煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)
第一章 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 ......................................................... 2
1.1 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 .............................................................................. 2
1.2 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 .............................................................................. 2
第二章 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的組成 ..................................................................................... 3
2.1 地面中心站 .............................................................................................................................. 4
2.2 井下分站 .................................................................................................................................. 4
2.3 傳感器與控制器 ...................................................................................................................... 5
第三章 便攜式安全生產(chǎn)檢測裝置 ........................................................................................................ 5
3.1 熱催化式甲烷檢測報警儀的工作原理 ....................................................................................... 5
3.2 熱催化式甲烷檢測報警儀的主要性能指標 ............................................................................... 5
第四章 礦用監(jiān)控系統(tǒng)傳感器 ................................................................................................................ 6
4.1 智能遙控甲烷傳感器 .................................................................................................................. 7
4.1.1 甲烷傳感頭 .......................................................................................................................... 7
4.1.2 供電電源 .............................................................................................................................. 7
4.1.3 放大器及A/D變換器 .......................................................................................................... 7
4.1.4 紅外遙控器及接收器 .......................................................................................................... 7
4.1.5 單片機 .................................................................................................................................. 7
4.1.6 顯示電路 .............................................................................................................................. 8
4.2 一氧化碳傳感器 .......................................................................................................................... 8
4.2.1 電化學(xué)式KG3002型一氧化碳傳感器 ................................................................................ 8
4.3 溫度傳感器 .................................................................................................................................. 8
