(shù)，并不取決于監(jiān)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?shù)拇袛?shù)字信號除數(shù)據(jù)(模擬量傳感器)或狀態(tài)(開關(guān)量傳感器)外，還有報(bào)警、斷電等控制信號。接在同一條總線上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如聲光報(bào)警和斷電設(shè)備)根據(jù)收到的控制信號（如報(bào)警和斷電信號)，執(zhí)行相應(yīng)的操作(如發(fā)出聲光報(bào)替和斷電控制)。傳感器直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，較經(jīng)分站控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有執(zhí)行速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)分站發(fā)生故障時(shí)，仍可執(zhí)行一些基本的控制。智能監(jiān)控站智能監(jiān)控站是全礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)智能現(xiàn)場設(shè)備，其功能類似于現(xiàn)有系統(tǒng)分站，具有信號采集、控制、與主站(或上級智能控制站)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，但又不同于現(xiàn)有系統(tǒng)分站，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:（1）與傳感器（含執(zhí)行機(jī)構(gòu)）信號傳輸采用數(shù)字傳輸，多路復(fù)用，同時(shí)，也解決了模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出4種監(jiān)控量互換的問題，適用于各種監(jiān)控。（2）采用組態(tài)軟件技術(shù)，解決了分站軟件通用問題。用戶只需要根據(jù)不同的監(jiān)控對象和目的，像搭積木一樣，利用分站本身提供的傳輸、數(shù)據(jù)處理、控制等模塊，組成相應(yīng)的監(jiān)控軟件.實(shí)現(xiàn)環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、膠帶運(yùn)輸、供電等監(jiān)控，而用戶不需學(xué)習(xí)繁雜的編程方法。（3）采用現(xiàn)場總線技術(shù)。解決通信協(xié)議不通用、不同的分站難以接入同一系統(tǒng)、主從式通信等問題，提高系統(tǒng)的可靠性。調(diào)度管理網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和管理人員是通過調(diào)度管理網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的，其功能類似于現(xiàn)有系統(tǒng)的中心站和遠(yuǎn)程終端，具有系統(tǒng)初始化、顯示、打印、存儲、控制干預(yù)等功能，但又不同于現(xiàn)有中心站和遠(yuǎn)程終端，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將工作在生產(chǎn)調(diào)度室、通風(fēng)調(diào)度室、礦長辦公室和總工辦公室等的許多工作站聯(lián)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(wǎng)上的生產(chǎn)、安全、銷售、財(cái)會等多方面信息。當(dāng)然，也可通過授權(quán)限制某些用戶對信息資源的利用。 (2)采用組態(tài)軟件技術(shù)，解決了中心站軟件通用問題。用戶只需要根據(jù)不同的監(jiān)控對象和目的，利用智能監(jiān)測站提供的模塊，組成相應(yīng)的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控。 (3)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由工作站(含多屏幕工作站、多媒體工作站)和服務(wù)器等組成。一般采用以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、交換式以太網(wǎng)和ATM。 智能傳感器和智能監(jiān)控站一般采用樹形網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)井下巷道布置的特點(diǎn)。在連接方式上，可采用單層網(wǎng)絡(luò)，也可采用多層網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同礦井、不同監(jiān)控的要求。圖1-10煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)圖1-11煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)（KJ95N）1.3 礦井監(jiān)控系統(tǒng)分類特點(diǎn)作用1.3.1分類按監(jiān)控目的分：如供電、火災(zāi)、煤與瓦斯突出、膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)等。按使用環(huán)境不同分：可分為防爆型（本質(zhì)安全型、隔爆兼本質(zhì)安全型和隔爆型等）、礦用一般型、地面普通型和復(fù)合型系統(tǒng)等。按復(fù)用方式不同分：如頻分、時(shí)分、碼分和復(fù)合復(fù)用方式系統(tǒng)等。