煤矿安全监控教学系统的方案研究设计.doc

煤矿安全监控教学系统的方案设计

煤矿生产安全监控教学系统设计方案
一、概述
依据湖南**科技学院教学实际要求，由长沙市旺康电子科技有限公司提供的煤矿生产安全监控教学系统，既要具备国内煤矿生产安全监控系统的最新技术水准，又要满足教学实际需要，但由于在实验室环境下无法完全真实再现井下实际情况，经双方商讨，在煤炭科学研究总院KJ-83煤矿生产安全监控系统的基础上，由北京东润恒联智能科技有限公司研发提供煤矿生产安全监控信号教学模拟软件，完成对煤矿井下生产安全监控数据的模拟，再由KJ-83煤矿生产安全监控系统采集模拟数据，从而使煤矿生产安全监控教学系统能够动态模拟井下监控数据。
二、设计原则
1、规范性和实用性
系统的设计应基于对煤矿现场的实际勘察，根据不同的环境条件，充分考虑到各种监测参数变化对系统的影响。系统的设计应符合有关风险等级和防护级别的要求，符合有关设计规范以及教学方的管理和使用要求。
2、先进性和互换性
系统的设计在技术上应具有适度超前性和设备的互换性，为系统的增容和/或改造留有余地。
3、准确性
系统应能准确监控或模拟在现场环境条件和所选用设备条件下，对各项参数进行准确、实时的监控，应能根据设计要求，清晰显示和/或记录实时及历史数据、各种曲线、报警、断电以及操作记录。
4、联动兼容性
KJ83煤矿生产安全监控系统应既能与煤矿生产安全监控分站信号系统联动，又能与模拟软件联动。当与其它系统联合设计时，应进行系统集成设计，各系统之间应相互兼容又能独立工作。
5、安全性
工程选用的传感器及其他设备应符合《煤炭安全规程》（2001版本）中关于煤炭安全监控系统设备配置的要求。
三、系统设计方案
1、方案综述
煤矿生产安全监控教学系统应满足两个基本要求：既可以独立操作KJ-83煤矿生产安全监控系统，又可以在不能满足实际井下参数条件下由软件系统进行模拟以达到教学演示目的。因此煤矿生产安全监控教学系统软件分为两套：煤矿生产安全监控软件、煤矿生产安全监控信号教学模拟软件。两套软件共存于一个硬件系统，即KJ83煤矿生产安全监控系统主机。一方面可以对分站及其他设备进行真实监控。另一方面,如分站及下游设备信号无法直接采集，可使用模拟软件模拟各种参数变化,以达到教学演示目的。
本系统动态模拟煤矿井下各种复杂的环境参数变化，对煤矿安全生产的影响，以及应该如何处理生产过程中出现的问题和各种突发事件。通过系统演示，将使学生在模拟环境下了解实际生产环境下的各种情况，对整个煤矿井下监控系统有一个完整、形象的认识。并且可以通过亲自动手操作，模拟各种参数变化，学会如何应对实际生产中可能出现的问题以及各种极端情况。学生在充分了解和掌握本监控系统的情况下，将为以后在现场工作打下坚实的基础。
2、KJ83煤矿生产安全监控系统
KJ83监控系统由地面中心站、KJ83监控软件、KJT-2传输接口装置、KJF39井下智能分站、各矿用传感器组成。地面中心站配备监控主机和打印机。主机通过传输接口与各分站通讯，监测主机屏幕可以显示动、静态图形、数据、曲线、通风（流向）图、测点配置图等，打印机可打印监测参数报表。
在井下掘进头和采煤工作面分别设置瓦斯、一氧化碳等传感器，并在测点相对集中的区域设立小分站和电源。系统框图如图1所示。

