1、矿井安全监控系统培训,1 绪论,是煤炭高产、高效、安全生产的保证；推广应用，保障了煤矿的安全生产和矿工生命安全；改善了作业环境，吸引人才降低了误操作及违章作业概率；一般工业监控原理和技术难以直接运用。,1.1 矿井监控系统组成,现有问题：硬件不通用、软件不兼容、信道不共享、信息不共享、以监测为主，控制功能、尤其远程控制功能不强、灾害预报功能弱等问题。发展方向：组态软件、现场总线、可编程控制器、多媒体、计算机网络、GIS和智能传感器等技术，向着监测与控制并重、就地自动控制、远程人为控制、灾害预报、,硬件通用、软件兼容、信道共享、信息共享、多参数、多功能、多媒体全矿井综合监控。,1.1.1 早期的2、矿井监控系统,由瓦斯遥测系统发展而来。瓦斯遥测系统具有甲烷超限声光报警和断电功能。技术特征：单一甲烷监测、就地断电控制、声光报警、数码管或模拟表头显示、多笔记录仪记录、频分多路复用、单向模拟传输、树形网络结构、采用分立组件或中、小规模集成电路。,瓦斯遥测系统一般组成如下图：,遥测仪,记录仪,断电仪,断电仪,甲烷传感器,甲烷传感器,被控开关,被控开关,交流电,交流电,工作原理：传感器将被测甲烷浓度转换为电信号送断电仪（最大传输1KM），并具有浓度显示和浓度超过报警浓度后声光报警功能（也有将声光报警箱与传感器分离的）。用3芯或4芯矿用信号电缆，模拟基带信号传输。断电仪对甲烷传感器送来的甲烷浓度信号3、进行调制，将调制后的信号经2芯矿用信号电缆传至地面遥测仪（可达10KM），为减少电缆，此段可采用频分多路复用（510路）。断电仪同时对甲烷浓度判别，若超断电浓度，则通过继电器切断被控区域动力电源，并闭锁。,断电仪还兼作电源，将井下电网的交流电转换为断电仪和传感器所需的本质安全型直流电源。遥测仪对接收到的调制信号解调后显示，并进行报警判别，超过报警浓度时发出声光报警信号，同时记录仪记下甲烷浓度。,主要技术特征：单一甲烷监测、就地断电控制、声光报警、数码管或模拟表头显示、多笔记录仪记录、频分多路复用、单向模拟传输、树形网络结构、采用分立组件或中、小规模集成电路。在发展甲烷遥测系统同时，为了保证运输4、系统（轨道、提升、胶带等）安全、提高生产率和设备利用率，推广应用了模拟盘调度系统。,1.1.2 矿井监控系统组成,随着技术（传感器、电子、计算机、信息传输）发展和要求提高，发展为多参数单方面监控系统（针对某一方面的多参数监控）。包括：环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统。,环境安全监控系统CH4、CO、CO2、O2、H2S、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局扇开停、主扇开停及工作电压电流等监测，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。轨道运输监控系统监测信号机电动转辙机状态、机车位置、机5、车编号、运行方向、运行速度、车皮数、空（实）车皮数等，并实现信号电动转辙机闭锁控制，地面远程调度与控制等。,胶带运输监控系统对皮带速度、轴温、烟雾、堆煤、横向撕裂、纵向撕裂、跑偏、打滑、电机运行状态、煤仓煤位等监测，并实现顺煤流启动、逆煤流停止闭锁控制和安全保护、地面远程调度与控制、皮带火灾监测与控制等。提升运输监控系统对罐笼位置、速度、安全门状态、摇台状态、阻车器状态等，并实现推车、补车、提升闭锁控制等监测。,供电监控系统监测电网电压、电流、功率、功率因数、馈电开关状态、电网绝缘状态等，并实现漏电保护、馈电开关闭锁控制、地面远程控制等。排水监控系统监测水仓水位、水泵开停、水泵工作电压、电流、6、功率、阀门状态、流量、压力等，并实现阀门开关、水泵开停控制、地面远程控制等。,火灾监控系统监测CO、CO2、O2、温度、压差、烟雾等，并通过风门风窗控制，实现均压灭火控制、制氮与注氮控制等。矿山压力监控系统监测地音、顶板位移、位移速度、位移加速度、红外发射、电磁发射等，并实现矿山压力预报。,煤与瓦斯突出监控系统监测煤岩体声发射、瓦斯涌出量、工作面煤壁温度、红外发射、电磁发射等，并实现煤与瓦斯突出预报。大型机电设备健康状况监控系统监测机械振动、油质量污染等，并实现故障诊断。,矿井监控系统一般组成：,传感器；执行机构；分站；电源箱（或电控箱）；主站（或传输接口）；主机（含显示器）；打印机；模拟盘；7、,多屏幕；UPS电源；远程终端；网络接口电缆；接线盒等。结构见图1.3。,工作原理：传感器将被测物理量转换为电信号，经3芯或4芯矿用电缆（1芯地线，1芯信号线，1芯分站向传感器供电）与分站相连，并具有显示和声光报警（有些没显示或声光报警）。执行机构（含声光报警及显示设备）将控制信号转换为被控物理量，用矿用电缆与分站相连。分站接收来自传感器的信号，并按预先约定的复用方式（时分制或频分制）远距离传送,给主站（或传输接口），同时接收来自主站（或传输接口）多路复用信号。分站具有线性校正、超限判别、逻辑运算等简单数据处理能力、对传感器输入的信号和主站传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。传感器及执行机8、构距分站的最大传输距离一般不大于2KM。故一般采用星形网络结构（1个传感器或1个执行机构使用1根电缆与分站相连）单向模拟传输。电源箱将井下交流电网电源转换为系统所需的本质安全型直流电源，并维持电网停电后正常供电不小于2h的蓄电池。,主站（或传输接口）接收分站远距离发送的信号，并送主机处理：接收主机信号、并送相应分站。主站（或传输接口）主要完成地面非本质安全型电气设备与井下本质安全型电气设备的隔离，主站还具有控制分站的发送与接收，多路复用信号的调制与解调，系统自检等功能。主机选用工控微型机或普通台式微型机、双机或多机备份。主机主要用来接收监测信号、校正、报警判别、数据统计、磁盘存储、显示、声光报9、警、人机对话、输出控制、控制打印输出、与管理网络联接等。,投影仪、模拟盘、大屏幕、多屏幕、电视墙等用来扩大显示面积，便于在调度室远距离观察。管理工作站或远程终端一般设在矿长或总工办公室，以便随时了解矿井安全及生产状况。数据服务器是主机与管理工作站及网络其它用户交换监控信息集散地。路由器用于企业网与广域网及电话线入网等协议转换、安全防范等。,技术特征：传感器及执行机构采用星形网络结构与分站相连，单向模拟传输；分站至主站间采用树形、环形或树形与星形混合网络结构；采用微机（含单片机）、大规模集成电路、固态继电器及大功率电力电子器件、投影仪、大屏幕、模拟盘、多屏幕、电视墙等，具有彩显、磁盘记录、打印报10、表、联网等功能。,单方面多参数监控系统解决了机械化采煤的急需，但系统存有控制功能差、通用性差、性能价格比低等问题。这既不符合监测与控制并重、硬件通用、软件组态、现场总线监控与多媒体的发展趋势，又难于满足煤炭高产、高效、安全生产的需要。其主要表现见教材。,1.2 全矿井综合监控系统,这是矿井监控系统发展方向。既可用于前述的环境安全、运输等多方面的综合监控，又可实现某些或某个方面监控的多参数、多功能监测与控制并重、就地自动控制与地面人为远动控制结合的系统。