煤矿安全监测监控系统2011

煤矿安全监测监控系统魏引尚（博士，教授）西安科技大学E_mail:[e-mail]:13709255135内容提要上篇系统组成系统功能煤与瓦斯突出预警火灾监控与预警矿山压力监测与预警下篇系统与事故关系规范标准系统设备维护制度建设事故应急预案上篇监控系统组成及其功能一、系统组成及其作用监测监控系统是融计算机技术、通信技术、控制技术和电子技术为一体的综合自动化产品。监测监控系统的功能一是“测”，即检测各种环境安全参数、设备工况参数、过程控制参数等；二是“控”，即根据检测参数去控制安全装置、报警装置、生产设备、执行机构等组成硬件组成：传感器、执行单元、测控分站、信道、隔离栅、计算机及其外围设施。软件组成：操作系统、信息管理系统；自动采集资料、处理资料并进行控制的系统,具有及时、准确、连续、可靠的优点,对保障矿井安全,提高矿井“一通三防”管理水平,增强矿井抗灾能力。监测监控系统结构图中心站备用机地面分站中心站主机固定设备开/停供电系统参数安全栅断电闭锁井下分站1井下分站2井下分站n声光报警传感器1...传感器n传感器1传感器n传感器n传感器1国外瓦斯安全监测监控系统相关技术的发展：1946年，电子计算机诞生；1950~1970年代，集成电路，大规模集成电路产生；1960年代，通信技术发展；瓦斯遥测技术遥测瓦斯仪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。20世纪70-80年代，先进的安全监测监控系统相继诞生。20世纪80年代-90年代，计算机网络技术促进了矿井综合自动化的发展国内瓦斯安全监测监控系统1958年的山西省，它采用纯铂丝元件为传感器，后经多方协作研制出我国第一个达到实用水平的载体催化元件，随继研制成功以这种元件为传感器的AQR—1型瓦斯测量仪。1973年，由重庆煤矿安全仪器厂等5家单位协作，研制成功了长期连续监测瓦斯的AYJ-1型瓦斯遥测仪，随后又有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，我国催化型矿井瓦斯检测仪器的品种渐次丰富起来。1970年代我国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。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。到了1980年代，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年代，自主研制的监测监控系统普遍推广使用传感器简介定义：国标GB766687，把“能够把特定的被测量信息（如物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用输出信号的器件或装置称为传感器”。“可用输出信号”，是指便于传输、便于处理的信号。就目前而言，电信号最能满足便于传输、便于处理的要求。也可以定义为把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置传感器的作用现代信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理。信息采集离不开传感器技术。传感器位于信息采集系统之首、检测与控制之前，是感知、获取与检测的最前段。科学研究与自动化生产过程中所要获取的各类信息，都需要通过传感器获取并转换成为电信号，没有传感器技术的发展，整个信息技术的发展就成为一句空话。传感器的优点测量灵敏度高，应用范围广；感测系统结构紧凑，安装调试方便；测量惯性小，反应速度快，频率特性好；可进行无接触测量和远程监测，并有较高的测量精度；在计算机技术的支持下，具有很高的自动测试程度，智能化前景好。传感器的组成敏感元件转换元件信号处理辅助电源•敏感元件（又称预变换器），是用来感受被测物理量，并将它预先变换成为另一种形式的物理量的器件。