按采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分：如星型、環(huán)形、樹型、總線型和復(fù)合型系統(tǒng)等。按信號傳輸方式分：單、雙工和環(huán)形系統(tǒng)等。按傳輸信號不同分：模擬和數(shù)字傳輸系統(tǒng)等。按調(diào)制方式分：如基帶、調(diào)頻和調(diào)相系統(tǒng)等。按同步方式分：同步和異步系統(tǒng)。按監(jiān)控目的分類：（1）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)（2）煤礦瓦斯抽采（放）監(jiān)控系統(tǒng)（3）煤礦軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng) （4）煤礦膠帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)（5）提升運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)（6）煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)（7）煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)（8）煤礦火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)（9）礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)（10）煤與瓦斯突出監(jiān)控系統(tǒng)（11）人員位置監(jiān)測系統(tǒng)（12）綜合監(jiān)控系統(tǒng)全煤礦綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)1、礦井安全監(jiān)控系統(tǒng) 2、人員定位系統(tǒng)3、壓風(fēng)自救系統(tǒng) 4、供水自救系統(tǒng)5、礦山通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng) 6、緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)7、風(fēng)水管路在線檢測系統(tǒng)8、礦井粉塵檢測監(jiān)控系統(tǒng)9、礦井水文監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng) 10、壓風(fēng)機(jī)綜合檢測監(jiān)控系統(tǒng)11、通風(fēng)機(jī)檢測監(jiān)控系統(tǒng)12、主井提升子系統(tǒng)13、副井提升子系統(tǒng) 14、礦井洗煤廠系統(tǒng)15、35KV變電所監(jiān)控系統(tǒng)16、原煤計(jì)量系統(tǒng)17、泵房排水監(jiān)控系統(tǒng) 18、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)19、井下污水自動(dòng)處理系統(tǒng) 20、火災(zāi)逃生訓(xùn)練系統(tǒng)21、井上綜合防塵監(jiān)控系統(tǒng) 22、井下絞車間隙控制系統(tǒng)23、煤巖聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)24、瓦斯防治導(dǎo)航系統(tǒng)25、井下主運(yùn)輸膠帶機(jī)集中控制系統(tǒng) 26、礦井通風(fēng)信息智能化管理系統(tǒng)27、輸送帶上煤含水分檢測監(jiān)控系統(tǒng)1.3.2 礦井監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)煤礦井下是一個(gè)特殊的工作環(huán)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(wǎng)電壓波動(dòng)大、電磁干擾嚴(yán)重、空間狹小、監(jiān)控距離遠(yuǎn)。因此，礦井監(jiān)控系統(tǒng)不同于一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，礦井監(jiān)控系統(tǒng)同一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)相比具有如下特點(diǎn)： (1)電氣防爆。一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)均工作在非爆炸性環(huán)境中，而礦井監(jiān)控系統(tǒng)工作在有瓦斯和煤塵爆炸性環(huán)境的煤礦井下。因此，礦井監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備必須是防爆型電氣設(shè)備，并且不同于化工、石油等爆炸性環(huán)境中的工廠用防爆型電氣設(shè)備。 (2)傳輸距離遠(yuǎn)。一般工業(yè)監(jiān)控對系統(tǒng)的傳輸距離要求不高，僅為幾千米，甚至幾百米，而礦井監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸距離至少要達(dá)到10千米。 (3)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)宜采用樹形結(jié)構(gòu)。一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)電纜敷設(shè)的自由度較大，可根據(jù)設(shè)備、電纜溝、電桿的位置選擇星形、環(huán)形、樹形，總線形等結(jié)構(gòu)。而礦井監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸電纜必須沿巷道敷設(shè)，掛在巷道壁上。