由智能传感器、智能监控站、调度管理网络等组成。见书P8图1.6。,1.2.1 智能传感器,电路通用可配接各种不同的传感组件，被测不同物理量时只需11、更换传感组件，且同一传感器还可同时接入多个传感组件构成多参数传感器。便于用户维护；备品备件少，便于配备，大大提高产品质量和生产的批量；便于维护人员集中精力、深入细致地掌握电路原理，及时处理故障，保证系统正常运行。,数字信号传输与多路复用智能传感器采用数字信号传输，多台传感器共享一根多芯电缆接成树形结构与智能监控站相连，若传感器远离智能监控站而靠近系统传输电缆时，智能传感器可直接接系统电缆。就地控制传感器能直接控制执行机构，比经分站控制执行机构执行速度快、可靠性高。当分站发生故障时，仍可执行一些基本的控制。,1.2.2 智能监控站,具有信号采集、控制、与主站（或上级智能控制站）双向数据传输等功能12、。与传感器（含执行机构）信号传输采用数字传输；采用组态软件技术，解决了分站通用问题。采用现场总线技术，解决通信协议不通用、不同分站难以接入同一系统。,1.2.3 调度管理网站,调度管理人员通过它与系统进行信息交换，其功能体现为：采用计算机网络将工作在生产调度室、通风调度室矿长办公室和总工办公室等许多工作站联系在一起，工作站可利用网上的生产、安全、销售、财会等多方面信息。通过授权限制资源利用。采用组态软件技术解决中心站软件通用问题。,网络设备由工作站（含多屏幕工作站、多媒体工作站）和服务器等组成。一般采用以太网。1.2.4 现场总线与组态软件技术,1.3 矿井监控系统特点与分类,1.3.1 矿井13、监控系统特点电气防爆。传输距离远。网络结构宜采用树形结构。监控对象变化缓慢。电网电压波动大。工作环境恶劣。传感器（或执行机构）宜采用远程供电。不宜采用中继器。,1.3.2 矿井监控系统的分类,按监控目的分：环境安全、轨道运输按使用环境分：防爆型、矿用一般型、地面普通型和复合型。按复用方式分：频分制、时分制、码分制和复合复用方式。按网络结构分：星形、环形、树形总线形和复合形。按信号传输方向分：单向、单工和双工。按传输信号分：模拟传输、数字传输。按调剂方式分：基带、调幅、调频和调相。按同步方式分：同步传输、异步传输系统。,2 矿井监控系统通用要求,2.1 信息传输要求,总要求：硬件通用、软件兼容、14、信道共享、信息共享，促进产品标准化、提高产品质量。,传输介质：矿井监控系统一般都采用价格低廉、便于安装维护矿用双绞线电缆（受环境制约，难以实现无线通信；光缆断后难以接续，光纤的熔接防爆未解决，故少用）。网络结构：因传输电缆须沿巷道敷设挂巷道壁上，为便于安装维护、节约电缆、降低成本，宜采用树形网络结构，也可采用环形、总线形、星形或其它网络结构。,工作方式：现多用主从工作方式。与无主工作方式比，抗故障能力差。考虑环境安全及运输等单方面集中监控需要，宜采用多主或无主、主从等其它工作方式。连接方式：为满足环境安全运输等就地监控需要，宜灵活多样，可单层亦可多层连接。传输方向：因单向传输仅适用于监测系统，15、全双工传输使用传输通道较多。故宜采用半双工传输，亦可采用全双工传输。复用方式：常用频分、时分、码分制。比较见表2.1。矿井监控系统宜采用时分制。,表2.1 频分制、时分制、码分制对比,信号：表示模拟量的信号可是模拟信号和数字信号。传感器及执行机构至分站间，分站至主站间均宜采用数字信号传输。因数字信号抗干扰力强；传输质量高，差错可控制；可传递各种消息，灵活通用；便于计算机存储、处理、传输；便于本质安全防爆隔离。又因在同样速率下不归零信号比归零信号脉冲持续时间长、抗干扰能力强、传输距离远；矩形信号较其它波形信号设备简单，故实宜用不归零矩形脉冲数字信号传输。同步方式：根据井下控点分散特点，每一分站、16、传感器（或执行机构）每次需发送或接收,数据（或状态）较少，信号变化缓慢，宜用低速、小容量、设备简单的串行异步传输方式。调制方式：因基带传输比频带传输设备简单、成本低、便于本质安全防爆、树状系统使用；调频调相抗干扰能力强。故宜用基带、调频和调相传输。字符：系统字符长度为8位。由1位逻辑“0”表开始，1位逻辑“1”表停止，任意长度逻辑“1”表空闲。最高位与停止位间设1位地址/数据标志位，该位为逻辑“1”表该字符为地址字符，该位为逻辑“0”表该字符为数据字符。最高位与停止位间亦可设1位奇偶校验位，宜采用奇校验。,帧格式：为标明一帧信息的接收地址、长度和类别，并保证可靠的传输，在一帧中通常包括地址场、17、控制场、数据场和校验场。根据煤矿特点，矿井监控系统宜采用CRC-CCITT。传输速率：宜在1200bps、2400bps、4800bps等中选取。误码率：用于监测的矿井监控系统应不大于10-6，用于监控的矿井监控系统应不大于10-8。传输处理误差：应不大于0.5%。,最大巡检周期：由于矿井监控信号变化缓慢，其最大巡检周期应不大于30s。当然越短越好。最大传输距离：矿井监控系统不宜采用中继器来延长传输距离；分站至主站之间，分站至分站之间，最大传输距离应不小于10km；传感器及执行机构至分站之间最大传输距离应不小于2km。最大节点容量：宜在8、16、32、64、128中选取，除考虑物理层外，还须便18、于2进制编码。,2.2 性能要求,应具有模拟量开关量和累计量监测功能。应具有声光报警、模拟量和开关量手动（含远程地面）与自动控制功能。具有备用电源。电网停电后系统对主要监控量继续监控时间不小于2h。具有自检功能。当传感器、分站、主站、传输电缆等设备发生故障时，报警并记录故障时间，故障设备以供查询及打印。,系统主机应双机备份，并具有手动切换功能。当工作主机出现故障备份主机投入工作。应具有实时存储功能。（存储包括）重要监测点模拟量实时监测值和输出值存盘记录应保持24h，其余应保存3m以上。应具有列表显示功能。模拟量及相关显示地点、名称、单位、报警门限、控制门限、监测值、最大值、最小值、平均值、传感19、器故障、封锁与解锁等；开关量显示地点、名称、动作时刻、状态、动作次数、传感器状态、封锁与解锁等。累计量显示地点、名称、单位、累计量值等。应具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能。在同一坐标上用不同颜色显示最大值平均值最小值曲线。,具有柱状图显示功能。包括地点、名称、最后一次开/停时刻和状态、工作时间、开机率、开/停次数、传感器状态、封锁与解锁等。应具有模拟动画显示功能。包括工艺流程模拟图、相应设备开停状态、相应模拟量数值等应具有系统设备布置图显示功能。包括传感器、执行机构、分站、电控箱、主站和电缆等设备的名称、位置、运行状态等。应具有报表、曲线、柱状图、模拟图、初始化参数等召唤打印功能（定时打印20、可选）。,应具有人机对话功能。便于系统生成、修改参数、功能调用、控制命令输入。应具有防雷措施。防止雷电击毁设备引起井下瓦斯爆炸。应具有抗干扰措施。防止架线电机车火花、大型机电设备启停等电磁干扰系统正常工作。系统分站应具有初始化参数掉电保护功能。以防分站停电后初始化参数丢失。宜具有工业电视图像等多媒体功能，便于提高信息的利用率。