4.3.1 熱電偶、熱電阻及熱敏電阻溫度傳感器 .......................................................................... 8
4.3.2 半導(dǎo)體式溫度計 .................................................................................................................. 9
4.3.3 紅外光式溫度傳感器 .......................................................................................................... 9
4.4 開關(guān)量傳感器 .............................................................................................................................. 9
4.4.1 觸點傳感器 .......................................................................................................................... 9
4.4.2 干簧管傳感器 ...................................................................................................................... 9
4.4.3 光電傳感器 .......................................................................................................................... 9
4.4.4 電磁感應(yīng)式開關(guān)量傳感器 .................................................................................................. 9
第四章 礦山供電系統(tǒng) ............................................................................................................................ 9
4.1 礦井供電的類型 ........................................................................................................http://www.oriental01.com.................. 9
4.2 井下中央變電所 ........................................................................................................................ 10
4.2.1井下中央變電所的結(jié)線 ..................................................................................................... 10
4.2.2 井下中央變電所的位置和硐室布置 ................................................................................ 11
4.3 采區(qū)變電所 ................................................................................................................................ 12
4.3.1 采區(qū)變電所的結(jié)線 ............................................................................................................ 12
4.3.2 采區(qū)變電所的位置和硐室布置 （圖4-4） ................................................................... 12
4.4 綜采工作面供電與工作面配電點............................................................................................. 12
4.4.1 綜采工作面供電（圖4-5） ............................................................................................. 12
4.4.2 工作面配電點 .................................................................................................................... 12
第五章 礦用現(xiàn)場總線的選擇 .............................................................................................................. 13
礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是一種能夠自動采集和處理數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)控制的系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷超限斷電、停風斷電、通風系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控、煤與瓦斯突出預(yù)報、火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)報、水災(zāi)監(jiān)測與預(yù)報、礦山壓力監(jiān)測與預(yù)報等，從而減少瓦斯與煤塵爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)、頂板等災(zāi)害事故發(fā)生，有效地保障煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全。
第一章 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
《煤礦安全規(guī)程》第一百五十八條明確規(guī)定：“所有礦井必須裝備礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的安裝、使用和維護必須符合本規(guī)程和相關(guān)規(guī)定的要求�！�
自2000年以來，隨著國家對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的裝備大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率，同時也為該技術(shù)的正確選擇、使用、維護和企業(yè)安全生產(chǎn)信息化管理提出了更高的要求。
1.1 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，20世紀80年代初，從加拿大、法國、德國、英國和美國等引進了一批礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)（如DAN6400、TF-200、MINOS和SCADA），這些系統(tǒng)在我國煤炭行業(yè)中發(fā)揮了巨大作用，也為我國研制礦用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)提供了良好的借鑒。上述系統(tǒng)均是綜合型監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，但側(cè)重于安全參數(shù)的檢測和控制，且這些監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)存在如下問題：①性價比過低，即系統(tǒng)價格過高，難以承受；②主監(jiān)測機的系統(tǒng)軟件在文檔處理上有些不符合我國企業(yè)實際情況；③井下工作站的體積、質(zhì)量比較大；④技術(shù)服務(wù)上有缺陷；⑤有些系統(tǒng)的技術(shù)并非一流。
在引進國外監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的同時，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實際情況，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。目前，這些系統(tǒng)已經(jīng)在我國煤礦得到廣泛運用。實踐表明，安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用，各局礦已作為一項重大安全裝備。由于當時相當一部分監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)由于技術(shù)水平低、功能和擴展性能差、現(xiàn)場維修維護和技術(shù)服務(wù)跟不上等原因，或者已淘汰、或者停產(chǎn)。因此造成相當一部分礦井無法繼續(xù)正常使用已裝備的系統(tǒng)。特別是近年來由于老系統(tǒng)服務(wù)年限將至，已無繼續(xù)維修維護的必要，系統(tǒng)面臨更新改造的機遇。
隨著電子技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，國內(nèi)各主要科研單位和生產(chǎn)廠家又相繼推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理系統(tǒng)。同時，在“以風定產(chǎn)，先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控”十二字方針和煤礦安全規(guī)程有關(guān)條款指導(dǎo)下，規(guī)定了我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井必須裝備礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。因此，大大小小的系統(tǒng)生產(chǎn)廠家如雨后春筍般的不斷出現(xiàn)，為用戶提供了更多的選擇機會、也促進了各廠家在市場競爭條件下不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)意識。
1.2 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是著眼于我國煤礦安全生產(chǎn)的實際，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在未來將按照信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化的方向發(fā)展。
（1）自身性能的不斷提高
a) 提高傳感器的質(zhì)量
提高各種傳感器的質(zhì)量，特別是要研制高可靠性的瓦斯傳感器，使其在智能性、耗能、體積、使用壽命、工作穩(wěn)定性和調(diào)校周期等方面均有所提高和改善。
b) 應(yīng)用智能化的電氣設(shè)備
在系統(tǒng)中應(yīng)用智能化的高壓開關(guān)柜、高壓真空饋電開關(guān)、低壓真空饋電開關(guān)等，向系統(tǒng)提供多參數(shù)的信息（如電流、電壓、單相/三相漏電電流、開關(guān)運行狀態(tài)、開關(guān)機械/電氣閉鎖狀態(tài)等），以減少由電氣火災(zāi)引起礦井瓦斯爆炸的可能性。
