第六章-自动检测系统应用举例

2020/11/15山东科技大学第六章自动检测系统应用举例2020/11/15山东科技大学第六章自动检测系统应用举例第一节KJ216顶板动态（矿压）监测系统第二节胶带输送机集散控制系统第三节高速公路车辆自动计数装置2020/11/15山东科技大学第一节KJ216顶板动态（矿压）监测系统一、煤矿顶板安全监测系统结构与组成煤矿顶板安全网络监测系统是以山东省尤洛卡自动化仪表有限公司研制的“KJ216煤矿顶板动态监测系统”为基础组建开发的。主要特点是采用两级总线树型结构，每个采区可构建相对独立的监测子系统。系统通讯部分以时分制数字基带传输为主要通讯形式。数据传输兼容电话线、单模光纤、以太环网三种通讯方式。系统组成从功能上分：工作面支架作阻力检测、围岩离层运动检测、锚杆载荷应力检测、煤岩支撑应力检测四个组成部分。2020/11/15山东科技大学监测计算机网络系统工作阻力监测顶板离层监测锚杆应力监测围岩应力监测井上井下2020/11/15山东科技大学1．系统的监测功能组成监测系统由井下和井上两大部分组成，如图6-1所示。监测系统有4个不同监测功能的子系统，4个监测子系统从功能上加以区分，硬件结构使用统一的总线地址编码，系统的实际布置上分站可以混合排列，监测服务器通过通讯协议区分数据类型。井上检测服务器（计算机）可接入矿区局域网络，支持网络在线监测和信息共享。2．井上监测信息与报警网络井上监测信息与报警网络如图6-2所示，包括：数据接收单元、监测服务器；矿井办公局域网和客户端；GPRS数据收发单元和图文短信手机用户群。2020/11/15山东科技大学井上井下矿井局域网GPRS公用数据网井下顶板监测网络矿区广域网监测服务器GPRS收发器UFAQI2020/11/15山东科技大学监测系统接入矿井以太环网时，监测服务器须接入环网段，监测服务器配置了双网口。监测服务器接入局域网的方式有两种，第一种方式通过微软公司提供OPC接口连接到局域网（外网），如图6-3所示，局域网的客户端和Web服务器可安装C/S和B/S版监测软件，通过操作系统底层链接获取矿井环网（内网）的监测数据。另一种方式是将通讯接口接入到矿井环网内，如图6-4所示，通讯接口内置NPORT模块，通过NPORT模块转化为RS-232/485接口信号连接到监测服务器，监测服务器直接接入局域网中。2020/11/15山东科技大学外网以太环网监测服务器OPCRJ45局域网2020/11/15山东科技大学监测主机RS232以太环网外网监测服务器RJ45局域网图6-4井上联网方案二2020/11/15山东科技大学3．井下部分硬件组成KJ216顶板动态监测系统井下部分包括：通讯主站、测区通讯分站、测区压力监测分机、顶板离层监测传感器、锚杆/锚索应力监测传感器、钻孔应力传感器以及防爆型供电电源和通讯电缆组成。如图6-5，6-6所示。2020/11/15山东科技大学2020/11/15山东科技大学2020/11/15山东科技大学二、系统实现功能1．井上计算机动态模拟显示监测参数、报警监测服务器和客户端可实时显示监测点的数据和直方图，当监测数据超限时能自动声音报警并记录报警事件。2．井下现场显示数据和报警井下的压力监测分站、离层传感器可实时监测数据，能根据设定报警参数报警指示，通讯分站可实时显示每个测点的数据并有报警状态指示。2020/11/15山东科技大学3．监测数据自动记录存储井上监测服务器能根据设置记录周期将数据存储到数据库，形成历史数据。4．连续监测曲线显示、分析软件支持服务器端和客户端的历史曲线和测线加权数据分析。5．监测数据综合专业化分析CMPSES监测分析软件综合了矿压理论数学模型，支持综合专业化数据分析。（1）工作面支架循环工作阻力分析（2）测线（或上、中、下部）顶板运动规律分析（3）工作面顶板压力分布分析2020/11/15山东科技大学（4）支架液压系统故障诊断（5）工作面周期来压步距、强度分析等（6）巷道顶板及围岩运动分析（7）巷道支护应力变化分析（8）监测段顶板冒落综合预警（9）多元参数关联分析及预警6．