,宜具有网络通信功能。便于矿领导及上级主管部门对监控信息的利用。地面设备应具有防静电措施。系统应工作稳定、性能可靠，出厂前要进行连续7天的稳定性试验，系统软件死机率应小于1次/720h。(21)系统调出整幅实时数据画面的响应时间应小于5s。(22)电源波动适应范围：地面为21、90110%，井下为75110%。,2.3 软件要求,2.3.1 性能要求实时性。监控软件的监测、数据计算、判断、处理、传输、控制等应能周期地循环运行而不中断。数据处理精度。各种运算处理误差应小于0.5%。死机率。在连续运行过程中，软件引起的死机率应小于1次/720h。键盘响应。在连续运行过程中，要求从键盘,输入到执行该条命令的最长间隔时间小于30s。中文功能。汉字显示自检功能。对接入系统的传感器、分站的工作状态、传输电缆故障位置有自检功能。信息输出和存储功能。应有显示打印报警和存储功能。生成功能。应有在不中断正常监控功能的条件下由用户随时生成、修改各种参数及表格的功能。,2.3.2 单位、格22、式、时间、色标、符号及字符长度,2.3.2.1 单位所有计量单位必须符合法定计量单位。2.3.2.2 表示格式模拟量值一般采用三位有效数字表示。开关量状态可用汉字（开/停），字符（on/off）、图形颜色（红停绿开），或其它方式（如模拟旋转表示工作等）表示。累计量值表示可自行规定。,2.3.2.3 时间系列在计算、显示、打印、存储等功能中凡涉及时间期限时，宜选用表2.3所列的系列值。2.3.2.4 色标红色 超限报警、设备故障、停止运行、电力网有电。黄色 设备维修不用、测点不巡检、接收不到信号、电力网无电。绿色 正常运转、工作。,2.3.2.5 符号用符号代替汉字时，应取该汉字表示的英文词组首23、字母为符号、有约定成俗的除外。常用符号如表2.4所示。2.3.2.6 字符长度显示或打印汉字名称长度应不超过8个汉字长度。,2.3.3 显示,2.3.3.1 模拟量数据表格显示传感器设置地点。初始化时人机对话输入。如：1号采煤工作面回风巷等。传感器所测物理量。初始化时人机对话输入。如：甲烷等。单位。初始化时人机对话输入。如：%CH4报警浓度。初始化时人机对话输入。如：1.00%CH4等。断电浓度。初始化时人机对话输入。如：1.50%CH4等。,复电浓度。初始化时人机对话输入。如：1.00%CH4等。断电范围。初始化时人机对话输入。如：工作面和回风巷等。监测值。是系统实时监测到的模拟量数值。如124、.00%CH4等。平均值。是对单位时间内多次监测值取平均值。时间间隔一般为5min、10min、1h、8h、24h、10d、30d、3m、6m、12m。若模拟量为x采样次数为N，则平均值为X=（x1+x2+xN）/N,最大值。对单位时间内多次监测值取最大值最小值。对单位时间内多次监测值取最大值报警及解除报警状态及时刻。将模拟量报警及解除报警状态及时刻显示并记录下来。断电、复电命令及时刻。当模拟量大于或等于断电浓度时发出断电命令及时刻；当模拟量小于复电浓度时发出复电命令及时刻。馈电状态及时刻。即系统监测到的被控电源的馈电状态及时刻；不馈电状态及时刻。,断电命令与馈电状态对应状态及时刻。模拟量超过25、断电浓度，系统发出断电命令或模拟量低于复电浓度，系统发出复电命令；系统监测到被控电源的馈电状态是否与断电命令一致，以及不一致的起始时间。实时时钟。是当前的年、月、日、时、分、秒信息。该信息应在各种显示型式中输出。,模拟量数据表格显示形式有：分类显示。按所监测物理量的所属类别显示，分通风类、供电类、每一大类又可细分。如通风类分甲烷、一氧化碳、风速类调用显示。即根据需要选择所关心的模拟量显示。内容包括地点、名称、单位、报警断电复电浓度报警显示。当模拟量超限自动将超限时刻及当前数值在屏幕上列表显示。格式同调用显示。区别在于报警记录查询显示。根据需要将某一时间内报警的模拟量的报警和解除报警时刻、累计报26、警次数、累计报警时间、报警期间最大值和每次报警期间最大,值等记录调出。断电显示。当模拟量超过断电浓度时自动将当前数值、断电命令及时刻、断电区域、馈电状态与断电命令是否相符及时刻在屏幕上列表显示。断电记录查询显示。根据需要将某一时间内模拟量的断电和复电命令及时刻、断电区域、馈电状态与断电命令是否相符及时刻、累计断电次数、累计断电时间、断电期间最大值和每次断电期间最大值调出，并列表显示。,统计值记录查询显示。根据需要将某一段时间内模拟量的平均值、最大值调出，并列表显示。模拟量断电命令与馈电状态不符显示。当模拟量断电命令与馈电状态不一致时，自动显示地点、名称、断电与复电命令时刻、断电区域、断电命令与27、馈电状态不符时刻。模拟量断电命令与馈电状态不符记录查询显示。就是将显示某一段时间内的模拟量断电命令与馈电状态不符记录次数、累计时间、每次起止时间调出并显示。,2.3.3.2 开关量状态表格显示,所监测设备地点。在系统初始化时通过人机对话输入。如：1号掘进工作面。所监测设备名称。在系统初始化时通过人机对话输入。如：局部通风机。报警状态。在系统初始化时通过人机对话输入。如：停。断电状态。在系统初始化时通过人机对话输入。如：停。断电范围。在系统初始化时通过人机对话输入。如：掘进苍道。,当前状态。是系统实时监测到的开关量状态。如：开。状态变动时刻。是系统通过对开关量状态变动的实时监测，而给出变动时刻信28、息。如：01-16/15:40等。报警及解除报警时刻。就是将开关量状态报警及解除报警时刻记录下来。断电及复电时刻。就是将断电命令及复电命令时刻记录并显示。,馈电状态及时刻。就是将监测到的被控开关的状态及时刻显示并记录。断电命令与馈电状态比较及时刻。当断电命令与监测到的馈电状态不符时，报警显示，并记录时刻及状态。开关量状态表格显示分有：分类显示。按所监测设备的所属类别显示，一般分通风类、供电类、运输类、采掘类、排水类等大类。调用显示。就是选择所关心的开关量的状态显示。如表2.13所示。,报警与断电显示。当开关量为报警与断电状态时，自动将报警与断电时刻和状态、断电命令与馈电状态相符与否及时刻列表显29、示。断电命令与馈电状态不符显示。当开关量断电命令与馈电状态不符时，自动将断电区域、断电命令与馈电状态不符时刻列表显示。状态变动显示。就是将当前状态变化的开关量（由“开”变“停”或由“停”变“开”）的状态变动时刻和状态变动状况显示。,报警记录查询显示。根据需要将某一段时间内开关量累计报警次数、累计报警时间、每次报警及解除报警时间及时刻列表显示。断电记录查询显示。根据需要将某一段时间内开关量累计断电次数、累计断电时间、每次断电时间、每次断电及复电时刻列表显示开关量动作记录查询显示。根据需要将某一段时间内开关量状态变动次数、变动时刻和变动状态调出并列表显示。开关量断电命令与馈电状态不符查询显示。根据30、需要将某一段时间内的开关量断电命令与馈电状态不符次数、累计时间、每次馈电状态和每次起止时间调出列表显示。,2.3.3.3 模拟量曲线显示,就是将模拟量监测值和统计值随时间变化的状况用带坐标和门限值的曲线直观地显示出来。竖轴为监测值和统计值，横轴为时间。用平行于横轴的黄虚线给出报警浓度，红虚线给出断电浓度，兰虚线给出复电浓度。