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礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是一種能夠自動(dòng)采集和處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)控制的系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷超限斷電、停風(fēng)斷電、通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、煤與瓦斯突出預(yù)報(bào)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、水災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、礦山壓力監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)等，從而減少瓦斯與煤塵爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)、頂板等災(zāi)害事故發(fā)生，有效地保障煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全。
第一章 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
《煤礦安全規(guī)程》第一百五十八條明確規(guī)定：“所有礦井必須裝備礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的安裝、使用和維護(hù)必須符合本規(guī)程和相關(guān)規(guī)定的要求。”
自2000年以來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國(guó)各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的裝備大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率，同時(shí)也為該技術(shù)的正確選擇、使用、維護(hù)和企業(yè)安全生產(chǎn)信息化管理提出了更高的要求。
1.1 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，20世紀(jì)80年代初，從加拿大、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和美國(guó)等引進(jìn)了一批礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)（如DAN6400、TF-200、MINOS和SCADA），這些系統(tǒng)在我國(guó)煤炭行業(yè)中發(fā)揮了巨大作用，也為我國(guó)研制礦用監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)提供了良好的借鑒。上述系統(tǒng)均是綜合型監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，但側(cè)重于安全參數(shù)的檢測(cè)和控制，且這些監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：①性?xún)r(jià)比過(guò)低，即系統(tǒng)價(jià)格過(guò)高，難以承受；②主監(jiān)測(cè)機(jī)的系統(tǒng)軟件在文檔處理上有些不符合我國(guó)企業(yè)實(shí)際情況；③井下工作站的體積、質(zhì)量比較大；④技術(shù)服務(wù)上有缺陷；⑤有些系統(tǒng)的技術(shù)并非一流。 做軟件致電：010-52895342
在引進(jìn)國(guó)外監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí)，通過(guò)消化、吸收并結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際情況，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。目前，這些系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)煤礦得到廣泛運(yùn)用。實(shí)踐表明，安全監(jiān)測(cè)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，各局礦已作為一項(xiàng)重大安全裝備。由于當(dāng)時(shí)相當(dāng)一部分監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)由于技術(shù)水平低、功能和擴(kuò)展性能差、現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)和技術(shù)服務(wù)跟不上等原因，或者已淘汰、或者停產(chǎn)。因此造成相當(dāng)一部分礦井無(wú)法繼續(xù)正常使用已裝備的系統(tǒng)。特別是近年來(lái)由于老系統(tǒng)服務(wù)年限將至，已無(wú)繼續(xù)維修維護(hù)的必要，系統(tǒng)面臨更新改造的機(jī)遇。
隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。同時(shí)，在“以風(fēng)定產(chǎn)，先抽后采，監(jiān)測(cè)監(jiān)控”十二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(guó)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(cè)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(hù)提供了更多的選擇機(jī)會(huì)、也促進(jìn)了各廠家在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)條件下不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)意識(shí)。
1.2 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是著眼于我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在未來(lái)將按照信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。
（1）自身性能的不斷提高
a) 提高傳感器的質(zhì)量
提高各種傳感器的質(zhì)量，特別是要研制高可靠性的瓦斯傳感器，使其在智能性、耗能、體積、使用壽命、工作穩(wěn)定性和調(diào)校周期等方面均有所提高和改善。
b) 應(yīng)用智能化的電氣設(shè)備
在系統(tǒng)中應(yīng)用智能化的高壓開(kāi)關(guān)柜、高壓真空饋電開(kāi)關(guān)、低壓真空饋電開(kāi)關(guān)等，向系統(tǒng)提供多參數(shù)的信息（如電流、電壓、單相/三相漏電電流、開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)、開(kāi)關(guān)機(jī)械/電氣閉鎖狀態(tài)等），以減少由電氣火災(zāi)引起礦井瓦斯爆炸的可能性。
