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煤矿安全监控实习讲课

		点击数：	更新时间： 2021年09月04日
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华北科技学院  电子信息工程系

煤矿生产安全监控实验教学系统
       我院在本科生中开设了《煤矿安全监控系统》课程、开展“煤矿安全监控系统”社会培训,投资建设了“煤矿生产安全监控实验教学系统”。该实验教学系统完全由KJ-83煤矿生产安全监控系列设备组成，KJ-83系统具备国内煤矿生产安全监控系统的最新技术水准。为了使实际系统能够应用于教学中来，对KJ-83系统进行了改造，建成了引入该系统的特色专业实验室，是将现场产品引入教学的一次大胆尝试和创新。 
内 容 提 要
1、实验教学系统设计创新原则
煤矿生产安全监控实验教学系统应该做到与真实系统一样安全运行，又能满足教学需要，模拟生产中各种工作现象和监控过程。
应用各种物理方法产生模拟的一次信号，模拟井下环境参数与工况参数的改变。
研发了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计算机模拟。  
从而使教学系统能够在实验室动态模拟井下监控过程。 
2 系统硬件组成及其功能
地面中心站
KJT-2传输接口装置
KJF39井下智能分站
各类矿用传感器组成
地面中心站由教学监控总台来模拟；
主机通过传输接口与各监控分站通讯；
智能分站采集各类矿用传感器监测数据； 
图1  煤矿生产安全监控实验教学系统结构图 
       KJT-2传输接口装置是用于监控分站和地面监控主机之间进行通讯的智能型接口装置。该装置以FSK移频键控通讯方式通过二芯无极性电缆与分站通讯，接口装置内置光电隔离、保护安全栅，抗干扰性能好。

主要技术指标
供电电压：AC220V；
整机功耗：≤ 10W；
与分站间传输速率：1200bps；
最大传输距离：不小于15km；
信号线最大短路电流：≤50mA；
接口与主计算机传输：RS232C、距离不大于15m；
防爆型式：一般兼本质安全型；
传输接口工作方式：主从、半双工、单层连接。
           KJF39监控分站
      内含本质安全电源，除具备采集、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以外，还具有如下功能：
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；
主要技术指标：
容量：模拟量输入 4个；开关量输入
4个；控制量输出4个。
输入信号制式：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。
    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
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
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
工作电流≤50mA；报警电流≤70mA
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
  输出信号 200-1000Hz或4-20mA
  工作电压 DC12V-21V 
  工作电流 ≤50mA
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
  显示三位LED就地显示
  输出信号  200-1000Hz或4-20mA
  工作电压  DC8V-21V 
  工作电流 ≤70mA
       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，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。 
   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。
ZQJD-1矿用断电馈电转换器
       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。
   工作电源用作断器：
   电本安DC9V-21V、整机电流≤10mA
   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；
   外形尺寸及重量190×190×84；
   重量：1.8kg 
KHJ-03F风电甲烷闭锁装置
     该锁装置是以AT89S8252微处理器为核心的煤矿安全监控装置。该装置用于监测煤矿甲烷和局部通风机状态，并实现当通风机未开或风力不足，以及甲烷超限报警时，能自动切断并闭锁被控区域动力电源的控制功能。因此，使用该装置可有效地防止煤矿瓦斯爆炸事故。闭锁装置适用于高瓦斯矿井，特别适用于采用局部通风的掘进工作面对甲烷的有效监控。
   风电瓦斯闭锁基本配置
  主机                    1台
  ZQJD-1断电馈电转换器    2台
  KGY-002A甲烷传感器      3台
  GKT-L开停状态传感器     2台