由于巷道為分支結(jié)構(gòu)，并且分支長度可達(dá)數(shù)千米。因此，為便于系統(tǒng)安裝維護(hù)、節(jié)約傳輸電纜、降低系統(tǒng)成本宜采用樹形結(jié)構(gòu)。 (4)監(jiān)控對象變化緩慢。礦井監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象主要為緩變量，因此，在同樣監(jiān)控容量下，對系統(tǒng)的傳輸速率要求不高。 (5)電網(wǎng)電壓波動(dòng)大，電磁干擾嚴(yán)重。由于煤礦井下空間小，采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等大型設(shè)備啟停和架線電機(jī)車火花等造成電磁干擾嚴(yán)重。 (6)工作環(huán)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(jiān)控設(shè)備要有防塵、防潮、防腐、防霉、抗機(jī)械沖擊等措施。 (7)傳感器（或執(zhí)行機(jī)構(gòu)）宜采用遠(yuǎn)程供電。一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的電源供給比較容易，不受電氣防爆要求的限制。礦井監(jiān)控系統(tǒng)的電源供給，受電氣防爆要求的限制。由于傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)往往設(shè)置在工作面等惡劣環(huán)境，因此，不宜就地供電。現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)多采用分站遠(yuǎn)距離供電。 (8)不宜采用中繼器。煤礦井下工作環(huán)境惡劣，監(jiān)控距離遠(yuǎn)，維護(hù)困難，若采用中繼器延長系統(tǒng)傳輸距離，由于中繼器是有源設(shè)備，故障率較無中繼器系統(tǒng)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(yuǎn)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(jiān)控系統(tǒng)的分析，可以看出，礦井監(jiān)控系統(tǒng)不同于一般工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。因此，直接用一般工業(yè)監(jiān)控的理論和技術(shù)解決礦井監(jiān)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不適合用于礦井監(jiān)控系統(tǒng)，或不能進(jìn)行總線供電，或節(jié)點(diǎn)容量太小等等。因此，有必要研究適合礦井監(jiān)控系統(tǒng)的理論和技術(shù)。 1.3.3 系統(tǒng)作用（1）當(dāng)瓦斯超限或局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行或掘進(jìn)巷道停風(fēng)時(shí)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)切斷相關(guān)區(qū)域的電源并閉鎖同時(shí)報(bào)警：避免或減少由于電氣設(shè)備失爆、違章作業(yè)、電氣設(shè)備故障電火花或危險(xiǎn)溫度引起瓦斯爆炸；避免或減少采、掘、運(yùn)等設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的摩擦碰撞火花及危險(xiǎn)溫度等引起瓦斯爆炸；提醒領(lǐng)導(dǎo)、生產(chǎn)調(diào)度等及時(shí)將人員撤至安全處;提醒領(lǐng)導(dǎo)、生產(chǎn)調(diào)度等及時(shí)處理事故隱患，防止瓦斯爆炸等事故發(fā)生。（2）還可通過煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控瓦斯抽放系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、煤炭自燃、瓦斯突出等。（3）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)急救援和事故調(diào)查中也發(fā)揮著重要作用，當(dāng)煤礦井下發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸等事故后，系統(tǒng)的監(jiān)測記錄是確定事故時(shí)間、爆源、火源等重要依據(jù)之一。1.3.4 現(xiàn)存問題煤礦應(yīng)按照煤礦安全規(guī)程和AQ17029-2007煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范安裝、使用、維護(hù)和管理系統(tǒng)。但部分煤礦傳感器裝備數(shù)量和地點(diǎn)不滿足上述規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的要求，更沒有按照規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)調(diào)校和維護(hù)，甚至將傳感器報(bào)警濃度調(diào)高，不使用斷電控制功能等。從國務(wù)院煤礦事故調(diào)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(tuán)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(tuán)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(fā)現(xiàn):事故礦均沒有按規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)要求安裝、維護(hù)和使用系統(tǒng)。