实时监测值、最大值、平均值等用不同颜色表示。屏幕上方标明传感器设置地点、所测物理量名称等。如图2.8所示。,2.3.3.4 开关量柱状图显示,就是将开关量单位时间内的开机效率（单位时间内开机时间）用直方图直观显示。坐标竖轴为开机效率，横轴为时间。屏幕上方标明传感器设置地点、31、所测物理量名称、起始、终止日期和时间、报警状态，为便于读值，应设置游标，游标所到之处应标出对应区间的开机效率、开机时间、开机次数等。如图2.9所示。为获较好的观察效果，时间轴长度应大于屏幕的2/3。时间轴的时间基本单位应按表2.3时间系列值中的规定选择。,2.3.3.5 模拟图显示,就是在具有说明巷道、设备布置等背景图上，将实时监测到的开关量状态，用相应的图样在相应的位置模拟显示，同时将实时监测到的模拟量数值在相应位置显示。该显示直观形象。一般按类别显示。有：供电系统；运输系统；采、掘、开系统；排水系统；通风系统；监控系统自检；避灾路线。各显示内容见教材。对于较复杂的系统，模拟图可分总图及局部32、详图，并具有漫游、弹出详图功能。,2.3.4 报警,声音报警当模拟量监测值超限（需要报警或断电）、断电命令与馈电状态不符或开关量状态为报警状态时，报警喇叭或蜂鸣器应发出声响。光报警在表格显示方式中，当模拟量监测值超限（需要报警或断电）或开关量状态为报警状态时，有关该模拟量或开关量的文字和数值闪烁，也可用红色显示，或用红色显示加闪烁。在模拟量模拟曲线显示和图形显示中相应的曲线和图样也如上一样。,2.3.5 存储记录,系统存储的监控信息有：统计值记录；模拟量报警记录；模拟量断电记录；断电命令与馈电状态不符记录；开关量状态变动记录；开关量报警及断电记录；开关量断电命令与馈电状态不符记录；监控设备故障33、记录。,2.3.6 打印,系统应具有定时打印和调用打印功能，亦具有报表、模拟量曲线、开关量柱状图、模拟图形或屏幕拷贝功能。所打印表格包括班报、日报和记录查询表等。日（班）报表有：模拟量日（班）报表；模拟量报警日（班）报表；模拟量断电日（班）报表；模拟量断电命令与馈电状态不符日（班）报表；开关量报警及断电日（班）报表；开关量断电命令与馈电状态不符日（班）报表；开关量状态变动日（班）报表；监控设备故障日（班）报表；模拟量统计值历史记录查询表。,2 矿井监控系统通用要求,2.4 矿井安全监控系统,矿井安全监控系统主要用来监测：甲烷浓度；一氧化碳浓度；二氧化碳浓度；氧气浓度；硫化氢浓度；风速；负压；温34、度；湿度；风门状态；风窗状态；风筒状态；局部通风机开停；主要通风机开停；工作电压；工作电流；甲烷超限声光报警和断电；甲烷风电闭锁控制、断电命令与馈电状态不符声光报警等。,2.4.1 技术要求,除应满足矿井监控信息传输要求和矿井监控系统通用要求外，还应满足：系统应具有甲烷、风速、压差、CO浓度、温度等模拟量监测，馈电状态、设备开停、风筒开关、风门开关、烟雾等开关量监测和累计量监测功能。系统应具有甲烷浓度超限声光报警和断电/复电控制功能。系统应具有甲烷风电闭锁功能。,系统应具有馈电状态监测功能。系统应具有中心站手动遥控断电/复电功 能，断电/复电响应时间不大于系统巡检周期。系统应具有异地断电/复电35、功能。系统应具有备用电源。当电网停电后继续监控时间不小于2h。系统应具有自检功能。当传感器分站主站传输电缆等设备发生故障时，报警并记录故障时间、故障设备，以供查询及打印。,系统主机应双机备份，并具有手动切换功能。当工作主机发生故障时备份主机能投入工作。系统应具有实时存储功能。包括模拟量实时监测值，模拟量统计值，除重要监测点模拟量的实时监测值存盘记录应保持24h外，其余在3m以上。系统应具有列表显示功能。系统应具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能。,系统应具有柱状图显示功能。系统应具有模拟动画显示功能。包括工艺流程模拟图、相应设备开停状态、相应模拟量数值等。系统应具有系统设备布置图显示功能，以便36、及时了解系统配置、运行状况、便于管理与维修。系统应具有报表、曲线、柱状图、模拟图、初始化参数等召唤打印功能。系统应具有人机对话功能，以便于系统生成、参数修改、功能调用。,系统应具有防雷措施，防止雷电击毁设备引起井下瓦斯爆炸。系统应具有抗干扰措施，防止架线电机车火花、大型机电设备启停等电磁干扰影响系统正常工作。系统分站应具有初始化参数掉电保护功能。以防分站掉电后初始化参数丢失。(21)系统分站应能存储2h以上的监测数据。当系统电缆等发生故障恢复正常后可将存储的数据传输给地面中心站。,(22)系统应具有网络通信功能，以便于矿领导及上级主管部门对监控信息的利用。(23)地面设备应具有防静电措施。(237、4)系统应工作稳定，性能可靠，出厂前要进行7天的稳定性试验，系统软件死机率应小于1次/720h。(25)系统调出整幅实时数据画面的响应时间应小于5s。(26)电源波动适应范围：地面90110%；井下75110%。,2.4.2 安装、使用与维护,2.4.2.1 建立安全仪表计量检验制度要求矿区建立安全仪表计量检定站，负责校准气样配置和计量检定等工作。2.4.2.2 装备要求高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井必须装备矿井安全监控系统。有条件的低瓦斯矿井应优先装备，没有装备的低瓦斯矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷的掘进工作面，必须装备甲烷风电闭锁装置或风电闭锁装置和甲烷断电仪。,没有装备的低瓦斯矿井的无38、瓦斯涌出的岩巷掘进工作面，必须装备风电闭锁装置或甲烷风电闭锁装置。没有装备的低瓦斯矿井的回采工作面，必须装备甲烷断电仪。2.4.2.3 设计采区设计、采掘作业规程和安全技术措施，必须对安全监控设备的种类、数量和位置，信号电缆和电源电缆的敷设，控制区域等明确规定，并绘制布置图。,2.4.2.4 对安全监控设备的要求,设备要取得“MA标志准用证”和“防爆合格证”。监控设备应采用本质安全型，输入输出信号必须为本质安全型信号。设备使用专用阻燃电缆，严禁与调度电话电线和动力等电缆共用。设备必须具有故障闭锁功能。甲烷断电仪、甲烷风电闭锁、甲烷超限声光报警断电要求见书。系统必须具有馈电状态监测、报警、显示、39、存储和打印报表功能，防止人为断电取消。,2.4.2.5 安装、调校与故障处理,应有设计有计划由专职人员处理。2.4.2.7 使用与维护井下安监员24h值班，检查设备电缆，运用检测仪检查甲烷与传感器对照并记录。当误差大时，先以读数大者为依据，采取措施并必须在8h内对两种设备调校完毕。安装在采煤机、掘进机、电机车上的机载断电仪，由司机负责监护、清扫、用其它仪器与传感器检查对照，若误差大时处理同上。对需经常要移动的传感器、声光报警器、断,电器及电缆等设备，必须由班组长负责按规定移动，严禁擅自停用。凡经大修的传感器必须经计量检定合格后方可下井使用。2.4.2.8 监测数据与报表中心站必须实时监控全部井40、下瓦斯的浓度及被控设备的能、断电状态。