c) 使用高性能的運(yùn)算處理系統(tǒng)
使用運(yùn)算處理速度更快、運(yùn)算處理性能更高的CPU，以提高煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各種復(fù)雜信息的處理能力和處理速度。
另外，使用大屏幕液晶顯示技術(shù)，可以使煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)既能夠顯示各種表格，又能夠顯示各種可視圖像。
d) 應(yīng)用新型控制技術(shù)
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS）是一種新興技術(shù)，它代表了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向。以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是必然趨勢(shì)，這種新模式必然會(huì)促進(jìn)和推動(dòng)煤礦電氣控制技術(shù)的發(fā)展，并推動(dòng)煤礦向采煤自動(dòng)化方向邁進(jìn)。
使用以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為基礎(chǔ)建立的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的所有特點(diǎn)，即總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、數(shù)字串行通信、多點(diǎn)（廣播）方式、接受過(guò)濾功能、全分散等。
（2）網(wǎng)絡(luò)性能的不斷完善 a) 統(tǒng)一的通信協(xié)議
針對(duì)通信協(xié)議不規(guī)范和傳輸設(shè)備物理層協(xié)議不規(guī)范的問(wèn)題，應(yīng)盡快尋找一種解決系統(tǒng)兼容性的途徑或制定相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)促進(jìn)礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。
b) 網(wǎng)絡(luò)化的范圍不斷擴(kuò)大 目前，煤炭企業(yè)裝備的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源共享。今后的趨勢(shì)是全國(guó)的煤炭企業(yè)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源共享。
（3）智能性能的不斷增強(qiáng) a) 提高生產(chǎn)決策的能力
煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，而且還能根據(jù)被監(jiān)測(cè)環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行有效的危險(xiǎn)性辨別和分析，以提出專(zhuān)家的生產(chǎn)決策方案。
b) 提高預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的能力 根據(jù)煤礦各種歷史數(shù)據(jù)，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠進(jìn)行趨勢(shì)分析，以提高對(duì)瓦斯等災(zāi)害因素的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力和水平。
c) 提高預(yù)防災(zāi)害的能力 在事故即將發(fā)生之際，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能利用安全防護(hù)設(shè)備，控制災(zāi)害發(fā)生，減少災(zāi)害損失。
第二章 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的組成
早期的礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、斷電儀、載波機(jī)、傳輸線(xiàn)、解調(diào)器、計(jì)算機(jī)、調(diào)度顯示盤(pán)等組成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)監(jiān)控終端、地面中心站、通信接口裝置、井下分站、各種傳感器等組成。其典型結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。
2.1 地面中心站
地面中心站能夠?qū)崿F(xiàn)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、顯示、查詢(xún)、儲(chǔ)存、打印等功能，另外，操作員發(fā)出的設(shè)備控制命令也是通過(guò)地面中心站完成的。
生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)主要是指監(jiān)控井上、井下主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如煤倉(cāng)煤位、水倉(cāng)水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；水泵、提升機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)、主要通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)、采煤機(jī)、開(kāi)關(guān)、磁力起動(dòng)器等的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等。
環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)主要是指監(jiān)測(cè)煤礦井下各種有毒有害氣體及工作面的作業(yè)條件，如高濃度甲烷氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳濃度、氧氣濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、井下空氣溫度、巖煤溫度、頂板壓力、煙霧等。
同時(shí)，地面中心站也有顯示測(cè)量參數(shù)、數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線(xiàn)顯示、圖形生成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障統(tǒng)計(jì)和報(bào)表、報(bào)告打印功能。其中，部分系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)連接功能，并采用國(guó)際通用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)終端與中心站之間實(shí)時(shí)通信和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能。
2.2 井下分站