•转换元件，是将经预变换的非电信号变换为电信号的器件。•信号处理电路，是将转换元件输出的电信号放大或处理为便于显示、记录、控制、传输的信号。二、安全监控系统功能1.矿井有害气体监测2.矿井环境状态参数监测3.矿井风门开关状态监测4.矿井机电设备状态监测5.矿井生产状态在线监测2.1矿井有害气体监测热催化原理(催化燃烧原理)监测瓦斯甲烷等可燃气体在一定温度条件下，在催化剂（铂、铑、钯）等催化作用下，进行无焰燃烧，在一定的浓度范围内，定量的甲烷燃烧放出定量的热，生成二氧化碳和水。释放出的热量Q使元件的温度上升，造成铂丝的阻值变化。铂丝的电阻在0～630.74℃范围内与甲烷可燃气体浓度成正比。载体热催化传感器结构热催化元件纯铂丝热催化元件的结构如下图所示。元件仅有一个纯铂丝螺旋圈，结构简单，制造容易。载体热催化元件是目前使用最广泛的一种催化元件：由铂丝线圈、载体和催化剂组成。一氧化碳监测原理：CO传感器的电化学池结构及工作原理如图。其内是一个装有三个电极的电池，W为工作极，C为对极，R为提供恒定电位。该电池在恒定电位器产生0.9～1.1V的恒定电位作用下，在恒电位电池场中，通入CO气体并扩散至工作极时，CO气体发生氧化反应生成CO2；同时，气体中的氧扩散到对极C处，发生还原反应。MSA－570系列一氧化碳检测报警器可连续检测空气中CO在0～600mg/m3范围内的浓度。当一氧化碳浓度达到设定的预报值和报警值时，可分别发出报警信号，同时启动联锁触点信号带动蜂呜器发出报警。其控制系统安装在控制室，传感器安装在测定现场，可远距离连续检测1～5点存在一氧化碳气体场所的浓度信号，传输距离可达1.5km。测量精度为5％FS，响应时间小于60S，传感器寿命为12个月。MSA－580系列硫化氢检测报警器测定原理：同CO测定580系列的传感器是由电化学极普电池及有关电路组成，被测气体通过隔爆片以及探头表面的塑料薄膜以扩散方式进入极普电池采样区，极普电池使硫化氢氧化为硫酸，这种氧化过程与采样区内硫化氢的分压成正比，通过采样电路、放大电路及接口电路输出与环境气体中硫化氢浓度成比例的电信号。氧气（O2）检测电化学化测氧电化学燃料电池，也称伽伐尼电池，其原理如图。一个失去电子，另一个得到电子，如果在两极间加上负载就会有电流输出，电流的大小取决于透过薄膜的氧气量的多少，测量出电流的数值，即可获得氧气的浓度，从而达到测定氧气(O2)浓度的目的。43521O2传感器输入调节回路A/D转换器数字显示电源1-聚四氟乙烯薄膜，2-阴极，3-阳极，4-电表，5-电解液电磁法测氧(O2)氧气与其它气体不同的物理特性，氧气具有顺磁性，指气体能被磁场吸引或排斥的性质。当待气体进入具有磁场和加热线圈的气室时，由于磁场和加热线圈的作用，使气流不断地流动形成所谓磁风，使气室中的热敏元件阻值发生变化破坏电桥平衡，不平衡电流大小与气样中氧气量有关。2.2环境状态参数监测温度检测技术热电偶热电阻温度计：热点阻、半导体热敏电阻；半导体PN结测温传感器半导体PN结温度传感器具有体积小，响应时间快，在一定范围内线性度较好，功耗低，抗干扰能力强等优点。因而在煤矿井下比较恶劣的环境下，得到了较好的推广应用。红外测温计任何物体只要温度高于绝对零度，就会不断产生红外辐射，温度越高，辐射功率越大。只要知道物体的温度T和比辐射率ε，就能计算出它所发射的辐射功率P；若知道物体所发射的辐射功率，则可求出它的温度。超声波旋涡风速传感器原理：卡曼涡街理论，就是在无限流场中，垂直流体流向插入一根无限长的非流线型阻挡体（旋涡发生体），在雷诺数为200～50000范围内，阻挡体的下游将产生内旋的、互相交替的旋涡列,其旋涡频率f与流体流速V成正比，与阻挡体直径d成反比。式中St---常数，在雷诺数Re=200～2×105范围内，对于园柱体St=0.21；f---卡曼旋涡频率，次/s；V---流体流速，m/s；d---挡阻体直径，m。