矿井监控系统Word下载.docx
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（6）调度显示盘：
以木料、三合板、数码器管以及相关电路构成的粗糙调度盘为主流．
2．3存在的问题
（1）由上述可知．一对线上传输12个额率信号．且在解调端要用由电子器件构成的部件将各信号分离出来．由于电子器件的非线性．就会产生差额干扰和频率干扰。
差频干扰：
f2-f1≈f3（某一接收机所接收处理的信号频率）
和频干扰：
f2+f1=f3
上式说明，即便信道上没有^信号，则由于接收机的非线性作用，就会产生一个近似于某一信道的频率信号，结果造成在信道上没有某一信号的情况下，而在对应某一信号解调器的输出端有这个信道的信号．这个信号就是干扰信号或称为误动信号．
例：
25kHz一15．6kHz=12．7kHz≈13kHz
即信道上没有13kHz信号时，对应13kHz的信号解诃器也有可能输出一个信号．
（2）由于电话机进行交换而产生的不同组信号问的干扰．即第一组中的第三个道由于交换时和第五组线路接通，则第一组和第五组中的同频率信号相互作用而产生干扰．
早期系统的一个代表就是焦作工学院研制的“KwJ综采生产线可靠性微电脑集中监测系统．该项目曾在首届全国计算机应用展览会上展出，受到了同行的好评．
3我国引入国外监控系统的情况
为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从美国、英国、德国、法国、加拿大分别引入数十套监控系统，如美国的scAnA系统、英国的MINOS系统、德国的TF一2o0系统、法国的CTT一63／4O系统、加拿大森透里昂系统．这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴．上述系统均是综合型监测系统，但侧重于安全参数的检测和控制．
这些系统存在如下问题：
（1）性能/价格比过低，即系统价格过高，难以承受；
（2）主监测机的系统软件在文档处理上有些不符台中国国情；
（3）井下工作站体积、重量比较太；
（4）技术服务上有缺憾；
（5）有些系统的技术并非一流．
4我国目前监控系统的状况
自从我国引入上述系统后，相继出现了仿制国外的系统如Kj4系统等，以及我国自研的系统，如KJ2、KJ22、焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等．KJ93型系统它反映了目前我国监控系统的总体结构情况．系统构成如图2所示．
从图2可以看出，系统由两个相对独立的子系统组成，即安全、生产监控系统和工业电视系统。
4．1安全监控系统的构成说明
整个系统由工作站、地面主站、调度盘、传输图2监控系统
线、断电仪、传感器几部分构成．以下对各部分进行简要说明．
（1）主监控机功能：
控制工作站的工作状态．采集工作站各种数据，打印各种报表和曲线，分析各种数据并将数据传输到电视网络和调度显示器上．动态显示实时数据和动态模拟显示各设备运动状态．目前以各种型号的PC机为主，如286、386、586．
（2）工作站：
它是由单片机为主体加上各种接口电路和器件组成的智能工作站．以下是KF2O型工作站的情况：
4个模人量口：
可接人4个各种类型的模拟量传感器．
8个开入量口：
可接人8个开入量传感器．
工作站功能：
采集数据，接收主站发送来的信息，进行断电控制．
断电控制方式：
通过拨动拨码开关，断电输出量可以实现多种模式
目前的瓦斯传感器有智能型和非智能型两种．
系统配接传感器技术要求：
模拟量信号：
200-l000Hz，脉幅5V开关量信号：
l～5rnA，电流型（停／开）．
以上传感器使用电压9v～24VDC．
（4）调度盘：