有的傳感器裝備數(shù)量不足有的安裝地點(diǎn)不正確有的報(bào)警濃度、斷電濃度和斷電控制設(shè)置不正確有的從不調(diào)校、有的不能正常運(yùn)行、形同虛設(shè)。 例如：2009年2月22日發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)使用維護(hù)最好的煤礦，但仍存在著下述嚴(yán)重問題：（1）將回風(fēng)巷甲烷傳感器報(bào)警值和斷電值調(diào)高至2.5%，如圖1-13所示。 （2）將4臺電氣開關(guān)設(shè)置在微風(fēng)的12403工作面1號聯(lián)絡(luò)巷，但不設(shè)置甲烷傳感器，如圖1-14所示。因此，煤礦安全規(guī)程（2010年版）第132條第二款修改為“井下個(gè)別機(jī)電設(shè)備設(shè)在回風(fēng)流中的，必須安裝甲烷傳感器并具備甲烷超限斷電功能”。（3）系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，事故前20分鐘內(nèi)，監(jiān)測信號中斷4次，如圖1-13所示。圖1-13瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)多次中斷、斷電值調(diào)為2.5%CH4 圖1-14 12403采煤工作面1號聯(lián)絡(luò)巷布置圖1.4 礦井監(jiān)控系統(tǒng)通用要求信息傳輸要求主要包括：傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、工作方式、連接方式、傳輸方向、復(fù)用方式、信號、同步方式、調(diào)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(jié)點(diǎn)容量等。傳輸介質(zhì)：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(gè)導(dǎo)體組成，一個(gè)作為信號線、一個(gè)作為地線。光纜：核心為光纖，光纖由純凈玻璃或塑膠材料構(gòu)成、覆層和保護(hù)層。無線介質(zhì)：主要三種傳輸技術(shù)，即微波、紅外線和激光。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中互連的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)或站，結(jié)點(diǎn)間的物理連接結(jié)構(gòu)稱為拓?fù)?。通常有星形、環(huán)形、總線形和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下各圖所示。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖信號復(fù)用方式傳輸多路信號主要有三種復(fù)用方式，即頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據(jù)不同的頻率范圍。時(shí)分復(fù)用是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間。 碼分復(fù)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(shù)字信號兩種。數(shù)字信號同模擬信號相比具有以下特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng);傳輸中的差錯(cuò)可以控制，傳輸質(zhì)量高；可以傳遞各種消息，靈活通用；便于計(jì)算機(jī)存儲、處理和傳輸；便于本質(zhì)安全防爆隔離。因此宜采用數(shù)字信號傳輸，這包括分站至主站和傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)至分站之間的信號傳輸。通信方式對于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)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?shù)墓ぷ鞣绞剑?因此只占用一個(gè)信道， 如下圖所示。發(fā)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(fā)消息， 但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式，如下圖所示。發(fā)端信 道收端發(fā)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(shí)進(jìn)行收發(fā)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(fā)端信 道收端收端發(fā)端信 道全雙工通信方式示意圖傳輸模式并行傳輸是將代表信息的數(shù)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(shí)傳輸，如下圖（a）所示。并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時(shí)間，但需要傳輸信道多， 設(shè)備復(fù)雜， 成本高， 故較少采用， 一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。 串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸， 如下圖(b)所示。