由公式可知，只要准确测出旋涡频率f，就可以确定出流体流速的大小，即风速的大小。fSVdt超声波旋涡风速传感器构造超声波旋涡风速传感器性能指标目前，这类传感器型号有：FC-1型、FC-2型、KG5002型、KGF3型、VA216型、CW-1型、KG3088型等风速传感器。CW-1型主要技术指标：本安电源：12～24V（300mA）；输出信号：0～150（200～1000）Hz,1～5mA；测量范围：0.3～15m/s；测量误差：±1%F.S。KG3088型主要技术指标：本安电源：12～18V（80mA）；输出信号：0～150（200～1000）Hz,1～5mA；测量范围：0.3～15m/s；测量误差：±1%F.S。压力传感器差动变压器负压传感器差动变压器原理。其探头是由差压膜盒和差动变压器组成的差压变换器，并将差压膜盒和差动变压器封装在一个容器内，容器上留有两个压力输入孔以传递压力.压力传感器固态压阻型传感器:压阻效应――半导体材料（硅晶体）在压力作用下，晶格发生变化，导致其电阻率发生变化。湿度检测仪器电解质湿敏传感器不挥发性的盐溶解于水的结果是降低了水的蒸气压，盐的浓度愈大，则溶液的蒸汽压降低愈多。利用这一现象，可在有一对电极的绝缘基板上，涂上潮解性盐的水溶液。这种电解质溶液薄膜，能随空气中水蒸汽的变化而吸湿或脱湿，从而使两电极间的电阻值随空气湿度大小而变化。羟乙基纤维素—炭湿敏元件和金属氧化物陶瓷湿敏元件制作的传感器以聚苯乙烯塑料作基体，基体上面两侧敷以两金属电极，中间敷以湿度感应薄膜。湿度感应薄膜由羟乙基纤维素、炭粉、山梨醇和三硝基甲苯等混合而成。炭粒在胶膜内处于悬浮状态，在正常情况下，纤维素不导电，但炭是导电体，由于悬浮炭粒的互相接触，在两电极间构成一个具有一定电阻的导体，电阻的大小与炭粒接触情况有关。由于纤维素具有吸湿膨胀作用。2.3风门开停状态监测KGE12系列矿用风门开关传感器是磁性驱动的位置开关传感器，系矿用本质安全型产品如图。一、工作原理:KGE12系列风门传感器是一种磁性驱动的接近开关，它将触发磁铁装在风门上，而把开关组件安装在对应的门框上。当风门关闭时，触发磁钢紧靠开关组件，由磁力产生的磁场使开关组件维持闭合（或断开）状态，这时由舌簧开关输出一闭合（或断开）信号给监测系统分站或向地面传输信号的载波设备，经数据线在地面中心站或模拟盘显示风门“关”状态。当风门打开时，触发磁钢离开了舌簧开关，开关组件即输出一断开（或闭合）信号给监测系统让或向地面传输信号的载波设备，经数据线在地面中心站模拟盘显示风门“开”状态。风门开停传感器性能:防爆型式：矿用本质安全型。防爆标志：ExibI（150℃）使用环境温度：-5℃~+40℃；输入电源：DC10~24V；动作距离：不小于30mm，不大于70mm；防护等级：IP54；信号输出型式：Ⅰ型：一组转换接点，Ⅱ型：恒流-5mA/+5mA，Ⅲ型：恒流0/5mA。输出信号传输距离：≤2Km；外型尺寸mm：开关组件：138×52×31；触发磁钢：138×52×31；触发磁钢材质：氧化物磁钢；触发磁钢特点：抗老化、抗杂散磁场、全密封；2.4机电设备开停状态检测KGT9型开/停传感器开/停传感器主要用于检测煤矿主要机电设备的运转状态。该传感器把检测到的开/停信号以±5mA的恒流或一继电器触点信号的形式传输给监测分站如图。为了解矿井主要设备的运行状态，运转时间长短，统计设备利用率提供依据。该传感器适用各种类型交流驱动的用点设备。在供电电流不小于10A的情况下，均可检测出设备的开/停状态。开/停传感器主要技术指标供电电源本安型15VDC最大工作电流30mA使用环境温度-20℃-40℃相对湿度≤95%输出信号恒流±5mA继电器触点信号防爆标志ExibKGKT-C10型开/停传感器电路原理KGKT-C10型开/停传感器电路如图5-3所示。图中L为检测线圈。当机电设备工作时，有电流流过供电电缆，在其周围产生磁场，通过电磁感应，在L上感应出电压信号。感应信号经IC放大，电压放大倍数Av=RP1