由单片机控制的各种显示器件组成，动态显示各种参数和动态模拟显示各设备运行状态主体为钢框架，面板为PVC工作模块．工业电视系统的监控器镶嵌在模拟盘上．另一种由投影仪构成的调度盘，计算机显示器显示什么它就显示什么．
（5）断电仪：
主体由固态继电器构成，寿命长，可靠性高．
（6）传输线：
工作站主监测机的通讯线用2×
l的屏蔽电缆，传感器一工作站电缆用4×
l橡套阻燃电缆。
4.2工业电视部分
由摄像机、云台、支架、传输线、分频器、切换器、控制器、彩色监视器组成完成对重要场合的监视．
存在的问题：
井下摄像机防护罩的可视窗易被煤尘糊罩，摄像机易受潮。
5监控系统的未来发展趋势
监控系统的发展趋势，是向多媒体化方向发展．具体表现在以下几方面：
5．1主监控机
主监控机的档次和性能越来越高，速度越来越快，网络功能更完善，会有能力处理电视监视图像，将声、像和参数监控融为一体，形成一种既有图文又有声像显示的新型监控系统。
52调度显示器
在未来10a内，会采用大屏幕液晶显示技术，既显示各种表格又显示各种可视图像。
53工作站
随着新器件的出现，必将在智能化程度上有重大变化．它的体积和重量会进一步减少，价格进一步降低。
54传感器
随着新器件的不断出现，传感器的寿命会进一步提高智能化程度的提高，使得传感器的方便性提高、体积和耗电减少．现已出现了传感器本身就是一个易于联网的计算机系统，有可能以后不用工作站。
5．5信号传输技术
随着技术的不断进步，光纤通信会逐渐大规模引人到矿井监控系统中，引入的速度主要取决于以下两个因素．一是光纤焊接机的价格和使用时对环境的要求，二是光纤的任意弯曲问题和价格问题。
最有可能出现的局面是在地面监控系统主信号的传输采用光缆，井下主信号线仍用金属电缆．整个系统遭雷击的可能性会大大降低，并有望得到根除。
5．6网络化方面
现在的状况是只有少数局和矿装配有计算机网络，实现了本矿的资源共享，但多数矿没有，今后的趋势就是各矿和局乃至全国构成计算机网络，实现更大范围的资源共享。
如采用CAN总线技术的监控系统。
5．7预测预报
瓦斯突出的预报方面将会取得一定程度的突破而使得系统更具有智慧性。
6结语
将计算机用于矿井安全、生产监测是一门新兴的学科，除涉及到计算机技术外，还涉及到传感器、光电、电视、光纤通讯等技术．因此，它是一门综合性学科到目前为止随着科学技术的不断进步，它还在不断的完善．计算机矿井安全生产监控系统在矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥着重大作用．而高性能的计算机矿井监控系统应用前景尤为广阔．
第二章监控工作站
监控工作站分为地面和井下两种。
地面工作站主要用于处理绞车信号，井下工作站主要用于监控各种安全参数、设备开/停以及控制断电仪断电。
工作站系统主要包括井下工作站电源、传感器、工作站、断电仪，下面简要介绍。
1传感器
传感器：
将被测物理量变成电信号的部件或装置。
传感器输出信号形式：
电压型、电流型、阻抗型、脉冲频率型。
电压型：
输出电压大小正比于外界物理量。
电流型：
输出电流大小正比于外界物理量。
阻抗型：
输出阻抗大小正比于外界物理量。
频率型：
输出频率大小正比于外界物理量。
1.1对传感器的要求
（1）灵敏度高：
指外界物理量的变化引起输出信号的变化量。
（2）线性度好：
指外界物理量的变化对应输出信号的关系。
（3）重现性好:
指每次启动传感器（即每次断开接通电源），传感器的性能应该一致。
（4）重复性：
在传感器的状态不变的情况下，重复地输入某一相同的输入值时，其输出的一致性。
（5）要有必要的声光报警装置，如：
当瓦斯超限时要进行声光报警。
1.2常见的矿用传感器
瓦斯传感器、风速传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、烟雾传感器、负压传感器、水位传感器、煤位传感器、氧气传感、设备开/停传感器，各种电量传感器等。