c) 使用高性能的運算處理系統(tǒng)
使用運算處理速度更快、運算處理性能更高的CPU，以提高煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對各種復(fù)雜信息的處理能力和處理速度。
另外，使用大屏幕液晶顯示技術(shù)，可以使煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)既能夠顯示各種表格，又能夠顯示各種可視圖像。
d) 應(yīng)用新型控制技術(shù)
現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是一種新興技術(shù)，它代表了現(xiàn)場測控技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向。以現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是必然趨勢，這種新模式必然會促進和推動煤礦電氣控制技術(shù)的發(fā)展，并推動煤礦向采煤自動化方向邁進。
使用以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)建立的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)具有現(xiàn)場總線的所有特點，即總線結(jié)構(gòu)、數(shù)字串行通信、多點（廣播）方式、接受過濾功能、全分散等。
（2）網(wǎng)絡(luò)性能的不斷完善
a) 統(tǒng)一的通信協(xié)議
針對通信協(xié)議不規(guī)范和傳輸設(shè)備物理層協(xié)議不規(guī)范的問題，應(yīng)盡快尋找一種解決系統(tǒng)兼容性的途徑或制定相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)標準，這對促進礦井監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。
b) 網(wǎng)絡(luò)化的范圍不斷擴大
目前，煤炭企業(yè)裝備的計算機網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的資源共享。今后的.趨勢是全國的煤炭企業(yè)進行聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)更大范圍的資源共享。
（3）智能性能的不斷增強
a) 提高生產(chǎn)決策的能力
煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦生產(chǎn)過程的監(jiān)測監(jiān)控，而且還能根據(jù)被監(jiān)測環(huán)境的參數(shù)進行有效的危險性辨別和分析，以提出專家的生產(chǎn)決策方案。
b) 提高預(yù)報預(yù)測的能力
根據(jù)煤礦各種歷史數(shù)據(jù)，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠進行趨勢分析，以提高對瓦斯等災(zāi)害因素的預(yù)報預(yù)測能力和水平。
c) 提高預(yù)防災(zāi)害的能力
在事故即將發(fā)生之際，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能利用安全防護設(shè)備，控制災(zāi)害發(fā)生，減少災(zāi)害損失。
第二章 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的組成
早期的礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、斷電儀、載波機、傳輸線、解調(diào)器、計算機、調(diào)度顯示盤等組成。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前的礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)測監(jiān)控終端、地面中心站、通信接口裝置、井下分站、各種傳感器等組成。其典型結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。
圖1-1 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 地面中心站
地面中心站能夠?qū)崿F(xiàn)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、顯示、查詢、儲存、打印等功能，另外，操作員發(fā)出的設(shè)備控制命令也是通過地面中心站完成的。
生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測主要是指監(jiān)控井上、井下主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)，如煤倉煤位、水倉水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；水泵、提升機、局部通風機、主要通風機、帶式輸送機、采煤機、開關(guān)、磁力起動器等的運行狀態(tài)和參數(shù)等。
環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測主要是指監(jiān)測煤礦井下各種有毒有害氣體及工作面的作業(yè)條件，如高濃度甲烷氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳濃度、氧氣濃度、風速、負壓、井下空氣溫度、巖煤溫度、頂板壓力、煙霧等。
同時，地面中心站也有顯示測量參數(shù)、數(shù)據(jù)報表、曲線顯示、圖形生成、數(shù)據(jù)存儲、故障統(tǒng)計和報表、報告打印功能。其中，部分系統(tǒng)可實現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)連接功能，并采用國際通用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)終端與中心站之間實時通信和實時數(shù)據(jù)查詢等功能。