盡管監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的井下分站形式多樣，但基本上都具備如下功能：
（1）開(kāi)機(jī)自檢和本機(jī)初始化功能；
（2）通信測(cè)試功能；
（1）開(kāi)機(jī)自檢和本機(jī)初始化功能；
（2）通信測(cè)試功能；
（3）分站具有自動(dòng)控制功能（實(shí)現(xiàn)斷電儀功能、風(fēng)電瓦斯鎖閉功能、瓦斯管道監(jiān)測(cè)功能和一般的環(huán)境監(jiān)測(cè)功能等）；
（4）死機(jī)自復(fù)位功能，且可以通知中心站；
（5）接收地面中心站初始化本分站參數(shù)設(shè)置功能（如傳感器配接通道號(hào)、量程、斷電點(diǎn)、報(bào)警上限和報(bào)警下限等）；
（6）分站自動(dòng)識(shí)別配接傳感器類(lèi)型（電壓型、電流型或頻率型等）；
（7）分站自身具備超限報(bào)警功能；
（8）分站接收中心站對(duì)本分站指定通道輸出控制繼電器實(shí)施手控操作功能和異地?cái)嚯姽δ堋?nbsp;
2.3 傳感器與控制器
傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能正確反映被測(cè)環(huán)境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和用于煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器主要有瓦斯、一氧化碳、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煤倉(cāng)煤位、水倉(cāng)水位、電流、電壓和有功功率等模擬量傳感器，以及機(jī)電設(shè)備開(kāi)停、機(jī)電設(shè)備饋電狀態(tài)、風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量傳感器。以上傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用基本滿(mǎn)足了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的需要，但國(guó)產(chǎn)傳感器在使用壽命、調(diào)校周期、穩(wěn)定性和可靠性方面與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比還有很大差距，某些傳感器（如瓦斯傳感器）的穩(wěn)定性還不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。
煤礦井下使用的控制器主要是指各種規(guī)格的斷電儀，其主體是由繼電器構(gòu)成，該斷電儀的壽命長(zhǎng)，可靠性高。
第三章 便攜式安全生產(chǎn)檢測(cè)裝置
煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)裝置種類(lèi)很多，一般分為便攜式檢測(cè)裝置和系統(tǒng)式檢測(cè)裝置。便攜式檢測(cè)裝置以其質(zhì)量輕、便于攜帶等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤礦中。目前，煤礦用便攜式檢測(cè)裝置主要用來(lái)檢測(cè)甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫等，為常用的是便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀。
便攜式檢測(cè)裝置應(yīng)當(dāng)具備以下功能：①低功耗；②具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)鐘顯示；③具有聲光報(bào)警并可設(shè)置、調(diào)整報(bào)警點(diǎn)；④可燃?xì)怏w傳感器高濃度保護(hù)功能；⑤可燃?xì)怏w傳感器故障自檢，可更換傳感器；⑥電池欠壓提示。
便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀根據(jù)其工作原理可分為很多種，如光干涉式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀、熱導(dǎo)式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀、熱催化式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀等。目前，外廣泛采用的是熱催化式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀，主要原因是熱催化式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受背景氣溫和溫度影響小、輸出信號(hào)電流大、信號(hào)處理顯示方便、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
3.1 熱催化式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀的工作原理
熱催化式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀的工作原理是：利用甲烷在催化元件（俗稱(chēng)黑白元件）上的氧化生熱（也稱(chēng)無(wú)煙燃燒）使催化元件的阻值發(fā)生變化，由催化元件和電阻組成的惠斯通電橋失去平衡，當(dāng)瓦斯在元件表面發(fā)生無(wú)煙燃燒時(shí)，元件溫度升高，阻值增大，電橋輸出與瓦斯?jié)舛瘸杀壤碾妷盒盘?hào)，通過(guò)測(cè)量電信號(hào)的大小，達(dá)到檢測(cè)甲烷濃度的目的。根據(jù)這一原理制成的便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀大體分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由電橋輸出的信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)電表指示甲烷濃度；另一類(lèi)是電橋輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，驅(qū)動(dòng)電表或數(shù)字電路顯示甲烷濃度，放大后的信號(hào)還可連接聲光報(bào)警電路，提示甲烷濃度超限。信號(hào)經(jīng)比例放大后分為兩路，一路為經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、譯碼、驅(qū)動(dòng)和數(shù)字顯示等形成的電路；另一路為經(jīng)電壓比較、驅(qū)動(dòng)和聲光報(bào)警等形成的電路。
3.2 熱催化式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀的主要性能指標(biāo)
（1）儀器按使用功能可分為檢測(cè)儀（以顯示功能為主的儀器，以下稱(chēng)A類(lèi)儀器）、報(bào)警儀（以報(bào)警功能為主的儀器，以下稱(chēng)B類(lèi)儀器）和測(cè)報(bào)儀（兼有顯示和報(bào)警兩種功能的儀器，以下稱(chēng)C類(lèi)儀器）。 （2）儀器測(cè)量范圍：①0～3% CH4；②0～4% CH4；③0～10% CH4.