系统具有甲烷超限报警功能，甲烷传感器用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量，当被监视区域风流中甲烷浓度达到预置的报警点时，由系统发出声、光报警信号。当甲烷浓度恢复到预置的报警值以下时，能自动解除报警。
由分站、动力开关、断电馈电转换器以及设备开停状态传感器等组成了风电甲烷闭锁装置，实现甲烷超限断电及闭锁功能。当被监视区域风流中甲烷浓度达到预置的断电点浓度时，输出切断被控区域汇动力电源开关的控制信号并闭锁：当被监视区域风流中甲烷浓度降到预置的复电点浓度时，能自动解锁。断电点设置连续可调。具体的说：
1）当掘进工作面甲烷浓度达到1.5%CH4时，装置输出切断被控区域动力电源信号并闭锁；当甲烷浓度低于1.0%CH4时，装置能自动解琐。
2）当掘进工作面回风流的甲烷浓度达到1.0%CH4时，装置输出切断被控区域动力电源信号并闭锁；当甲烷浓度低于1.0%CH4时，装置能自动解锁。
3）当串联通风掘进工作面入风流的甲烷浓度达到0.5%CH4时，装置输出切断被控区域电源动力信号并闭锁；当甲烷浓度低于0.5%CH4时，装置能自动解锁。
4）当局部通风机停止运转或风筒中风速低于规定数值时，装置输出切断被控区域动力电源信号并闭锁；当局部通风机恢复正常工作时，装置能自动解锁。
5）当装置所配接的设备出现故障或断电时，装置输出切断被控区域动力电源信号并闭锁；当配接设备恢复正常时，装置能自动解锁。
6）当装置所配接的设备接通电1min内，继续闭锁被控区域动力电源；当配接设备正常工作时，系统装置方能自动解锁。

图二为矿用60/80开关控制回路电原理图，当其作为动力开关为掘进巷或采区提供动力电源时，可将其9脚接地，并将2，9脚接在监控分站的相应输出控制接点上，把断电馈电转换器接在8，13脚上，在满足预先设定条件时，输出接点闭合。当被控的区域甲烷浓度超过预先设定值、被监控区域局扇停风或者探头线被落煤砸断，不能监测被控点数值或状态时，输出接点断开60/80开关2，9脚，使ZJ失去36V交流电压从而断开动力开关，实现了风电甲烷闭锁功能。
3、煤矿生产安全监控信号教学模拟软件
由监控信号教学模拟软件模拟输出煤矿井下生产安全监控数据，通过KJ83煤矿生产安全监控系统的煤矿生产安全监控软件采集，从而达到教学模拟的目的。
信号模拟软件主要功能
l 对矿井环境参数如甲烷浓度、一氧化碳浓度、风压、风速等模拟量参数随机动态模拟。
l 可分别设置设备开停状态传感器、风门开闭状态传感器、断电馈电转换器等矿井数字量环境参数；
l 对风电甲烷闭锁功能进行模拟。
l 系统操作平台采用Windows 98/2000/XP软件, 所有功能操作均具有在线帮助，可在中文菜单提示下完成。
四、监控设备技术说明
1、KJ83煤矿生产安全监控系统
系统描述
l 系统容量
可接64个分站级设备，其中分站为：4路模拟量输入、4路开关量输入、4路开关量输出；
l 信息传输
传输方式：异步串行，FSK（移频监控）调制解调方式
传输速率：1200/2400bps，传输芯线为2芯
传输距离：地面主机到分站信号传输距离15km；
分站到传感器之间信号传输距离1.5km
巡检周期：≤25s
误码率：≤
模拟量传感器信号：200-1000Hz
数字量传感器信号：无电位触点信号或0、5mA电流信号
l 数据存储
整个系统采用“变值变态、疏密接合、数据库动态生成”的存储方法，使系统的数据存储更为合理。数据的存储期限：根据计算机硬盘的容量一般为20年左右。
l 使用环境
温度：0℃～40℃
相对湿度：≤98﹪（25℃）
大气压力：（85-110）kPa
允许周围有瓦斯、煤尘爆炸危险环境中使用
周围介质无腐蚀性气体
系统特点
1）系统特有的软硬件容错、纠错技术提高了系统的可靠性；
2）系统具有异地断电、远程手动控制功能；
3）系统软件采用“变值变态、疏密结合、数据库动态生成”的数据存储技术，使数据存储的容量只和计算机的硬盘容量有关系；
4）系统软件具有短信息收发功能，可以将异常数据以短信的方式发送到管理人员的手机上，同时可接收管理人员的回发短信；
5）中心站软件具有二次数据定义的功能。通过二次数据定义来实施各种复杂的逻辑关系，如不同分站的断电控制、几个风门的联动报警等；
6）系统软件具有多种数据窗口显示，各种类型的动态图的循环显示以及各种故障记录、报警显示；
7）系统的监控设备、配套传感器、执行器种类齐全；
8）系统配套的分站都能实现风电瓦斯闭锁、断电仪的功能；分站脱离系统可独立运行并且能实现风电瓦斯闭锁、断电仪功能；
9）配接的传感器种类、量程、断电点、复电点等参数在地面中心站生成，并下装到分站程序中，分站免编程；系统配套的传感器配有遥控器，调校方便、使用寿命长。
系统详解
1）系统应用软件运行在Microsoft Windows98/2000/XP中文操作平台上，采用VisualC++6.0、Microsoft SQL Server2000数据库编制，利用多进程、多线程技术实时并发处理多任务，软件功能丰富。
2）系统具有通讯传输测试、传输故障记录、显示、传输错误统计功能；
3）系统自检功能，包括分站、传感器故障诊断，报警提示；
4）在线生成分站定义、传感器定义、监测点定义，修改监测点的报警、断电等监测参数功能；
5）以各种表格、曲线形式显示各测点实时数据，包括监测参数、测点位置、数值、状态、报警值、断电值等；
6）实时数据、统计数据的查询、报表统计功能。数据调用、查询功能齐全，可查询实时数据、历史数据、各种曲线、报警、断电以及操作记录，便于管理人员分析处理；
7）相同类型传感器和不同类型传感器的实时数据同屏曲线动态对比功能；
8）动态图形显示功能。系统具备各种动态图元素的生成绘制，建立了多种动态图形库，可以方便的绘制采掘平面图、通风系统图、监控设备布置图等图形，使用户了解井下实时数据和设备运行状态更形象、生动；同时具有多种动态图的循环显示功能；
9）数据存储采用变值变态、疏密结合、数据库动态生成的方式，使数据的存储容量只和计算机的硬盘容量有关系，如果硬盘容量足够大，监测数据可无限期保存；
10）多种报警方式。以图标变化、数值颜色变化、声音等多种方式报警；
11）中心站软件具有二次数据定义的功能。通过二次数据定义来实施各种复杂的逻辑关系，如不同分站的断电控制、几个风门的联动报警、将风速计算为风量、将提升的箕斗数计算为产量等；
12）报警数据的无线发送功能。系统能将报警数据发送到主管领导的手机中，以便及时处理各种危险事故；
13）系统具有多种用户权限管理功能。不同的用户具有不同的操作权限；
14）监测终端采用B/S结构。监测终端采用JAVA语言，终端监测用户只输入IP地址或网址可完成数据、图形监测。
15）组网功能。系统向外提供了统一的数据接口，便于联网和其它数据分析系统联网；
监控主站硬件配置：
l 机箱/电源/底板：610A/270A/6113LP4
l 主板：845GV
l 硬盘：80G
l CPU：P4 2.8G
l 内存：512M DDR
l 光驱：SONY 52X
l 显示器：三星17寸纯平
l 键盘/鼠标：LG光电套装
l 音频外设：多媒体音箱
2、KJF39监控分站
KJF39监控分站
KJF39监控分站内含本质安全电源，省去了向传感器供电的电源箱，结构紧凑，便于在井下安装使用。按新版煤矿安全规程要求设计，各项功能齐全。具备采集、显示井下各种安全参数数值、设备运行状态以及接受主机命令传送数据和状态信息等功能。
容量：
模拟量输入 4个；开关量输入4个；控制量输出4个。
信号制式：
模拟量
200～1000Hz、
0～ 200Hz、0～400Hz、200～600～1000Hz；
开关量
：0～5mA
控制输出：
断电继电器接点容量 AC220V 5A；DC12V。