2.2 井下分站
盡管監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的井下分站形式多樣，但基本上都具備如下功能：
（1）開機自檢和本機初始化功能；
（2）通信測試功能；
（3）分站具有自動控制功能（實現(xiàn)斷電儀功能、風電瓦斯鎖閉功能、瓦斯管道監(jiān)測功能和一般的環(huán)境監(jiān)測功能等）；
（4）死機自復(fù)位功能，且可以通知中心站；
（5）接收地面中心站初始化本分站參數(shù)設(shè)置功能（如傳感器配接通道號、量程、斷電點、報警上限和報警下限等）；
（6）分站自動識別配接傳感器類型（電壓型、電流型或頻率型等）；
（7）分站自身具備超限報警功能；
（8）分站接收中心站對本分站指定通道輸出控制繼電器實施手控操作功能和異地斷電功能。
2.3 傳感器與控制器
傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能正確反映被測環(huán)境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。目前國內(nèi)生產(chǎn)和用于煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器主要有瓦斯、一氧化碳、風速、負壓、溫度、煤倉煤位、水倉水位、電流、電壓和有功功率等模擬量傳感器，以及機電設(shè)備開停、機電設(shè)備饋電狀態(tài)、風門開關(guān)狀態(tài)等開關(guān)量傳感器。以上傳感器的開發(fā)和應(yīng)用基本滿足了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控的需要，但國產(chǎn)傳感器在使用壽命、調(diào)校周期、穩(wěn)定性和可靠性方面與國外同類產(chǎn)品相比還有很大差距，某些傳感器（如瓦斯傳感器）的穩(wěn)定性還不能滿足用戶的需要。
煤礦井下使用的控制器主要是指各種規(guī)格的斷電儀，其主體是由繼電器構(gòu)成，該斷電儀的壽命長，可靠性高。
第三章 便攜式安全生產(chǎn)檢測裝置
煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測裝置種類很多，一般分為便攜式檢測裝置和系統(tǒng)式檢測裝置。便攜式檢測裝置以其質(zhì)量輕、便于攜帶等特點，被廣泛應(yīng)用于煤礦中。目前，煤礦用便攜式檢測裝置主要用來檢測甲烷、一氧化碳、氧氣、硫化氫等，最為常用的是便攜式甲烷檢測報警儀。
便攜式檢測裝置應(yīng)當具備以下功能：①低功耗；②具有實時數(shù)據(jù)及時鐘顯示；③具有聲光報警并可設(shè)置、調(diào)整報警點；④可燃氣體傳感器高濃度保護功能；⑤可燃氣體傳感器故障自檢，可更換傳感器；⑥電池欠壓提示。
便攜式甲烷檢測報警儀根據(jù)其工作原理可分為很多種，如光干涉式甲烷檢測報警儀、熱導(dǎo)式甲烷檢測報警儀、熱催化式甲烷檢測報警儀等。目前，國內(nèi)外廣泛采用的是熱催化式甲烷檢測報警儀，主要原因是熱催化式甲烷檢測報警儀具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、受背景氣溫和溫度影響小、輸出信號電流大、信號處理顯示方便、易實現(xiàn)自動檢測等優(yōu)點。
3.1 熱催化式甲烷檢測報警儀的工作原理
熱催化式甲烷檢測報警儀的工作原理是：利用甲烷在催化元件（俗稱黑白元件）上的氧化生熱（也稱無煙燃燒）使催化元件的阻值發(fā)生變化，由催化元件和電阻組成的惠斯通電橋失去平衡，當瓦斯在元件表面發(fā)生無煙燃燒時，元件溫度升高，阻值增大，電橋輸出與瓦斯?jié)舛瘸杀壤碾妷盒盘枺ㄟ^測量電信號的大小，達到檢測甲烷濃度的目的。根據(jù)這一原理制成的便攜式甲烷檢測報警儀大體分為兩類：一類是由電橋輸出的信號，直接驅(qū)動電表指示甲烷濃度；另一類是電橋輸出的信號經(jīng)放大后，驅(qū)動電表或數(shù)字電路顯示甲烷濃度，放大后的信號還可連接聲光報警電路，提示甲烷濃度超限。信號經(jīng)比例放大后分為兩路，一路為經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、譯碼、驅(qū)動和數(shù)字顯示等形成的電路；另一路為經(jīng)電壓比較、驅(qū)動和聲光報警等形成的電路。
3.2 熱催化式甲烷檢測報警儀的主要性能指標
（1）儀器按使用功能可分為檢測儀（以顯示功能為主的儀器，以下稱A類儀器）、報
警儀（以報警功能為主的儀器，以下稱B類儀器）和測報儀（兼有顯示和報警兩種功能的儀器，以下稱C類儀器）。
（2）儀器測量范圍：①0～3% CH4；②0～4% CH4；③0～10% CH4. （3）儀器報警點設(shè)置范圍可采用：（0.5%～2%）CH4。
（4）儀器應(yīng)能適應(yīng)的環(huán)境條件：貯存溫度為-40～60℃，工作溫度為0～40℃，相對濕度不大于98%，氣壓為68～115kPa，風速為0～8m/s。
（5）儀器的基本功能：①A類和C類儀器的顯示值應(yīng)有兩位以上（含兩位）有效讀數(shù)，且有顯示值極性標志；②B類和C類儀器應(yīng)有報警和報警自檢功能；③各類儀器均應(yīng)有電源欠壓自動關(guān)斷功能和防高濃度甲烷沖擊措施。
（6）與儀器配套使用的充電器，應(yīng)有充電指示及防過充功能，應(yīng)保證充電效果良好。
（7）儀器允許的基本誤差應(yīng)符合表2-1的要求，儀器允許的報警誤差應(yīng)符合表2-2的要求。
表2-2 報警誤差
（8）儀器的工作位置偏離規(guī)定狀態(tài)時，顯示值或報警點產(chǎn)生的附加誤差應(yīng)在±0.03% CH4范圍內(nèi)。
（9）檢測元件連續(xù)工作的儀器，其儀器的響應(yīng)時間應(yīng)不大于30s；間斷工作的儀器，其儀器的響應(yīng)的時間應(yīng)不大于15s，其中，自動間斷工作的儀器，其響應(yīng)時間還應(yīng)比其設(shè)定的測量時間少5s。
（10）儀器的報警功能應(yīng)符合下列要求：①報警點應(yīng)能在(0.5%～2%)CH4范圍內(nèi)任意設(shè)置；②報警時，在距訊響器1m遠處，供班組集體使用的儀器，其報警聲音應(yīng)不小于80dB，且報警光信號在暗處的能見度應(yīng)不小于20m。