（3）儀器報(bào)警點(diǎn)設(shè)置范圍可采用：（0.5%～2%）CH4。
（4）儀器應(yīng)能適應(yīng)的環(huán)境條件：貯存溫度為-40～60℃，工作溫度為0～40℃，相對(duì)濕度不大于98%，氣壓為68～115kPa，風(fēng)速為0～8m/s。
（5）儀器的基本功能：①A類(lèi)和C類(lèi)儀器的顯示值應(yīng)有兩位以上（含兩位）有效讀數(shù)，且有顯示值極性標(biāo)志；②B類(lèi)和C類(lèi)儀器應(yīng)有報(bào)警和報(bào)警自檢功能；③各類(lèi)儀器均應(yīng)有電源欠壓自動(dòng)關(guān)斷功能和防高濃度甲烷沖擊措施。
（6）與儀器配套使用的充電器，應(yīng)有充電指示及防過(guò)充功能，應(yīng)保證充電效果良好。 （7）儀器允許的基本誤差應(yīng)符合表2-1的要求，儀器允許的報(bào)警誤差應(yīng)符合表2-2的要求。
（8）儀器的工作位置偏離規(guī)定狀態(tài)時(shí)，顯示值或報(bào)警點(diǎn)產(chǎn)生的附加誤差應(yīng)在±0.03% CH4范圍內(nèi)。
（8）儀器的工作位置偏離規(guī)定狀態(tài)時(shí)，顯示值或報(bào)警點(diǎn)產(chǎn)生的附加誤差應(yīng)在±0.03% CH4范圍內(nèi)。
（9）檢測(cè)元件連續(xù)工作的儀器，其儀器的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于30s；間斷工作的儀器，其儀器的響應(yīng)的時(shí)間應(yīng)不大于15s，其中，自動(dòng)間斷工作的儀器，其響應(yīng)時(shí)間還應(yīng)比其設(shè)定的測(cè)量時(shí)間少5s。
（10）儀器的報(bào)警功能應(yīng)符合下列要求：①報(bào)警點(diǎn)應(yīng)能在(0.5%～2%)CH4范圍內(nèi)任意設(shè)
置；②報(bào)警時(shí)，在距訊響器1m遠(yuǎn)處，供班組集體使用的儀器，其報(bào)警聲音應(yīng)不小于80dB，且報(bào)警光信號(hào)在暗處的能見(jiàn)度應(yīng)不小于20m。
（11）儀器的電源應(yīng)采用無(wú)“記憶效應(yīng)”電池或采取防“記憶效應(yīng)”措施。電池正常充電后，各種儀器的工作時(shí)間應(yīng)不小于9h；工作中，儀器均不應(yīng)出現(xiàn)欠壓和超差，且B類(lèi)和C類(lèi)儀器的報(bào)警性能應(yīng)正常。
（12）儀器連續(xù)運(yùn)行7d時(shí)（每天工作9h），其基本誤差或報(bào)警誤差不應(yīng)超差。
第四章 礦用監(jiān)控系統(tǒng)傳感器
7 煤礦井下各種有用、有害氣體及溫度和濕度等參數(shù)，都屬于環(huán)境參數(shù)。礦井環(huán)境參數(shù)主要有甲烷濃度、氧氣濃度、粉塵濃度、井巷硐室和工作面溫度、風(fēng)量與負(fù)壓、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、二氧化硫濃度和硫化氫濃度等。
采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、及通風(fēng)等各系統(tǒng)的運(yùn)行及相關(guān)設(shè)備的工作狀況稱(chēng)為礦井工況參數(shù)。主要監(jiān)測(cè)的工況參數(shù)有風(fēng)筒風(fēng)量、風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)、輸送帶開(kāi)停、煤倉(cāng)煤位、采煤機(jī)組位置、排水系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、主要通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)等工況參數(shù)。
傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)處理電路3部分組成，有時(shí)需要加輔助電源，其組成原理如圖4-1所示。
4.1 智能遙控甲烷傳感器
智能遙控甲烷傳感器是組成監(jiān)控系統(tǒng)的一種智能型檢測(cè)儀表。它可以配接各種型號(hào)的井
下分站、風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置、斷電儀等設(shè)備，用于檢測(cè)煤礦井下空氣中的甲烷含量。
KGY-002A型智能遙控甲烷傳感器由供電電源、甲烷傳感頭、檢測(cè)電橋、放大器、A/D變換器、紅外接收頭、單片機(jī)及顯示電路和輸出電路等組成。