功能简介：
（1） 具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能。传输线断线或中心站软件故障时，分站仍可独立工作，确保井下安全生产；
（2） 具有监控设备故障闭锁功能，防止不接入监控设备违章生产；
（3） 配接的传感器种类、量程、断电点、复电点等参数在地面中心站主机定义生成以程序下装到分站，分站免编程；
（4） 根据测点定义，分站能够执行异通道断电功能，使井下断电控制更灵活；
（5） 分站装有备用电池，交流电源掉电后自动投入工作，供电时间≥2h。

3、KGY-002A智能遥控甲烷传感器
KGY-002A智能遥控甲烷传感器
KGY-002A智能遥控甲烷传感器用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量。它是一种智能型检测仪表，具有自动稳零、低功耗、软启动、环保电源、精度高、稳定可靠等特点。各种操作可通过遥控器来实现，免开盖调试。能与国内各种监控系统、风电瓦斯闭锁、断电仪配套使用。
测量范围
0-4% CH4
测量误差
0.00~1.00 % CH4，≤±0.10 % CH4
1.00~2.00 % CH4，≤±0.20 % CH4
2.00~4.00 % CH4，≤±0.30 % CH4
响应时间
小于30s
报警点
0.5-2.5% CH4可调
报警方式
红色LED灯闪烁、蜂鸣器鸣叫
输出信号
200-1000Hz或4-20mA
工作电压
本安DC8V-22V
电 流
50mA