1.3传感器组成原理
一般常见传感器的组成如下图：
（1）敏感元件：
将外界物理量变成电信号的器件，如：
黑白元件、压敏型电阻等。
（2）电桥：
惠更斯测量电桥。
（3）放大整形：
完成电信号的放大，使小信号变成所需的较大信号。
（4）变换电路：
将前级信号变成所需的输出信号形式，如：
电压、电流、频率型信号。
1.4矿用传感器输出信号形式
煤炭部行业标准MT209规定：
模拟量输出形式
1~5mA4~20mA
频率型∶200~1000Hz5~15Hz
首选频率信号，原因在于频率型信号抗干扰能力强，传输距离远。
开关量输出信号形式
输出控制信号：
0~5mA5v以上
1.5矿用传感器使用电源
矿用传感器使用电源必须是隔爆兼本安型。
传感器生产厂家：
重庆煤科分院、镇江中煤电子研究所。
2断电仪
断电仪是一种执行部件，主要用于控制井下局部用电设备的断电。
从结构上讲一般有两种：
一种是机械继电器型，一种是固体可控硅型。
从使用外部电源讲：
一种不需提供工作电源，只需提供断电信号：
另一种不仅需要提供工作电源，也需要提供断电信号。
生产厂家：
重庆煤科分院（两种均有）、镇江中煤电子研究所（需使用外部电源）。
3井下工作站电源
井下工作站以及传感器的工作运行要靠工作站电源提供能量。
对井下工作站电源的要求：
工作稳定，并在发生掉电情况时以及井下工作站满负荷运行时，能工作2小时。
换句话说，是工作站的UPS电源，即不间断电源。
一般工作站的电源的隔爆形式是隔爆兼本安型，意指的是电源的本身放在隔爆壳内，输出是本安型，多路输出。
例如:
KF1016电源箱的输出参数为12V、0.5A一组，18V、0.5A两组。
4工作站
工作站的任务是采集各种模拟量和开关量信号，并能根据瓦斯浓度的大小输出断电信号。
同时，工作站还应根据使用地点的要求，具有不同的瓦斯断电信号输出能力，如：
0.8、1.0、1.5、3.0。
还应具有风、电、瓦斯闭锁功能，图2.2是一工作站原理框图
图2.2工作站原理框图
光电耦合：
TLP521-4光电隔离电器件，内部结构如图2.3所示。
图2.3光电耦合器结构图图2.4施密特整形器逻辑图
（1）74LS14:
施密特整形器件。
逻辑图如图2.4所示
（2）8155：
计数器/并行接口芯片。
内部含有1路计数器、2个8位线（A、B）并行口和1个6位线（C）并行口。
用法：
A口作8位地址开关/其它功能，B口为8个开关量输入口，C口为4个开关量输出口，计数器用于1路模拟量口。
（3）8253：
3路计数器接口器件。
用于完成对外部三个频率模拟量的模/数转换。
（4）8031：
单片机完成对8155、8253接口的数据采集和处理，进行算术运算和逻辑运算，瓦斯超限时，对8155C口操作，输出相应断电信号，在地面主站寻呼下，将本站数据送向地面中心站，并接收地面来的控制指令。
（5）27C64：
程序存储器。
用于存放工作站的监控程序。
（6）75176：
长线通讯驱动器。
通过该器件将工作站以树型总线形式相连。
（7）MAX813L：
看门狗定时器。
用于故障时8031的自动复位。
第三章地面中心站
中心站是监控系统的数据中心。
中心站完成监控系统的数据采集、处理、存储和显示，同时，完成印制各种报表，还要不断地向各个工作站进行寻呼和向井下工作站发断电控制命令。
1中心站的组成
常见的组成如图3.1所示：
1．1工业监控机制及监控系统软件
工业监控机一般用研华/研祥工控机，按装在地面调度室中。
日前的586工控机及其基本配置均能满足监控系统的要求，目前大多数流行的配置是PⅢ、120M内存、20G硬盘、一个3.5的软驱，声卡、音箱Windows2000或Windows98操作平台。
监控系统软件目前一般用VB或VC以及VF程序语言编制，各有其优点。