4.1.1 甲烷傳感頭 甲烷傳感頭由氣室、黑白元件等組成，黑白元件是一種對(duì)甲烷氣體很敏感的載體催化元件，白元件是補(bǔ)償元件。黑白元件作為檢測(cè)電橋的兩臂，另兩臂由電阻組成。將黑白元件置于同一氣室中，施加工作電壓。無(wú)甲烷時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出約為0；當(dāng)甲烷氣體進(jìn)入氣室，接觸到黑白元件表面時(shí)，在其表面進(jìn)行無(wú)焰燃燒，元件的溫度升高，阻值增大。而白元件不發(fā)生反應(yīng)，阻值不變，于是破壞了檢測(cè)電橋平衡，在一定的甲烷濃度范圍內(nèi)，產(chǎn)生正比于甲烷濃度的直流電壓輸出信號(hào)。檢測(cè)電橋的電位器是用來(lái)調(diào)節(jié)零點(diǎn)的。零點(diǎn)即甲烷濃度為0時(shí)放大器的輸出電壓，一般為0.25V。
4.1.2 供電電源
由分站提供的DC8～22V電壓，經(jīng)傳感器中高效DC-DC變換成3V和5V，分別供檢測(cè)電橋和儀表線(xiàn)路使用。
4.1.3 放大器及A/D變換器
檢測(cè)變換器的輸出為差動(dòng)式毫伏級(jí)信號(hào)，通過(guò)直流放大器進(jìn)行放大并變成單端輸出，通過(guò)A/D變換器將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理。
4.1.4 紅外遙控器及接收器
紅外遙控器將各種指令轉(zhuǎn)換成串行紅外光編碼信號(hào)發(fā)送出去。接收器將串行紅外光編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行電數(shù)碼信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，完成各種功能。
4.1.5 單片機(jī)
傳感器采用一次性編程的AT87C52單片機(jī)。儀表內(nèi)部有看門(mén)狗電路，程序正常運(yùn)行時(shí)會(huì)不斷地抑制看門(mén)狗。當(dāng)程序運(yùn)行不正常時(shí)，看門(mén)狗就自動(dòng)發(fā)出一個(gè)硬件復(fù)位信號(hào)。
當(dāng)甲烷濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)（1%4CH）,單片機(jī)報(bào)警，產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)甲烷濃度達(dá)4.1%4CH時(shí)，單片機(jī)控制切斷供給甲烷傳感頭的電源，保護(hù)黑白元件。此時(shí)，傳感器顯示值和輸出信號(hào)值均為超載狀態(tài)。2min后自動(dòng)脫離保護(hù)狀態(tài)，重新檢測(cè)。當(dāng)甲烷濃度低于4.1%4CH時(shí)，橋路正常供電；若甲烷濃度仍超過(guò)4.1%4CH時(shí)，則重新進(jìn)入2min保護(hù)周期。傳感器顯示值和輸出信號(hào)值仍保持在超限狀態(tài)。
4.1.6 顯示電路
顯示電路由四位數(shù)碼管組成。高位數(shù)碼管用來(lái)顯示功能代碼，或在零點(diǎn)漂移為負(fù)時(shí)顯示“-”號(hào)，并且數(shù)字閃爍。后三位在調(diào)校時(shí)顯示功能代碼號(hào)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，正常檢測(cè)時(shí)顯示甲烷濃度。顯示窗內(nèi)的紅色發(fā)光指示等閃亮?xí)r，表示信號(hào)輸出線(xiàn)路通暢；若燈滅，表示信號(hào)線(xiàn)路不通。
4.2 一氧化碳傳感器
煤礦常用的一氧化碳檢測(cè)儀器有電化學(xué)式、紅外線(xiàn)吸收式、催化氧化式等。國(guó)內(nèi)外煤礦廣泛使用的是電化學(xué)式一氧化碳傳感器。
4.2.1 電化學(xué)式KG3002型一氧化碳傳感器
各種物質(zhì)在氧化還原時(shí)都有一定的氧化還原電位，一氧化碳的氧化還原電位式是0.9～1.1V，在該電位條件下，一氧化碳可生成二氧化碳。根據(jù)這一原理，氧化還原過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生離子電流，因此，只要測(cè)出離子電流的大小，即可測(cè)算出一氧化碳的濃度值。采用這一原理研制的KG3002型一氧化碳傳感器，在KJ系列安全監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛使用。
KG3002型一氧化碳傳感器是一個(gè)裝有3只（或2只）電極的電化學(xué)池。設(shè)W為工作極，C為對(duì)極，R為恒電位極。當(dāng)一氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散進(jìn)入工作極時(shí)，首先在工作極處產(chǎn)生氧化反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為
同時(shí)，在對(duì)極處，產(chǎn)生還原反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為
OHeHO22244????