4、GTH100/500煤矿用一氧化碳传感器
GTH100/500煤矿用一氧化碳传感器
GTH100/500煤矿用一氧化碳传感器是用于连续检测煤矿井下一氧化碳气体浓度的高精度仪表。传感器使用进口检测元件，使传感器的性能、测量精度、使用寿命都大大提高。具有红外遥控调校零点、灵敏度、报警点等功能。传感器除了和本公司KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。
测量范围
0-100ppm或0-500ppm
测量误差
≤±2％
响应时间
小于40s
报警点
24ppm
显示
三位LED就地显示
报警方式
红色LED灯闪烁、蜂鸣器鸣叫
输出信号
200-1000Hz或4-20mA
工作电压
本安DC8V-21V
电 流
工作电流≤50mA；报警电流≤70mA

5、GFC-15煤矿用风速传感器
GFC-15煤矿用风速传感器
GFC-15煤矿用风速感器是采用超声波测量原理。主要用于连续监测矿井通风总回风巷、井下主要测风站、扇风机等处的风速，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。具有红外遥控调校、调校简单等特性。传感器除了和本公司KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。
测量范围
0.3-15 m/s
测量误差
小于 ±0.3 m/s
响应时间
小于40s
报警点
0.5-2.5% CH4可调
显示
三位LED就地显示
输出信号
200-1000Hz或4-20mA
工作电压
本安DC8V-22V
电 流
工作电流≤70mA

6、GPD1/5煤矿用负压传感器
GPD1/5煤矿用负压传感器
GPD 1/5煤矿用负压传感器是采用扩散硅压力传感器芯片开发的固定式仪表。主要用于连续监测矿井通风总负压、矿井风机差压、井下风门两侧及矿井密闭墙内外压力差，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。具有红外遥控调校、调校简单等特性。传感器除了和本公司KJ83煤矿安全监控系统配套使用外还可和国内其它监控系统配套使用。
测量范围
0-1kPa或0-5kPa
测量误差
≤±2％
响应时间
小于30s
显示方式
三位LED就地显示
输出信号
200-1000Hz或4-20mA
工作电压
本安DC12V-21V
工作电流
≤50mA

7、GKT-L煤矿用设备开停状态传感器
GKT-L煤矿用设备开停状态传感器
GKT-L煤矿用设备开停状态传感器主要用于监测矿井机电设备运行状态，如矿井主扇、局扇、链板运输机、胶带运输机、水泵等的开停状态。传感器将机电设备开停状态信号转换为电流信号，传送到监控分站。
传感器为矿用本质安全型设备，适于在具有瓦斯及煤尘爆炸危险矿井中使用。该传感器具有灵敏度高，结构紧凑，功耗低，安装使用方便及免维护等特点，该传感器既可以用于两线三态监测，也可以用于三线两态监测，适合与国内现有监控设备配套使用。
测量范围
0-1kPa或0-5kPa
有效距离
≤2km
动作值
大于5A
运行显示
LED亮/灭
输出信号
三线两态：5mA /0mA
两线三态：6mA /2mA/0mA
工作电压
本安DC9V-21V
工作电流
整机电流≤10mA

8、GFK-L煤矿用风门开闭状态传感器
GFK-L矿用风门开闭状态传感器
GFK-L煤矿用风门开闭状态传感器主要用于监测矿井主要风门的开关状态。传感器是磁性驱动的位置开关传感器，将风门开关状态信号转换为电流信号，传送到监控分站。传感器为矿用本质安全型设备，适于在具有瓦斯及煤尘爆炸危险矿井中使用。该传感器既可以用于两线三态监测，也可以用于两线两态监测，适合与国内现有监控设备配套使用。
工作电源
本安DC9V-21V、整机电流≤10mA
动作距离
不大于30mm
输出形式
二态：4mA /0mA
三态：5mA /1mA/0mA
触发材质
氧化物磁钢
有效距离
≤2km

9、ZQJD-1矿用断电馈电转换器

ZQJD-1矿用断电馈电转换器
ZQJD-1矿用断电馈电转换器是矿井安全监控系统的配套设备，与监控分站配套使用实现远程断电，同时作为风电瓦斯闭锁装置的组成部分之一。传感器监测被控电气设备的断电、馈电状态，通过监控分站将状态信息传送到地面中心站。
工作电源
用作断电器：本安DC9V-21V、整机电流≤10mA
用作馈电状态转换器：输入端电压：AC36V
动作距离
不大于10m
至分站距离
不大于 3km
运行显示
LED亮/灭
外形尺寸及重量
190×190×84；
重量：1.8kg

10、矿用80动力开关