中心站值班员必须详细记录系统各部分的运行状态，负责监测打印日报表，报负责人审阅。接到报警后值班员必须立即通知通风调度和生产调度。,2.4.2.11 技术资料,应建立的帐卡及报表：设备仪表台帐；监控设备故障登记表；检修记录；巡检记录；中心站运行日志；矿井安全监控日报；矿井安全监控设备使用情况月报、季报表。安全监控机构必须绘制安全监控设备布置图和断电控制接线图，并标明传感器、声光报警器、断电器、分站、电源、中心站等设备的位置、接线、断电范围、报警浓度、断电浓度、复电浓度、传输电缆、供电电缆等，并根据实际布置及时修改。技术资料均需定期保存，井下事故记录应长期保存41、。,2.4.2.12 甲烷传感器的设置,布置在巷道的上方，垂直悬挂，距顶板（顶梁）不大于300mm，距巷道侧壁不小于200mm。其报警、断电、复电和复电范围须符合表2.28的规定。因传感器于回风巷是瓦斯与空气混合均匀风流稳定位置，而于工作面却是瓦斯与空气不均匀位置，故工作面传感器断电浓度为1.5%CH4，回风巷为1.0%CH4。同理掘进工作面传感器断电浓度一般大于回风流中断电浓度。,2.4.2.13 采煤工作面甲烷传感器的设置,低瓦斯、高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井都必须设置工作面甲烷传感器，并应尽量靠近工作面设置。由于风流不稳定，传感器反映的不是平均浓度。为监测到平均浓度，防止漏报，高瓦斯和煤与瓦42、斯突出矿井采煤工作面还须在回风巷设置传感器，还须在上隅角设置便携式甲烷检测报警仪。低瓦斯、高瓦斯矿井的采煤工作面进风巷的甲烷浓度一般较低，故工作面和回风巷传感器断电范围为工作面和回风巷。当突,出时，在压力作用下，突出瓦斯会逆风流进入进风巷，故突出矿井采煤工作面的甲烷传感器其断电范围为工作面及其进、回风巷。若突出矿井采煤工作面甲烷传感器不能控制其进风巷内全部非本质安全型电气设备，则须在进风巷设置甲烷传感器，为尽早监测到突出，且应尽量靠近工作面。串联通风的采煤工作面，被串工作面的进风巷必须设置甲烷传感器。采煤机必须设置机载式甲烷断电仪或便携式,甲烷检测报警仪。低瓦斯矿井的采煤工作面至少设置1个甲烷43、传感器，高瓦斯矿井采煤工作面至少设置2个甲烷传感器。回采工作面甲烷传感器的设置尽量靠近工作面，报警浓度为1.0%CH4，断电浓度为1.5%CH4，复电浓度为1.0%CH4。断电范围为工作面及回风巷中全部非本质安全型电气设备，突出矿井的工作面断电为工作面及进、回风巷内全部非本质安全型电气设备。,若工作面甲烷传感器不能控制进风巷内全部非本质安全型电气设备，则必须在进风巷布置甲烷传感器，其布置见进风巷传感器设置回采工作面回风巷甲烷传感器的设置应设置在瓦斯等有害气体与新鲜风流混合均匀，且风流稳定的位置（见图2.11）（距回风上山1015m处）。报警断电复电浓度1.0%回采工作面进风巷甲烷传感器的设置尽44、量靠近工作面（图2.12）即进风巷至工作面10m及以内。报警断电复电浓度0.5%CH4。,工作面采用串联通风时，进入被串工作面风流中必须布置进风巷甲烷传感器（图2.13）。报警断电复电浓度0.5%CH4，断电范围为工作面、进、回风巷内全部非本质安全型电气设备。专用排瓦斯巷甲烷传感器的设置专用排瓦斯巷中必须设置甲烷传感器，其报警断电复电浓度为2.5%CH4，断电范围为工作面内全部非本质安全型电气设备。,2.4.2.14 掘进工作面甲烷传感器的设置,掘进工作面甲烷传感器的设置尽量靠近工作面（图2.14，距挡头5m）。报警1.0%，断电1.5%，复电1.0%。断电范围为掘进巷内全部非本质安全型电气设45、备。掘进工作面回风流甲烷传感器的设置应设置在瓦斯等有害气体与新鲜风流混合均匀、且风流稳定的位置（图2.15，距回风口1015m处）。报警断电复电浓度1.0%。断电范围为掘进巷内全部非本质安全型电气设备,掘进工作面进风流甲烷传感器的设置如图2.16。串联通风掘进工作面必须在被串工作面局扇前35m处进风流中设置甲烷传感器。报警断电复电浓度为0.5%CH4。断电范围为掘进巷内全部非本质安全型电气设备。掘进机甲烷传感器的设置必须设置机载式甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪。报警1.0%，断电1.5%，复电1.5%。断电范围为掘进机电源。,2.4.2.15 机电硐室甲烷传感器的设置,由于回风流中的机电硐室46、甲烷浓度较高，故对设在回风流中的机电硐室的进风侧中必须设置甲烷传感器（图2.17，距硐室进口35m），其报警断电复电浓度为0.5%CH4，断电范围为机电硐室内全部非本质安全型电气设备。,2.4.2.16 装煤点和运输巷甲烷传感器的设置,装煤点甲烷传感器的设置高瓦斯矿井的主要运输巷内使用架线电机车时，装煤点（35m）处必须设置甲烷传感器，报警断电复电浓度为0.5%CH4，断电范围为装煤点处上风流100m内及其下风流的架空线电源和全部非本质安全型电气设备。运输巷道甲烷传感器的设置高瓦斯矿井的主要运输巷内使用架线电机车时，在瓦斯涌出巷道的下风流中（涌出地点下35m）必须设置甲烷传感器，报警断电复,电47、浓度为0.5%CH4，断电范围为瓦斯涌出巷道上风流100m内及其下风流的架空线电源和全部非本质安全型电气设备。2.4.2.17 机车内甲烷传感器的设置在突出矿井或喷出区域中，进风的主要运输巷道和回风巷内使用矿用防爆特殊型蓄电池电机车或矿用防爆型柴油机车时，蓄电池电机车必须设置车载式甲烷断电仪或便携式甲烷监测报警仪，柴油机车内必须设置便携式甲烷检测报警仪。当瓦斯超过0.5%时，必须停止机车运行。,2.4.2.18 瓦斯抽放泵站甲烷传感器的设置,瓦斯抽放泵站应在室内设置甲烷传感器，报警浓度0.5%。在抽放泵输入管路中设置甲烷传感器。利用瓦斯时，应在输出管中设置甲烷传感器，报警浓度不低于30%，不利48、用瓦斯、采用干式抽放瓦斯设备时，应在输出管路中设置甲烷传感器，报警浓度不低于25%。井下临时抽放泵站下风侧栅栏外应设置甲烷传感器，报警断电复电浓度为 1.0%，断电范围为抽放瓦斯泵。,2.4.2.19 其它传感器的设置,装备监控系统的矿井，每一采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站应设风速传感器，设置地点前后10m内无分支无拐弯无障碍断面无变化，能准确计算测风断面的地点。装备监控系统的矿井，主要通风机的风硐应设置压力传感器。瓦斯抽放泵站的抽放泵吸入管路中应设置流量、温度、压力传感器。利用瓦斯时，还应在输出管路中设置流量、温度、压力传感器装备监控系统开采易自燃煤层矿井应设置,一氧化碳传感器。位于巷道49、上方，不影响行人行车，安装维护方便。传感器应垂直悬挂，距顶板（顶梁）不大于300mm，距巷壁不小于200mm，报警值为0.0024%CO。它除用于环境监测外，还可用于自燃发火预测。可根据每天CO平均值的增量来预测，若增量为正，则具有自燃发火的可能。设置见图2.20（距回风上山1015m处）。装备监控系统开采易自燃煤层矿井应设置温度传感器，设置方法和用途与CO同。报警值为300C。,装备监控系统的矿井，主要通风机局部通风机必须设置设备开停传感器。