在上述反應(yīng)中，工作極氧化放出電子e，對(duì)極還原獲得電子e，因此，在工作極與對(duì)極之間形成電子流動(dòng)，即發(fā)生了電流。所以，只要測(cè)出氧化還原過(guò)程中電化學(xué)池內(nèi)離子電流的大小，就可測(cè)算出一氧化碳濃度的高低。
4.3 溫度傳感器
4.3.1 熱電偶、熱電阻及熱敏電阻溫度傳感器
將兩種不同的金屬材料焊接在一起，當(dāng)兩種不同金屬材料的兩個(gè)點(diǎn)（冷端和熱端）存在溫差時(shí)，將在金屬材料間產(chǎn)生與溫差成正比的溫差電勢(shì)，如將回路閉合，就會(huì)形成電流。電阻值與溫度成正比，基于以上原理制成了熱電偶溫度傳感器。
熱電阻溫度傳感器是利用某些金屬材料對(duì)溫度的敏感特性而工作的。熱敏電阻溫度傳感器可分為溫度升高時(shí)電阻值增大的正溫度系數(shù)型和溫度升高時(shí)電阻值減少的負(fù)溫度系數(shù)型，兩者都是利用半導(dǎo)體材料對(duì)溫度的敏感特性而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。
4.3.2 半導(dǎo)體式溫度計(jì)
利用半導(dǎo)體二極管、三極管中PN結(jié)對(duì)溫度的敏感性，可以方便地實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。AD590型集成電路溫度傳感器就是將晶體管與放大電路等元件集成在一塊很小的電路芯點(diǎn)，在礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。 4.3.3 紅外光式溫度傳感器
紅外光式溫度傳感器是根據(jù)紅外輻射原理工作，因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)當(dāng)溫度超過(guò)絕對(duì)零度（-273℃）時(shí)均會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，輻射功率P隨物體溫度增高而增大。輻射功率的計(jì)算公式為 4
TP??? 式中 ?——常數(shù)，)/(106697.54212KcmW????? ；
——比輻射率，對(duì)于絕對(duì)黑體，0.1??；非絕對(duì)黑體，0<?<1.0.
由上式可知，采用合適的敏感元件測(cè)出紅外輻射功率，然后推算出物體溫度，就可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫目的。紅外測(cè)溫具有測(cè)溫范圍廣、反應(yīng)快、靈敏度高、不影響被測(cè)溫度場(chǎng)分布等優(yōu)點(diǎn)。
4.4 開(kāi)關(guān)量傳感器
煤礦安全生產(chǎn)中，除了對(duì)甲烷、一氧化碳和風(fēng)速等進(jìn)行監(jiān)控外，為了隨時(shí)全面了解全礦的生產(chǎn)、工作狀況，統(tǒng)計(jì)設(shè)備利用率，還要對(duì)主要機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、風(fēng)門(mén)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 4.4.1 觸點(diǎn)傳感器
觸點(diǎn)傳感器是利用接觸器或繼電器的接點(diǎn)來(lái)表示開(kāi)關(guān)狀態(tài)的。接點(diǎn)有常開(kāi)/常閉之分，還有接點(diǎn)容量大小、耐壓高低等指標(biāo)，使用時(shí)應(yīng)注意。利用觸點(diǎn)的動(dòng)作可以反映局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒是否被風(fēng)吹得鼓起，從而判斷局部通風(fēng)機(jī)送風(fēng)狀態(tài)。觸點(diǎn)傳感器的接點(diǎn)簡(jiǎn)單、實(shí)用，是應(yīng)用較廣泛的傳感器。
4.4.2 干簧管傳感器
干簧管是由小玻璃管內(nèi)安裝導(dǎo)磁性能的簧片制作而成。在附近無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，簧片處于接通，當(dāng)有磁場(chǎng)靠近時(shí)，簧片被磁化產(chǎn)生磁力，使簧片（也是接點(diǎn)）由閉合轉(zhuǎn)為斷開(kāi)。干簧管應(yīng)用很廣泛，將干簧管固定在井下風(fēng)門(mén)的門(mén)框上，在門(mén)上安裝一塊永久磁鐵，門(mén)在關(guān)閉位置時(shí)，干簧接點(diǎn)即可動(dòng)作。
4.4.3 光電傳感器