一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備101(b)發(fā)送設(shè)備接收設(shè)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(dú)立傳送。發(fā)送方可以在任何時(shí)刻發(fā)送這些比特組，接收方從不知道它們會在什么時(shí)候到達(dá)。同步傳輸（串）把若干個(gè)字符組合起來構(gòu)成所謂的數(shù)據(jù)幀一起發(fā)送。調(diào)制方式基帶傳輸與頻帶傳輸相比具有設(shè)備簡單、成本低、便于本質(zhì)安全防爆、便于樹狀系統(tǒng)使用(傳輸頻帶在低頻段)等優(yōu)點(diǎn)。而調(diào)頻和調(diào)相具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，礦井監(jiān)控系統(tǒng)宜采用基帶、調(diào)頻和調(diào)相傳輸。字符字符長度通常有5、6、7、8位等，但在實(shí)際使用中，為提高編碼效率一般采用8位。在廣泛應(yīng)用的MCS-51系列單片機(jī)及其兼容系列中.為便于多機(jī)通信，可將8位數(shù)據(jù)后的第9位用做地址/數(shù)據(jù)標(biāo)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(jiān)控系統(tǒng)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，任意長度的邏輯“1”表示空閑。字符最高位與停止位之間設(shè)1位地址/數(shù)據(jù)標(biāo)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(shù)據(jù)(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(shè)1位奇偶校驗(yàn)位，宜采用奇校驗(yàn)(如下圖所示)。幀格式 為標(biāo)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(shù)據(jù)場和校驗(yàn)場。還有標(biāo)志幀開始和結(jié)束的開始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志。在采用具有地址/數(shù)據(jù)標(biāo)志位字符的幀格式中地址場可兼作幀開始標(biāo)志，停止位兼作結(jié)束標(biāo)志。在信號的遠(yuǎn)距離傳輸過程中，會受到各種干擾而發(fā)生差錯(cuò)，為保證裝置的傳輸質(zhì)量，除提高裝置的信噪比外，采用差錯(cuò)控制措施是十分有效的方法。常用的方法有檢錯(cuò)法和糾錯(cuò)法。在計(jì)算機(jī)通信和工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用奇偶校驗(yàn)和循環(huán)冗余校駿，以提高編碼效率和降低設(shè)備的復(fù)雜性因此礦井監(jiān)控系統(tǒng)的差錯(cuò)控制方法宜采用奇偶校驗(yàn)或循環(huán)冗余校驗(yàn)。 因此，礦井監(jiān)控系統(tǒng)的1幀宜由1個(gè)字符的地址場、1個(gè)字符的控制場、N個(gè)字符的數(shù)據(jù)場和2個(gè)字符的CRC校驗(yàn)場(下圖所示)組成，CRC生成多項(xiàng)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(shí)間傳輸?shù)谋忍匚?，單位為比特每秒（bps)。帶寬媒體能夠傳輸?shù)淖罡哳l率與最低頻率的差值。也用于指媒體能夠傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。誤碼率用于監(jiān)測的礦井監(jiān)控系統(tǒng)的誤碼率應(yīng)不大于10-6用于監(jiān)控的礦井監(jiān)控系統(tǒng)的誤碼率應(yīng)不大于10-8傳輸處理誤差為降低系統(tǒng)成本，模擬量一般采用8位字長表示 ，在A/D轉(zhuǎn)換過程中的處理誤差為小于 等于1/256，因此礦井監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸處理誤差應(yīng)不大于0.5%.最大巡檢周期為保證實(shí)時(shí)性，需對最大傳輸容量下巡檢周期進(jìn)行規(guī)定。由于礦井監(jiān)控信號的變化比較緩慢，因此，礦井監(jiān)控系統(tǒng)的最大巡檢周期應(yīng)不大于30s，并應(yīng)滿足監(jiān)控要求。當(dāng)然在不過多增加系統(tǒng)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(huán)境惡劣、維護(hù)困難，若采用中繼器延長礦井監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸距離，由于中繼器是有源設(shè)備，故障率較無中繼系統(tǒng)高，并且在煤礦井下礦井監(jiān)控系統(tǒng)的供電受電氣防爆限制，在中繼器處不一定好取電源，若采用遠(yuǎn)距離供電還需要增加供電芯線。因此，礦井監(jiān)控系統(tǒng)不宜采用中繼器延長傳輸距離。根據(jù)我國煤礦的具體情況，為滿足礦井的監(jiān)控需要，主站至分站、分站至分站之間的最大傳輸距離應(yīng)不小干10 km。由于高產(chǎn)高效工作面的出現(xiàn)，工作面走向長度可達(dá)I 500 m, 工作面長度可達(dá)200 m,因此，傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)至分站的最大傳愉距離應(yīng)不小于2 km。