主要风门设置风门开关传感器。被控设备开关的负荷侧必须设置馈电状态传感器。2.4.3 故障诊断与维修矿井监控系统是一种防爆型电气设备。应做到：2.4.3.50、1 防爆考虑保证本质安全电路电气参数和保护性能不变。,检修时应切断前级电源。严禁在井下用非防爆仪器、仪表检查和测量防爆型监控设备。2.4.3.2 故障诊断及维修具有自动诊断功能的监控系统会利用系统迅速自行查找故障：系统设备组件元器件（从大到小），且首先测试电源供电电压和输出电流。采用替换法查找：将故障设备的全部印制板组件用相应的备用组件替下，观察是否恢复正常，正常说明替下的组件有问题，不正常则查找接线端子和传输线，如此反复进行完,故障组件的维修一般在地面维修室进行，维修前应了解组件的工作原理、工作电压、各点波形和频率，根据电路原理图和印制线路板图维修。,4 矿用电源及备用电源,4.1 矿用电源51、的特点及主要技术指标 4.1.1 矿用电源的特点 4.1.2 矿用电源的主要技术指标 4.1.3 矿用电源的分类4.2 矿用线性直流电源4.3 矿用开关电源4.4 矿用备用电源,4.1.1 矿用电源的特点,矿用电源（监控系统、甲烷断电仪、甲烷风电闭锁电源等）除向分站、传感器、声光报警器、断电器等提供本质安全防爆直流电源外，还须保证井下交流电网停电后维持系统正常工作时间不少于2h。其特点：本质安全型防爆输出。电网电压波动适应能力强。效率高、体积小、重量轻。保护能力强。输入电压范围宽。一般选36、127、220、380、660V,额定输入电压U1是矿用电源标称输入电压，如：36、127、220、352、80V等。允许输入电压范围是矿用电源允许输入电压范围，通常用额定输入电压的百分比表示（如75%110%U1）。也可用允许输入电压的上限和下限表示（如95V140V）。当输入电压超出输入电压范围，电源将损坏，或不正常或失去防爆。额定输出电压是矿用电源标称输出电压。如5、6、9、12、15、18、24V等。,4.1.2 矿用电源的主要技术指标,输出电压范围是矿用电源在规定的输入电压范围内和输出电流不大于额定输出电流的情况下，输出电压变化范围。可用上下限如：4.755.25V，也可用额定输出电压的相对值表示：5%。最大输出电压是指矿用电源在开路等情况下所能输出的最大电压。若矿用电源的输出电压大于最大53、输出电压，将无法保证电源的防爆性能，井下严禁使用。最大输出电流是指矿用电源在短路等情况所能输出的最大电流。若矿用电源的输出电流大于最大输出电流，无法保证防爆。,稳压系数是指输入交流电压变化V1所引起的输出直流变化V0的变化量。稳压系数越小输出越稳定。稳压系数又分绝对稳压系数和相对稳压系数。电压调整率是指负载为额定负载时，输入交流电压在额定值上下变化10%时，稳压电源输出电压的相对变化值。电流调整率。输出电阻（内阻）。纹波电压。纹波系数。,4.1.3 矿用电源的分类,线性直流电源 电源稳定度高，负载稳定度高，输出纹波电压小，瞬态响应速度快，线路结构简单，便于维护，没有开关干扰等优点。但也存有缺点54、，见书。开关直流电源 体积小，重量轻，电网电压波动适应能力强，过载能力强，输入电压范围宽等。由于开关电源输出端一般都有用于滤波的大电感和大电容，难以满足本质安全电气防爆，故目前少用。,4.2 矿用线性直流电源,线性直流电源又可分：稳压源、恒流源和非稳定电源3种。矿用线性直流电源一般由变压器、整流电路、滤波电路、双重限流（恒流）限压（稳压）电路组成。变压器除有稳压作用外，还具有电磁隔离功能，保证本质安全防爆的安全。整流电路将交流整流为直流。滤波电路滤除整流电路输出中的交流成份。双重限流限压电路保证本质安全型防爆电源的输出，同时可作为稳压和恒流电路，输出稳压或恒流电源。,4.3 矿用开关电源,4.55、3.1 矿用开关电源的特点输出功率受限本质安全防爆措施是限制放电火花能量，即限制了电源的输出能量。限制输出能量即须限制输出功率，即限电流限电压。输出端滤波电容和电感受限本质安全防爆限制火花放电能量，要限制电源输出能量，要限制电源输出端和负载中的电容和电感的储能，以防电容或电感等储能,元件的储能造成火花放电能量的增大。输入、输出必须电气隔离矿用电源的输入为交流高压，输出为本质安全型防爆直流。为防止高压串入本质安全型防爆直流，引起瓦斯爆炸，矿用电源的输入与输出之间必须电气隔离。对主回路一般采用电磁隔离，对监控回路一般采用光电隔离或电磁隔离。大的电压允许输入范围由于井下电压波动范围大，设备功率大，起56、,动频繁，供电距离远，为防损坏矿用电源的防爆性能规定矿用电源只能使用一个电压等级。如既可用于127V又可用于220V的输入电压范围应为95242V（即75%11%）。多重化保护为保证本质安全防爆电源在正常工作条件下和规定的故障状态下所产生的电火花和热效均不会引燃爆炸性气体混合物。本质安全型电源的限流限压等保护性元件必须双重化（Ib）或三重化（Ia）。恒压-恒流输出特性,由于电源最大输出电流电压受限，为满足本质安全防爆要求，提高电源带负载能力，故本质安全型电源的输出宜为恒压-恒流输出，即当负载较重（轻）时，恒流（压）输出。故障自动恢复矿用电源当输出短路或开路故障排除后必须能自动恢复，而不应由人工57、恢复。井下短路故障时有发生，距离远，电源设在隔爆外壳内，难以人工恢复。体积小、重量轻、可靠性高,4.2.3 开关电源的本质安全防爆,采用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另外一种电源形态，并且有稳定输出控制和短路等保护功能的电路称开关电源。开关电源分交流输入和直流输入两种结构。开关电源输出端通常并联有一个大容量滤波电容或串联有大的电感，这样的开关电源电路不能直接用作本质安全电源，所以必须接入双重或多重保护元器件，当一个或两个损坏时，应能继续正常工作；提高开关电源工作频率，降低滤波电容量和电感量；稳压限流。,4.4 矿用备用电源,当井下交流电网停电后，为保证安全监控系统正常工作，且时58、间不小于2h，矿井监控设备必须配备备用电源。其特点：应采用蓄电池。蓄电池应采用连续浮充制。备用电源要与主电路共用输出限压（稳压）和限流（恒流）电路。蓄电池要全密封免维护。蓄电池无记忆效应。,5 矿用传感器,矿井监控系统中所测物理量大多数是非电量，如甲烷、风速、温度等，不能直接远距离传输，必须对这些物理量进行变换为便于传输、存储和处理的物理量。目前最能满足要求的是电信号。它的测量、放大、传输、存储和处理技术最为成熟。这就需要一个设备将非电信号转换为电信号传感器作为监控系统的第一个环节，完成信息获取和转换的功能，其性能直接影响系统监测精度。,5.1 基础知识5.2 甲烷传感器5.3 一氧化碳传感器59、5.4 风速传感器5.5 温度传感器5.6 开关量传感器,5.1 基础知识,传感器主要由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源组成。如下图所示：传感元件 被测参数 输出信号,敏感元件,转换元件,测量电路,辅助电源,在进行非电量到电量的转换时，并非所有非电量一次直接转换为电量，而是将被测非电量先转换为另一种便于转换为电量的非电量，敏感元件即是。