利用光電器件可以方便可靠地傳遞開(kāi)關(guān)信息。用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的本質(zhì)安全型電源為發(fā)光二極管供電，當(dāng)被控設(shè)備接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，其光線(xiàn)照射光敏管而使其導(dǎo)通，此光敏管可控制非本安電路的導(dǎo)通和關(guān)斷。
4.4.4 電磁感應(yīng)式開(kāi)關(guān)量傳感器
電磁感應(yīng)式開(kāi)關(guān)量傳感器使基于電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)對(duì)稱(chēng)的三相交流電流過(guò)三芯電纜時(shí)，因其合成磁場(chǎng)為0，故檢測(cè)不到磁場(chǎng)。但如果使用非閉合鐵芯，并使之靠近三相中的某一相時(shí)，就可以監(jiān)測(cè)到該相的漏磁場(chǎng)。
第五章 礦山供電系統(tǒng)
5.1 礦井供電的類(lèi)型
1）礦井供電方式的決定因素：井田范圍、煤層開(kāi)采深度、開(kāi)采方法、年產(chǎn)量、涌水量、負(fù)荷大小等綜合因素進(jìn)行。
2）分類(lèi)：深井和淺井兩種類(lèi)型。
a) 特點(diǎn)：設(shè)立中央變電所。
b) 決定因素：煤層深，井下負(fù)荷大、涌水量大等。如平煤各生產(chǎn)礦。
c) 組成：地面變電所、井下中央變電所和采區(qū)變電所。
d) 供電回路數(shù)：兩路或兩路以上。
c) 組成：地面變電所、井下中央變電所和采區(qū)變電所。
d) 供電回路數(shù)：兩路或兩路以上。
5.2 井下中央變電所
5.2.1井下中央變電所的結(jié)線(xiàn) 如圖5-2
（１）單母線(xiàn)分段結(jié)線(xiàn)：可靠性高，負(fù)荷大（獨(dú)立雙電源）：對(duì)一二類(lèi)負(fù)荷供電．獨(dú)立電源：對(duì)二三類(lèi)負(fù)荷供電．
（２）運(yùn)行方式：母線(xiàn)采用分列運(yùn)行。
（３）適用情況；可靠性高、負(fù)荷大（獨(dú)立雙電源）、對(duì)一二類(lèi)負(fù)荷供電。 5.2.2 井下中央變電所的位置和硐室布置
（1）位置選擇原則：負(fù)荷中心、通風(fēng)、交通、運(yùn)輸、進(jìn)出線(xiàn)、頂板、無(wú)淋水等。
（2）硐室要求：耐火材料、尺寸、大小、通道、20%余地。出口、柵欄門(mén)、防火門(mén)、外開(kāi)門(mén)、標(biāo)高等。
（2）硐室要求：耐火材料、尺寸、大小、通道、20%余地。出口、柵欄門(mén)、防火門(mén)、外開(kāi)門(mén)、標(biāo)高等。
（3）設(shè)備布置（圖5-3）
圖5-3 井下中央變電所設(shè)備布置
1-變壓配電箱；
2-硅整流器柜；
3-直流配電箱；
4-低壓配電裝置；
5-礦用變壓器；
6-防火鐵門(mén)；
7-鐵柵欄門(mén)；
8-電纜溝
2-硅整流器柜；
3-直流配電箱；
4-低壓配電裝置；
5-礦用變壓器；
6-防火鐵門(mén)；
7-鐵柵欄門(mén)；
8-電纜溝
a) 布置原則：安全、方便、留有余地。 b) 布置方式：①高壓、低壓設(shè)備分開(kāi)②留有檢修間距③留有備用設(shè)備余地是總回路數(shù)量的20%。
5.3 采區(qū)變電所
任務(wù)：接受中央變電所高壓電能、變壓、配出低壓電能。
5.3.1 采區(qū)變電所的結(jié)線(xiàn)
5.3.1 采區(qū)變電所的結(jié)線(xiàn)
考慮因素：電源回路數(shù)、負(fù)荷大小、變壓器臺(tái)數(shù)等。
（1）單電源進(jìn)線(xiàn)。接線(xiàn)圖（4-4），適用于：負(fù)荷小的工作面，炮采工作面。
（1）單電源進(jìn)線(xiàn)。接線(xiàn)圖（4-4），適用于：負(fù)荷小的工作面，炮采工作面。
（2）雙電源進(jìn)線(xiàn)。接線(xiàn)、分列運(yùn)行。適用對(duì)象；綜采工作面或下山采區(qū)、有排水泵的采區(qū)變電所。
5.3.2 采區(qū)變電所的位置和硐室布置 （圖5-4） 與井下中央變電所的位置和硐室布置類(lèi)同。
5.4 綜采工作面供電與工作面配電點(diǎn)
5.4.1 綜采工作面供電（圖5-5）
①高壓深入負(fù)荷中心。
①高壓深入負(fù)荷中心。
②組成：采區(qū)配電所—移動(dòng)變電站—工作面。
③設(shè)備布置；圖5-5。
5.4.2 工作面配電點(diǎn)
③設(shè)備布置；圖5-5。
5.4.2 工作面配電點(diǎn)