主监控机要具有瓦斯超限报警功能，一般用音箱播放，报警时最好能报出哪个位置出现瓦斯超限。
监控系统软件一般应有良好的对话框，也即用户界面。
目前存在的VB或VC以及VF编程语言均可轻而易举的达到此目的。
过去监控系统软件设计DOS下编程，可视化程度低，用户界面做的不好。
新监控系统一定是新的，最起码编程语言是新的可视化的。
1.2打印机
主要用于打印各种监控参数表。
打印机的选泽一般为针式宽行打印机，条件允许可选用喷墨打印机。
1.3模拟调度盘
集中地按采掘平面显示监测参数，调度员可全面了结安全生产信息。
除了传统形式调度盘外，目前有用投影仪作调度盘或用较大的电视机座调度显示器，以后会出现液晶调度显示器。
1.4打印表格形式内容
表格形式可根据各矿传统方式进行设计，一般应包括如下内容：
安全日报表：
各测点每隔5分钟的最大值、最小值、平均值。
瓦斯超限日报表：
各个测点瓦斯超限起止时间。
瓦斯历史曲线表：
绘制各个测点煤田瓦斯变化曲线表。
2.主监控工作站数据交换部件
任何一套监控系统除了计算机在市面上的配置外，必须有这个部件，这个部件可直接安装在计算机内，也可装在计算机外部。
这个部件的作用有两个，一是将计算机的控制信号传到工作站，另一个是将各工作站信息传到工业控制机。
下面以KJ93矿井监控系统的数据交换部件为例简要介绍它的组成。
2.1数据交换器的构成图
图3.2为数据交换器的组成原理图。
（1）PC机通过8255以及相关器件与交换器以并行方式交换数据信息。
（2）各工作站和数据交换器以串联方式交换数据信息。
（3）数据交换器由51单片机、8255接口芯片及其相关器件构成。
各器件功能简述如下：
U1：
为8031（或80C31）单片机。
主要功能是进行工作站管理。
以及控制8255与PC监控主机交换数据信息;
U2:
为62256随机存储器。
用于暂存个工作站采集到的数据，暂存PC主机发向个工作站的数据控制信息。
其数据地址空间：
0000H-7FFFH；
U3：
为2764数据交换器程序存储器。
用于存放交换器的控制程序；
U4：
8253定时/计数器。
交换器在管理工作站时为防止呼叫工作站而产生的程序死机而设置的唤醒计时器件。
芯片个口地址8403H，0计数器地址8400H，1计数器地址8401H，2计数器地址8402H；
U5：
为8255数据交换器件。
它的工作方式以及何时进行数据交换受到PC机的控制，该芯片以双向方式工作。
PC机驱动该芯片时各口地址依次为：
控制口地址为203H，A口地址为200H，B口地址为201H，C口地址为202H；
U6：
为74LS245双向数据驱动器口；
U7、U8:
为74LS244地址线驱动器件；
U9:
为74LS688地址数据比较器。
如果PC机发送到数据交换器的地址信息与它的内设地址相符，则数据交换器与PC机进行数据交换，否则。
各自进行独立工作；
U10：
为75176长线驱动器件。
用于485工作方式；
U11:
为74LS04振荡器构成器件。
输出的信号一方面供8031工作，另一方面共分频器工作；
U12：
为74LS138地址译码器件。
用于分配各器件地址。
8031单片机管理8255时地址为8800H；
管理8253时地址为：
计数器0口8400H，计数器1口8401H，计数器2口8402H，芯片的控制口8403H；
U13:
为74LS373锁存器，51系列单片机专用器件。
用于区分地址信息。
U14：
为MAX813L看门狗。
防止程序飞跑；
U15:
为74LS9212分频器件。
在图中所设的方式下输出频率约0.9MHz，这个信号送到定时器件8253的0计数器口中；
D1、D2：
为通信指示器件。
正常工作时交替闪烁。
DW1-DW4组成防过压阵列，保护电压约为5.1V，保护电流为1A。