最大節(jié)點(diǎn)容量一個(gè)網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)容量一般由譯碼能力、接口的驅(qū)動(dòng)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(guān)，因此，決定節(jié)點(diǎn)容量的關(guān)鍵因素是物理層。根據(jù)RS485、CAN等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格分析及測試，無中繼傳輸距離達(dá)10km的網(wǎng)段，其最大節(jié)點(diǎn)容量為128。雖然現(xiàn)有一些系統(tǒng)號稱可接分站數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)，但這僅僅是譯碼能力，沒有任何實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)來證明該系統(tǒng)容量是可靠的，往往在實(shí)際使用中，會出現(xiàn)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定等問題。因此礦井監(jiān)控系統(tǒng)的最大節(jié)點(diǎn)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(yīng)考慮便于二進(jìn)制編碼的問題。模擬量、開關(guān)量和累計(jì)量等監(jiān)測功能、聲光報(bào)警、手動(dòng)（自動(dòng)）控制功能、有備用電源、自檢報(bào)警、主機(jī)備份、實(shí)時(shí)存儲、顯示（內(nèi)容顯示、繪制曲線、柱狀圖顯示和模擬動(dòng)畫顯示等）功能、打印功能、人機(jī)對話功能、防雷、抗干擾、掉電保護(hù)功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能、地面設(shè)備防靜電措施、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、電源波動(dòng)適應(yīng)范圍要求等(90%-110%地面,井下75%-110%)。二.系統(tǒng)應(yīng)具有的性能要求三.軟件要求 ?性能要求實(shí)時(shí)性:能周期性地循環(huán)運(yùn)行而不中斷數(shù)據(jù)處理精度:處理誤差應(yīng)小于0.5%死機(jī)率:軟件引起的死機(jī)率小于1次/720h鍵盤響應(yīng):從鍵盤輸入到執(zhí)行該條命令的最長間隔時(shí)間小于30S中文功能:自檢功能:接入系統(tǒng)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(shí)間、色標(biāo)、符號及字符長度單位：計(jì)量單位必須符合法定計(jì)量單位。表示格式：模擬量一般采用三位有效數(shù)字表示，如低甲烷濃度表示為：0.00%CH4、煤倉煤位00.0m等。開關(guān)量狀態(tài)：可用漢字（如開/停）、字符(如ON/OFF)、圖形顏色（如紅色為停止、綠色為工作）等。時(shí)間：如秒、分、小時(shí)、天和月等。色標(biāo)：紅色表示超限報(bào)警、設(shè)備故障、停止運(yùn)行和電力網(wǎng)有電等。黃色表示設(shè)備維修不用、測點(diǎn)不巡檢、接收不到信號、電力網(wǎng)無電。綠色表示正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。符號：如A-模擬量、D-開關(guān)量、I-輸入、O-輸出等。字符長度：名稱一般不超過8個(gè)漢字。?顯示?報(bào)警?存儲記錄?打印1.5 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)定1.5.1使用與維護(hù)要點(diǎn) （1）選用符合AQ6201-2006煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求等，取得礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志準(zhǔn)用證和防爆合格證的系統(tǒng)。 （2）按照煤礦安全規(guī)程和AQ1029-2007煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范設(shè)計(jì)、安裝、使用、管理與維護(hù)系統(tǒng)。 （3）甲烷、風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)筒、風(fēng)門、局部通風(fēng)機(jī)開停、主通風(fēng)機(jī)開停、饋電狀態(tài)等傳感器要按規(guī)定的數(shù)量和地點(diǎn)正確安裝與維護(hù)。 （4）根據(jù)被控對象的不同，正確連接甲烷斷電閉鎖和風(fēng)電閉鎖。 （5）根據(jù)工作面和回風(fēng)巷等不同地點(diǎn)，正確設(shè)置報(bào)警濃度、斷電濃度、復(fù)電濃度和斷電區(qū)域。 （6）每隔10天使用校準(zhǔn)氣樣和空氣氣樣對甲烷傳感器進(jìn)行正確調(diào)校，同時(shí)對甲烷斷電閉鎖和風(fēng)電閉鎖功能進(jìn)行測試。 （7）甲烷超限報(bào)警、斷電、饋電異常、停風(fēng)報(bào)警后，要及時(shí)采取停電、撤人等安全措施。 1.5.2一般規(guī)定1.煤礦企業(yè)應(yīng)建立安全儀表計(jì)量檢驗(yàn)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(jiān)控系統(tǒng)。沒有裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的礦井的煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