转换元件是将敏感元件所输出的非电量转换为电量的器件。如矿用超声波旋涡式风速传感器，首先通过敏感元件将风速转换为与风速成正比的旋涡频率，然后再通过转换元件将与风速成正比的旋涡频率转换为电脉冲频率。热催化式甲烷传感器中的敏感元件同时兼做转换元件，将被测非电量直60、接转换为电量。,转换元件输出可以是电信号（电压、电流或脉冲），也可是电阻、电容和电感等参数的变化。当转换元件输出为电信号时，测量电路就是一般的放大器，否则就需通过电桥先将这些参数变换成电信号，然后再进行放大。测量电路完成此功能外，一般还应具有非线性补偿、阻抗和电平匹配等功能。随着集成电路集成度的提高，微处理机芯片的应用，在智能传感器里，测量电路还具有信号的预处理等功能。,传感器分类：按输入量（物理量）分：如甲烷、风速、负压等传感器。按变换原理分：如电化学、热催化等。通常将上述两种分类同时使用。如热导式甲烷传感器、超声波旋涡式风速传感器等。还有按能量传递方式分：如有源、无源等；使用型式分。如固定61、式、机载式等；输出信号分。如模拟式、数字式等。,5.1.1 基本概念,为了能定量度量传感器的性能，现场中常用到如下参数概念：量程精度迟滞重复性线性度灵敏度,5.1.2 供电方式,传感器供电方式内部供电。外部供电。内部供电分：传感器自带整流电源。蓄电池（或干电池）。外部供电：这是矿井监控系统一般采用的。外部供电分：就近供电：由系统分站电源、或电控箱、或电源箱向传感器供电，同集中供电比，有供电距离近、功耗小、简单方便优点，现场广泛采用。为保证电网短时停电传感器能正常工作不小于2h，在分站电源或电控箱或电源箱还设有一定容量蓄电池集中供电：当井下供电不正常仍需监测时，可采用集中供电，但电缆较多系统投资62、较大，不便于安装维修。,5.1.3 输出信号,矿井监控系统中的被测物理量，可分为开关量和模拟量。开关量：只取两种状态的物理量。如：采煤机、掘进机、运输机、水泵、风机的开停等。可用电压的有无、电流的有无和极性来实现。模拟量：量值连续变化的物理量。如：甲烷浓度、风速、一氧化碳浓度等。可用电压的大小、电流的大小和频率的高低等来实现。传感器（CH4、CO、风速）的技术要求见教材P160。,5.2 甲烷传感器,CH4浓度监测是矿井安全监控首要内容。环境中CH4浓度大于等于报警浓度则发出声光报警信号；大于等于断电浓度则切断被控区域全部非本质安全型电气设备电源并闭锁，仅当浓度低于复电浓度时解锁。所以甲烷传感63、器是矿井安全监控中重要的、必备的设备之一。甲烷传感器按其工作原理分为催化燃烧式（用于低浓甲烷监测）和热导式（用于高浓甲烷监测）。,5.2.1 催化燃烧式,工作原理：在传感元件（含敏感元件）表面的甲烷（可燃性气体）在催化剂催化作用下发生无焰燃烧放出热量，使传感元件升温，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件电阻变化可测出CH4气体浓度。催化燃烧式甲烷传感器有铂丝催化元件和载体催化元件两种。在矿井安全监控系统装置中，测量低浓度甲烷传感器主要是载体催化元件。,载体催化元件结构及工作原理载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）组成。两元件结构尺寸64、完全相同，白元件表面无催化剂，仅起环境温度补偿作用。黑元件由铂丝线圈、Al2O3载体和表面的催化剂组成。铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需的温度。同时甲烷燃烧放出热量使其升温，测量电阻变化测得空气中甲烷浓度。Al2O3载体固定铂丝线圈，增强元件机械强度。涂在元件表面的铂（Pt）和钯（Pd）等重金属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。,5.3 一氧化碳传感器,5.3.1 电化学式5.3.2 红外线吸收式,4 矿用电源及备用电源,4.1 矿用电源的特点及主要技术指标 4.1.1 矿用电源的特点 4.1.2 矿用电源的主要技术指标 4.1.3 矿用电源的分类4.2 矿用线性直流电源4.65、3 矿用开关电源4.4 矿用备用电源,4.1.1 矿用电源的特点,矿用电源（监控系统、甲烷断电仪、甲烷风电闭锁电源等）除向分站、传感器、声光报警器、断电器等提供本质安全防爆直流电源外，还须保证井下交流电网停电后维持系统正常工作时间不少于2h。其特点：本质安全型防爆输出。电网电压波动适应能力强。效率高、体积小、重量轻。保护能力强。输入电压范围宽。一般选36、127、220、380、660V,额定输入电压U1是矿用电源标称输入电压，如：36、127、220、380V等。允许输入电压范围是矿用电源允许输入电压范围，通常用额定输入电压的百分比表示（如75%110%U1）。也可用允许输入电压的上限和下限66、表示（如95V140V）。当输入电压超出输入电压范围，电源将损坏，或不正常或失去防爆。额定输出电压是矿用电源标称输出电压。如5、6、9、12、15、18、24V等。,4.1.2 矿用电源的主要技术指标,输出电压范围是矿用电源在规定的输入电压范围内和输出电流不大于额定输出电流的情况下，输出电压变化范围。可用上下限如：4.755.25V，也可用额定输出电压的相对值表示：5%。最大输出电压是指矿用电源在开路等情况下所能输出的最大电压。若矿用电源的输出电压大于最大输出电压，将无法保证电源的防爆性能，井下严禁使用。最大输出电流是指矿用电源在短路等情况所能输出的最大电流。若矿用电源的输出电流大于最大输出电67、流，无法保证防爆。,稳压系数是指输入交流电压变化V1所引起的输出直流变化V0的变化量。稳压系数越小输出越稳定。稳压系数又分绝对稳压系数和相对稳压系数。电压调整率是指负载为额定负载时，输入交流电压在额定值上下变化10%时，稳压电源输出电压的相对变化值。电流调整率。输出电阻（内阻）。纹波电压。纹波系数。,4.1.3 矿用电源的分类,线性直流电源 电源稳定度高，负载稳定度高，输出纹波电压小，瞬态响应速度快，线路结构简单，便于维护，没有开关干扰等优点。但也存有缺点，见书。开关直流电源 体积小，重量轻，电网电压波动适应能力强，过载能力强，输入电压范围宽等。由于开关电源输出端一般都有用于滤波的大电感和大电68、容，难以满足本质安全电气防爆，故目前少用。,4.2 矿用线性直流电源,线性直流电源又可分：稳压源、恒流源和非稳定电源3种。矿用线性直流电源一般由变压器、整流电路、滤波电路、双重限流（恒流）限压（稳压）电路组成。变压器除有稳压作用外，还具有电磁隔离功能，保证本质安全防爆的安全。整流电路将交流整流为直流。滤波电路滤除整流电路输出中的交流成份。双重限流限压电路保证本质安全型防爆电源的输出，同时可作为稳压和恒流电路，输出稳压或恒流电源。,4.3 矿用开关电源,4.3.1 矿用开关电源的特点输出功率受限本质安全防爆措施是限制放电火花能量，即限制了电源的输出能量。限制输出能量即须限制输出功率，即限电流限电69、压。