其作用是防止由于长线上累积静电荷而产生过高的电压损坏75176器件，也有防静电感应雷的作用。
2.2数据交换器程序设计原理
2.2.1交换器的工作过程
交换器一经加电就以广播式自动呼叫各工作站，此时最大管理工作站数目为32个。
站址编号为1#-32#,B并将接收到的各工作站的数据以表格形式顺序暂存在62256中。
PC机通过8255接口芯片将信息送入数据交换器，信息内容主要是本系统所有在线工作站表。
这个站表送入数据交换器，则数据交换器立刻以现有站表管理工作站。
数据交换器和一个工作站交换一次数据后，查询一下是否和PC机交换数据，若能，则将所有在线工作站数据以并行方式送到PC机。
否则，将和下一个工作站进行数据通信。
PC机如果在一轮工作完成后，要求和数据交换器进行数据交换，则将请求标志送向交换器的存储器中。
在交换器完成当前工作站数据交唤后，立刻响应PC机，并进行数据交换。
这里重述这一点，就是交换器和工作站交换数据是以工作站为单位，而和PC机交换的数据是一批在交换时刻所有在线的工作站数据。
2.2.2程序设计
交换器的监控程序由3块组成：
主程序，其流程图如3.3所示；
PC机申请的中断服务程序，其流程图如图3.4所示；
定时器8253申请中断服务程序，其流程图如图3.5所示。
图3.4PC机申请中断服务程序流程图
主程序解释：
定时器控制TMOD为20H,置T1工作方式为2，作通信波特率发生器，置TO工作方式为0。
T1在晶振为11.05MHz,且波特率为600时常数为DOH。
图3.5定时器8253申请中断服务程序流程图
程序执行过程：
在主程序中各控制字以及最大方程式设置的站表区设置完成后，就依次和32各工作站进行通信。
工作站数目的改变以及工作站工作方式的改变受PC机所送站表和工作站方式信息的控制。
一口PC机由中断方式送入交换器站表和工作战后，立刻依据所送站表管理各工作站，并将控制信息依次送入各工作站。
交换器将收到的个工作站数据信息以站号（基址）加变址的方式有规律地形成各工作站数据区。
在进行某工作站管理时，如遇到某种原因，该工作站不在线（或损坏，或停电）时，则将该工作站数据区置“零”，并置通信失败标记。
如果交换器遇到pc机申请交换数据标志，则完成当前工作后，立即进入响应，完成成批数据交换后，又按顺序继续和工作站进行数据交换，按上述方式一直循环工作。
第四章监控系统的网络形式
如前所述，监控系统是由工作站、传感器、传输设备组成的复杂系统。
工作站从本质上讲是一个微型计算机系统，因此，工作站可以和地面计算机组成不同的结构，也即网络形式。
常见的网络形式有如下几种。
1树型网络结构
特点是系统中每一个分站使用一根传输电缆就近接到系统传输电缆上（如下图所示），采用这种结构可以使电缆用的最少。
缺点在工作站多时，传输线阻抗不易作到完全匹配，抗干扰能力差，使用时为提高抗干扰性通常采用屏蔽电缆。
由于目前实际使用中所用工作站不会超过30个，阻抗匹配问题不十分突出，无碍大局。
工作站
图4.1树型网络结构
2星型网络结构
系统的每一个工作站均通过专用的一根线连接主监控机。
如下图所示，从图中结构可以看出使用电缆相对较多。
这种系统目前多数已被淘汰。
图4.2星型网络结构
3环型网络结构
系统中各分站与中心站用一根电缆串在一起，形成一个环，如下图所示。
电缆需往复铺设，因此，使用电缆数量大于树型系统，小于星型系统。
图4.3环型网络结构
第五章煤矿监控系统的规划设计和安装调试
一个煤矿设备一套监控系统要经过规划设计、订货和安装调试等过程。
规划设计是由设计单位和煤矿设计人员共同完成的。
安装调试是由矿方负责安装，监控厂家和煤矿技术人员协同完成调试。
第一节监控系统规则设计的内
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