①引入：停送電方便，設(shè)備多或距離采區(qū)變電所較遠(yuǎn)。
②組成：采區(qū)變電所---工作面配電點(diǎn)方式。
②組成：采區(qū)變電所---工作面配電點(diǎn)方式。
第六章 礦用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的選擇
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不僅引起測(cè)控及過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的變革，同時(shí)也給煤礦監(jiān)控技術(shù)的跨越式發(fā)展帶來(lái)了新機(jī)遇。 由于煤礦井下的特殊環(huán)境（易燃易爆、潮濕、電網(wǎng)電壓波動(dòng)大、監(jiān)控距離遠(yuǎn)等），礦用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)不能照搬一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)礦井監(jiān)控的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)技術(shù)移植和改造，開(kāi)發(fā)出適合礦井生產(chǎn)環(huán)境的礦用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。
目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于控制及儀表領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主要有FF、Profits、CAN、LonWorks等。FF總線(xiàn)H1是用于過(guò)程控制的總線(xiàn)，其響應(yīng)速度較低。雖支持總線(xiàn)供電，但其安全柵的功率僅為600mW，開(kāi)發(fā)難度較大，故H1不能滿(mǎn)足礦井要求。
Profits的開(kāi)發(fā)比FF相對(duì)容易。它的物理層允許3種物理接口，即RS485、IEC61158-2和光纖標(biāo)準(zhǔn)。IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)與FF總線(xiàn)H1的物理接口相同，RS485在100bps時(shí)傳輸距離可達(dá)4km以上，加上中繼器可滿(mǎn)足煤礦要求，但其收發(fā)器抗共模電壓低，若用于煤礦，應(yīng)予以改造。
CAN總線(xiàn)具有成本低、開(kāi)發(fā)容易、實(shí)時(shí)性好、抗噪功能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，傳輸速率組稿為1Mbps（傳輸距離為40m時(shí)），大距離達(dá)到10km（傳輸速率為5kbps），節(jié)點(diǎn)數(shù)最多為110個(gè)，若加中繼器或網(wǎng)關(guān)等可擴(kuò)展。CAN總線(xiàn)只有物理層、鏈路層和應(yīng)用層，對(duì)CAN總線(xiàn)進(jìn)行本安設(shè)計(jì)，將它應(yīng)用于煤礦井下是一個(gè)較理想的方案。
LonWorks是一種性能優(yōu)良的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，有完善的開(kāi)發(fā)工具，且容易開(kāi)發(fā)，在物理層上支持雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、同軸電纜、無(wú)線(xiàn)、紅外、光纖等多種介質(zhì)。用雙絞線(xiàn)時(shí)，有78kbps（2.7km）、125Mbps（130m）等速率，易于實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)本安供電。因此，煤礦井下采用LonWorks技術(shù)也是一種較好的方案。
煤礦安全環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于測(cè)量自然環(huán)境參數(shù)，如甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、風(fēng)速風(fēng)向、負(fù)壓、溫度、濕度、粉塵濃度等。上述現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)用于井下，必須考慮供電問(wèn)題。
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