输出端滤波电容和电感受限本质安全防爆限制火花放电能量，要限制电源输出能量，要限制电源输出端和负载中的电容和电感的储能，以防电容或电感等储能,元件的储能造成火花放电能量的增大。输入、输出必须电气隔离矿用电源的输入为交流高压，输出为本质安全型防爆直流。为防止高压串入本质安全型防爆直流，引起瓦斯爆炸，矿用电源的输入与输出之间必须电气隔离。对主回路一般采用电磁隔离，对监控回路一般采用光电隔离或电磁隔离。大的电压允许输入范围由于井下电压波动范围大，设备功率大，起,动频繁，供电距离远，为防损坏矿用电源的防爆性能规定矿用电源只能使用一个电压等级。如既可用于127V又可用于220V的输入电压范围应为95270、42V（即75%11%）。多重化保护为保证本质安全防爆电源在正常工作条件下和规定的故障状态下所产生的电火花和热效均不会引燃爆炸性气体混合物。本质安全型电源的限流限压等保护性元件必须双重化（Ib）或三重化（Ia）。恒压-恒流输出特性,由于电源最大输出电流电压受限，为满足本质安全防爆要求，提高电源带负载能力，故本质安全型电源的输出宜为恒压-恒流输出，即当负载较重（轻）时，恒流（压）输出。故障自动恢复矿用电源当输出短路或开路故障排除后必须能自动恢复，而不应由人工恢复。井下短路故障时有发生，距离远，电源设在隔爆外壳内，难以人工恢复。体积小、重量轻、可靠性高,4.2.3 开关电源的本质安全防爆,采用半导71、体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另外一种电源形态，并且有稳定输出控制和短路等保护功能的电路称开关电源。开关电源分交流输入和直流输入两种结构。开关电源输出端通常并联有一个大容量滤波电容或串联有大的电感，这样的开关电源电路不能直接用作本质安全电源，所以必须接入双重或多重保护元器件，当一个或两个损坏时，应能继续正常工作；提高开关电源工作频率，降低滤波电容量和电感量；稳压限流。,4.4 矿用备用电源,当井下交流电网停电后，为保证安全监控系统正常工作，且时间不小于2h，矿井监控设备必须配备备用电源。其特点：应采用蓄电池。蓄电池应采用连续浮充制。备用电源要与主电路共用输出限压（稳压）和限流（恒流72、）电路。蓄电池要全密封免维护。蓄电池无记忆效应。,5 矿用传感器,矿井监控系统中所测物理量大多数是非电量，如甲烷、风速、温度等，不能直接远距离传输，必须对这些物理量进行变换为便于传输、存储和处理的物理量。目前最能满足要求的是电信号。它的测量、放大、传输、存储和处理技术最为成熟。这就需要一个设备将非电信号转换为电信号传感器作为监控系统的第一个环节，完成信息获取和转换的功能，其性能直接影响系统监测精度。,5.1 基础知识5.2 甲烷传感器5.3 一氧化碳传感器5.4 风速传感器5.5 温度传感器5.6 开关量传感器,5.1 基础知识,传感器主要由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源组成。如下图所73、示：传感元件 被测参数 输出信号,敏感元件,转换元件,测量电路,辅助电源,在进行非电量到电量的转换时，并非所有非电量一次直接转换为电量，而是将被测非电量先转换为另一种便于转换为电量的非电量，敏感元件即是。转换元件是将敏感元件所输出的非电量转换为电量的器件。如矿用超声波旋涡式风速传感器，首先通过敏感元件将风速转换为与风速成正比的旋涡频率，然后再通过转换元件将与风速成正比的旋涡频率转换为电脉冲频率。热催化式甲烷传感器中的敏感元件同时兼做转换元件，将被测非电量直接转换为电量。,转换元件输出可以是电信号（电压、电流或脉冲），也可是电阻、电容和电感等参数的变化。当转换元件输出为电信号时，测量电路就是一般74、的放大器，否则就需通过电桥先将这些参数变换成电信号，然后再进行放大。测量电路完成此功能外，一般还应具有非线性补偿、阻抗和电平匹配等功能。随着集成电路集成度的提高，微处理机芯片的应用，在智能传感器里，测量电路还具有信号的预处理等功能。,传感器分类：按输入量（物理量）分：如甲烷、风速、负压等传感器。按变换原理分：如电化学、热催化等。通常将上述两种分类同时使用。如热导式甲烷传感器、超声波旋涡式风速传感器等。还有按能量传递方式分：如有源、无源等；使用型式分。如固定式、机载式等；输出信号分。如模拟式、数字式等。,5.1.1 基本概念,为了能定量度量传感器的性能，现场中常用到如下参数概念：量程精度迟滞重复75、性线性度灵敏度,5.1.2 供电方式,传感器供电方式内部供电。外部供电。内部供电分：传感器自带整流电源。蓄电池（或干电池）。外部供电：这是矿井监控系统一般采用的。外部供电分：就近供电：由系统分站电源、或电控箱、或电源箱向传感器供电，同集中供电比，有供电距离近、功耗小、简单方便优点，现场广泛采用。为保证电网短时停电传感器能正常工作不小于2h，在分站电源或电控箱或电源箱还设有一定容量蓄电池集中供电：当井下供电不正常仍需监测时，可采用集中供电，但电缆较多系统投资较大，不便于安装维修。,5.1.3 输出信号,矿井监控系统中的被测物理量，可分为开关量和模拟量。开关量：只取两种状态的物理量。如：采煤机、掘76、进机、运输机、水泵、风机的开停等。可用电压的有无、电流的有无和极性来实现。模拟量：量值连续变化的物理量。如：甲烷浓度、风速、一氧化碳浓度等。可用电压的大小、电流的大小和频率的高低等来实现。传感器（CH4、CO、风速）的技术要求见教材P160。,5.2 甲烷传感器,CH4浓度监测是矿井安全监控首要内容。环境中CH4浓度大于等于报警浓度则发出声光报警信号；大于等于断电浓度则切断被控区域全部非本质安全型电气设备电源并闭锁，仅当浓度低于复电浓度时解锁。所以甲烷传感器是矿井安全监控中重要的、必备的设备之一。甲烷传感器按其工作原理分为催化燃烧式（用于低浓甲烷监测）和热导式（用于高浓甲烷监测）。,5.2.177、 催化燃烧式,工作原理：在传感元件（含敏感元件）表面的甲烷（可燃性气体）在催化剂催化作用下发生无焰燃烧放出热量，使传感元件升温，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件电阻变化可测出CH4气体浓度。催化燃烧式甲烷传感器有铂丝催化元件和载体催化元件两种。在矿井安全监控系统装置中，测量低浓度甲烷传感器主要是载体催化元件。,载体催化元件结构及工作原理载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）组成。两元件结构尺寸完全相同，白元件表面无催化剂，仅起环境温度补偿作用。黑元件由铂丝线圈、Al2O3载体和表面的催化剂组成。铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需的温度。同时甲烷燃烧放出热量使其升温，测量电阻变化测得空气中甲烷浓度。Al2O3载体固定铂丝线圈，增强元件机械强度。涂在元件表面的铂（Pt）和钯（Pd）等重金属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。,5.3 一氧化碳传感器,5.3.1 电化学式5.3.2 红外线吸收式,