历史数据查询及报表输出历史数据时间区间查询，历史曲线查询和输出，统计分析，输出标准综合分析报表。7．局、矿顶板动态监测网络功能软件采用C/S+B/S结构，支持局域网、广域网客户端监测模式和Web用户浏览器模式数据共享。2020/11/15山东科技大学三、KJ216顶板动态（矿压）监测系统（一）系统的组成由计算机、防雷器、KJ216-J矿用数据通讯接口等及其他必要设备组成。如图6-7所示。（二）系统供电电源与系统配套提供的供电电源为KDW22、KDW28两种隔爆兼本安型电源。KDW22为普通非延时型供电电源，KDW28为带后备延时的供电电源。对于经常性短时停电的使用场合，采用KDW28电源供电。KDW28电源内置免维护电池，它与其他充电电池的特性一样，新电池在使用时需经2～3个充电循环才能达到额定输出容量，长期浮充电造成的电池记忆效应可能会使延时输出变短。2020/11/15山东科技大学计算机KJ216-J矿用数据通讯接口KJ216-Z矿用本安型监测主站矿用本安型分站顶板压力监测分站顶板压力监测分站顶板压力监测分站锚杆索应力传感器围岩移动传感器围岩应力传感器围岩移动传感器锚杆索应力传感器围岩应力传感器打印机网络设备矿用本安型分站锚杆索应力传感器围岩移动传感器围岩应力传感器围岩移动传感器锚杆索应力传感器围岩应力传感器KDW22/28电源KDW22/28电源KDW22/28电源KDW22/28电源KDW22/28电源矿用电缆矿用电缆矿用电缆矿用电缆矿用电缆防雷器防雷器井上井下2020/11/15山东科技大学（三）矿压参数的检测方法1、工作阻力监测及工作过程工作面顶板支护的基本手段是液压支架或单体液压支柱，乳化液为压力传递介质，支架或支柱对顶板的支撑能力称为支护阻力，支护阻力反映了顶板对支护设备的作用强度，顶板的压力作用可通过支架或支柱内腔的介质压力显现出来。液压压力的测量是很经典的测量方式，方法也很多，本系统采用了电阻应变式测量方法实现。2020/11/15山东科技大学电阻应变式传感器具有结构简单、体积小、响应频率高、易进行结构设计等优点，基本原理是应变计（圆膜片）由一个电桥组成，当电桥的桥臂电阻改变时电桥失去平衡，输出一个不平衡电压，其输出电压的大小与桥臂的电阻的改变量成比例关系。电桥输出的微弱（毫伏级）电压信号，经过运算放大器放大输出给A/D电路转换后由计算机采集并进行处理。综采压力监测分站采用了传感器、数据采集电路、显示电路和数据通讯接口一体化，能自动采集数据并自动判断初撑力、最大工作阻力，显示各通道的数据。每台监测分站包含三个压力监测通道，支架的高压腔由管路连接到压力通道。压力监测分站在供电状态独立工作，每1S监测一次三个通道的压力数据，由程序自动判断初撑力、最大工作阻力，LCD显示器显示三个通道的数据，通过面板控制键可启动背光显示。当压力监测分站收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。2020/11/15山东科技大学2、顶板离层监测过程（1）离层传感器的原理和结构顶板离层传感器采用基点位移测量方法，在顶板上打一钻孔，在钻孔内布置两组基点，当顶板发生运动时，基点的位置也发生变化，基点由钢丝绳牵引传感器内的机械部件运动，传递出电压信号。基点的运动属直线位移的变化，传感器的机械结构将位移的运动转换成角位移的旋转运动，旋转部件连接角位移传感器，角位移传感器输出与角度比例对应的电压信号。电压信号被单片电路采集转换，显示数据并通过总线接口将数据发送到上位分站。离层传感器的结构如图6-8所示。2020/11/15山东科技大学1—锚爪（基点），2—固定管，3—托盘，4—钢丝绳紧固螺丝，5—壳体，6—铭牌，7—刻度尺，8—变送器图6-8离层传感器结构图2020/11/15山东科技大学（2）离层传感器的安装离层传感器采用顶板钻孔安装，钻孔的直径Ф27～29mm，两个基点分别安装在不同的深度，基点的安装深度由用户根据现场条件确定。安装方法如图6-9所示。