KGY-002K双路甲烷超限断电仪
   双路甲烷超限断电仪，自身带有本安电源并具有双路甲烷超限断电功能。
  主要特点：
 两个模拟量传感器和两个开关量传感器； 
 两路模拟量信号轮流显示，开关量状态显示；
 两种断电输出方式，简化断电系统设备，降低应用成本。
JCB-C2000型智能甲烷检测报警仪
     此报警仪，是采用微电脑数字技术
   的超小型便携式智能仪表，主要用于
   检测煤矿井下空气中的甲烷气体浓度，
   具有自动调零、报警、连续自动记录
   120组数据等功能。体积小、密封好、
   精度高、稳定可靠，可供井下所有工
   作人员携带使用。
    瓦斯是煤矿井下以甲烷（CH4）为主的混合性气体的总称，有时简称为甲烷。甲烷是一种无色、无臭、无味、无毒气体，对空气比重为0.558。 甲烷是一种可燃性气体，当甲烷在空气中含量为5％－16％时，具有爆炸危险性；含量为9.5％时、爆炸力最强；当含量高于16％时，没有爆炸性，但可以燃烧，为淡蓝色火焰。甲烷本身虽然无毒，但空气中甲烷浓度过高时，相对降低了空气的含氧量，对人有窒息作用。因此，《煤矿安全规程》中对井下工作面或巷道中甲烷含量有明确规定，利用甲烷传感器检测矿井瓦斯（甲烷）浓度，防止瓦斯爆炸，对保证煤矿安全生产具有重要意义。 
系统监测监控功能 
1）、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。

2）、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，输出切断被控区域动力电源并闭锁；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，恢复供电。断电点参数设置连续可调。
系统监测监控功能 
3）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。

4）、此外系统还可实现一氧化碳、温度、风压、风速、风门等环境参数与工况参数超限声光报警等功能。
系统监测监控功能 
?1）KJ83监控系统软件主要功能
⑴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；
⑵系统具有自检功能，包括分站、传感器故障诊断，报警提示；
⑶ 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；
⑷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；
3 实验教学系统的软件功能
1）KJ83监控系统软件主要功能
⑸实时数据、统计数据的查询、报表统计功能。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；
⑹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； 
⑺动态图形显示功能，方便的绘制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；
⑻多种动态图的循环显示功能，数据库动态生成的方式，如果硬盘容量足够大，监测数据可无限期保存；
⑼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；

1）KJ83监控系统软件主要功能
⑽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、将提升的箕斗数计算为产量等；
⑾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；
⑿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；
⒀?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；

图2 监控软件检测数据部分表格
2）教学模拟软件
软件可以对矿井环境参数如甲烷浓度,一氧化碳浓度,风压,风速等环境模拟量参数随机动态模拟；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工况参数；对风电甲烷闭锁功能进行模拟。
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工况参数；对风电甲烷闭锁功能进行模拟。
模拟输出煤矿井下监控数据,通过KJ83监控系统的监控软件采集应用,从而达到教学模拟的目的。 
3）组态软件动态图
直观表示系统中大量设备及其连接关系；对监控系统有一个全面了解；
利用组态软件形成分站、各传感器的分布点、传感器信息以及控制点的运行状态等动态图；
图中实时地反映出各种传感器位置、工作状态，以及各种被控设备（如电机、馈电开关）位置、工作状态。 
图3   部分系统动态图

4 实验教学目的
通过硬件教学使学生更深入地了解系统构造、通信控制及传感器的工作原理。
 软件学习使学生掌握监控系统的软件设计思路及应用方法。
为更好的服务煤矿安全生产打下坚实的实践基础。

1）煤矿生产安全监控教学系统采用平面展板式仿真矿井各种环境与工况传感器的布置，直观明了，适于教学需要。配以大屏幕投影、动画等手段，使矿井安全监控过程在实验室得以复现，教学演示生动清晰。该系统的改进和教学应用在国内尚属首例，因此吸引许多学校和教学仪器生产厂家前来参观学习。 
5结 语
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2）安全监控软件与安全监控信号教学模拟软件共存于一个硬件系统，即KJ83煤矿生产安全监控实验教学系统。一方面可以对分站及其他设备进行矿井仿真研究。另一方面,如分站及下游设备信号无法直接采集，可使用模拟教学软件模拟各种参数变化,以达到教学演示目的。
  3）本系统动态模拟煤矿井下各种复杂的环境参数变化，使学生和科技人员在模拟环境下了解实际生产的各种情况，对整个煤矿井下监控系统有一个完整、形象的认识。因此该教学系统在提高受训人员了解和掌握煤矿生产安全监控过程，为以后从事煤矿安全生产和科研工作提供了一个非常适用的教学与实践环境。    
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