2020/11/15山东科技大学安装时应注意尽量避开淋水处。其安装步骤为：1）在顶板上打钻孔，一般用风动锚杆钻机打孔，打孔钻头选Ф28mm为宜。2）用安装杆将A、B两个基点的锚爪推到所需的深度。3）将传感器的固定管推入钻孔，分别拉紧两个基点的钢丝绳并用紧固螺钉固定。4）将信号线与总线接线盒连接。5）接通电源后，用FCH32/0.2矿用本安型手持采集器进行设置，将传感器进行校零。2020/11/15山东科技大学（3）离层传感器的工作过程离层监测传感器采用一体化设计，在通电状态独立工作，自动采样周期为1S，可通过上位通讯分站或编码器设置传感器的参数。传感器由CPU控制监测顶板位移参数，矿灯照射时通过LED显示器显示数据，当监测数据超过设置的报警值时产生声光报警指示。传感器内置总线接口连接到RS-485总线，传感器收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。2020/11/15山东科技大学离层监测传感器上位连接到综合数据通讯分站，每台综合数据通讯分站最大可连接128台顶板离层传感器（或64台离层传感器+64台锚杆应力传感器），每台离层传感器有唯一的地址编码，通讯分站按地址编码顺序巡测各离层传感器的数据，循环显示各测点的数据。通讯分站可诊断并显示下位压力监测的工作状态（正常/故障）。2020/11/15山东科技大学3、锚杆应力监测（1）锚杆传感器的原理和结构锚杆应力传感器也采用了电阻应变载荷测量方法，首先设计一个弹性元件，当力作用到弹性元件上时，弹性体产生形变，在弹性体筒壁上900等分粘贴有4个单桥应变计，4个单桥组成一个电阻全桥，当筒壁受力产生形变时，电桥失去原有的平衡输出一个不平衡电压，电压信号经放大器放大后再经过A/D转化，由单片计算机采集，通过接口输出到上位通讯分站。锚杆应力传感器结构如图6-10所示。2020/11/15山东科技大学1-紧固螺钉，2-穿孔，3-出线咀，4-应变体，5-导向盘，6-外壳，7-信号电缆图6-10传感器结构示意图2020/11/15山东科技大学（2）锚杆传感器的安装锚杆应力传感器采用穿孔固定安装，穿孔直径Ф25mm，导向盘的穿孔直径依锚杆的直径确定。锚杆传感器安装在锚杆的托盘和紧固螺母之间，传感器安装时要注意居中，偏离中心安装时会造成一定的测量误差。安装方法如图6-11所示。2020/11/15山东科技大学安装步骤为：先放入托盘，将传感器穿入锚杆中，保持传感器居中，旋紧锚杆的紧固螺母。将锚杆传感器的输出信号电缆按信号顺序接入到三通接线盒。（3）锚杆传感器的工作过程锚杆传感器配套总线变送器工作，固定设置变送器编码。传感器输出标准的电压信号，变送器由CPU控制监测传感器输出信号。传感器内置总线接口连接到RS-485总线，传感器收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。2020/11/15山东科技大学4、钻孔应力监测钻孔应力监测是一种力的测量，准确地说是压力的测量。钻孔应力的测量方法可以间接的测量煤岩深部的局部作用应力，并作为分析采场应力分布和运动的重要依据。具体实现方法是设计了一个压力形变转换弹性部件——弹性体，压力作用到弹性体的工作膜上，使弹性体的工作膜产生形变，工作膜上粘贴有应变计（圆膜片），应变计电桥失去平衡，输出微信号电压。2020/11/15山东科技大学煤岩支撑应力监测传感器又称钻孔应力传感器，其结构见图6-12所示。钻孔应力传感器配套总线变送器工作，固定设置变送器编码，传感器输出标准的电压信号。变送器由CPU控制监测传感器输出信号，变送器内置总线接口连接到RS-485总线，变送器收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。1234ABCD4321DCBA变送器板导向锥应变体F应变计变送器信号电缆炉、缆2020/11/15山东科技大学5、采空区充填体应力监测充填体应力传感器采用标准电压信号输出，考虑到