（11）儀器的電源應(yīng)采用無“記憶效應(yīng)”電池或采取防“記憶效應(yīng)”措施。電池正常充電后，各種儀器的工作時間應(yīng)不小于9h；工作中，儀器均不應(yīng)出現(xiàn)欠壓和超差，且B類和C類儀器的報警性能應(yīng)正常。
（12）儀器連續(xù)運行7d時（每天工作9h），其基本誤差或報警誤差不應(yīng)超差。
第四章 礦用監(jiān)控系統(tǒng)傳感器
煤礦井下各種有用、有害氣體及溫度和濕度等參數(shù)，都屬于環(huán)境參數(shù)。礦井環(huán)境參數(shù)主要有甲烷濃度、氧氣濃度、粉塵濃度、井巷硐室和工作面溫度、風量與負壓、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、二氧化硫濃度和硫化氫濃度等。
采煤、掘進、運輸、及通風等各系統(tǒng)的運行及相關(guān)設(shè)備的工作狀況稱為礦井工況參數(shù)。主要監(jiān)測的工況參數(shù)有風筒風量、風門開關(guān)、輸送帶開停、煤倉煤位、采煤機組位置、排水系統(tǒng)、壓風系統(tǒng)、主要通風機工作狀態(tài)等工況參數(shù)。
傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號處理電路3部分組成，有時需要加輔助電源，其組成原理如圖4-1所示。
圖4-1 傳感器組成原理
4.1 智能遙控甲烷傳感器
智能遙控甲烷傳感器是組成監(jiān)控系統(tǒng)的一種智能型檢測儀表。它可以配接各種型號的井下分站、風電瓦斯閉鎖裝置、斷電儀等設(shè)備，用于檢測煤礦井下空氣中的甲烷含量。
KGY-002A型智能遙控甲烷傳感器由供電電源、甲烷傳感頭、檢測電橋、放大器、A/D變換器、紅外接收頭、單片機及顯示電路和輸出電路等組成。
4.1.1 甲烷傳感頭
甲烷傳感頭由氣室、黑白元件等組成，黑白元件是一種對甲烷氣體很敏感的載體催化元件，白元件是補償元件。黑白元件作為檢測電橋的兩臂，另兩臂由電阻組成。將黑白元件置于同一氣室中，施加工作電壓。無甲烷時，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出約為0；當甲烷氣體進入氣室，接觸到黑白元件表面時，在其表面進行無焰燃燒，元件的溫度升高，阻值增大。而白元件不發(fā)生反應(yīng)，阻值不變，于是破壞了檢測電橋平衡，在一定的甲烷濃度范圍內(nèi)，產(chǎn)生正比于甲烷濃度的直流電壓輸出信號。檢測電橋的電位器是用來調(diào)節(jié)零點的。零點即甲烷濃度為0時放大器的輸出電壓，一般為0.25V。
4.1.2 供電電源
由分站提供的DC8～22V電壓，經(jīng)傳感器中高效DC-DC變換成3V和5V，分別供檢測電橋和儀表線路使用。
4.1.3 放大器及A/D變換器
檢測變換器的輸出為差動式毫伏級信號，通過直流放大器進行放大并變成單端輸出，通過A/D變換器將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號送入單片機進行運算和處理。
4.1.4 紅外遙控器及接收器
紅外遙控器將各種指令轉(zhuǎn)換成串行紅外光編碼信號發(fā)送出去。接收器將串行紅外光編碼信號轉(zhuǎn)換成串行電數(shù)碼信號送入單片機進行處理，完成各種功能。
4.1.5 單片機
傳感器采用一次性編程的AT87C52單片機。儀表內(nèi)部有看門狗電路，程序正常運行時會不斷地抑制看門狗。當程序運行不正常時，看門狗就自動發(fā)出一個硬件復(fù)位信號。
當甲烷濃度達到報警值時（1%CH4）,單片機報警，產(chǎn)生聲光報警信號。當甲烷濃度達
4.1%CH4時，單片機控制切斷供給甲烷傳感頭的電源，保護黑白元件。此時，傳感器顯示值和輸出信號值均為超載狀態(tài)。2min后自動脫離保護狀態(tài)，重新檢測。當甲烷濃度低于
4.1%CH4時，橋路正常供電；若甲烷濃度仍超過4.1%CH4時，則重新進入2min保護周期。傳感器顯示值和輸出信號值仍保持在超限狀態(tài)。
4.1.6 顯示電路
顯示電路由四位數(shù)碼管組成。最高位數(shù)碼管用來顯示功能代碼，或在零點漂移為負時顯示“-”號，并且數(shù)字閃爍。后三位在調(diào)校時顯示功能代碼號對應(yīng)的內(nèi)容，正常檢測時顯示甲烷濃度。顯示窗內(nèi)的紅色發(fā)光指示等閃亮時，表示信號輸出線路通暢；若燈滅，表示信號線路不通。
4.2 一氧化碳傳感器
煤礦常用的一氧化碳檢測儀器有電化學(xué)式、紅外線吸收式、催化氧化式等。國內(nèi)外煤礦廣泛使用的是電化學(xué)式一氧化碳傳感器。
4.2.1 電化學(xué)式KG3002型一氧化碳傳感器
各種物質(zhì)在氧化還原時都有一定的氧化還原電位，一氧化碳的氧化還原電位式是0.9～
1.1V，在該電位條件下，一氧化碳可生成二氧化碳。根據(jù)這一原理，氧化還原過程中必然會產(chǎn)生離子電流，因此，只要測出離子電流的大小，即可測算出一氧化碳的濃度值。采用這一原理研制的KG3002型一氧化碳傳感器，在KJ系列安全監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛使用。
KG3002型一氧化碳傳感器是一個裝有3只（或2只）電極的電化學(xué)池。設(shè)W為工作極，C為對極，R為恒電位極。當一氧化碳氣體擴散進入工作極時，首先在工作極處產(chǎn)生氧化反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為 ?2CO?2H2O?2
同時，在對極處，產(chǎn)生還原反應(yīng)，其反應(yīng)方程
式為 O2?4H??4e?2H2O 在上述反應(yīng)中，工作極氧化放出電子e，對極還原獲得電子e，因此，在工作極與對極之間
形成電子流動，即發(fā)生了電流。所以，只要測
出氧化還原過程中電化學(xué)池內(nèi)離子電流的大
小，就可測算出一氧化碳濃度的高低。
圖4-2 電化學(xué)式KG3002型一氧化碳傳感器示意圖
4.3 溫度傳感器
4.3.1 熱電偶、熱電阻及熱敏電阻溫度傳感器
將兩種不同的金屬材料焊接在一起，當兩種不同金屬材料的兩個點（冷端和熱端）存在溫差時，將在金屬材料間產(chǎn)生與溫差成正比的溫差電勢，如將回路閉合，就會形成電流。電阻值與溫度成正比，基于以上原理制成了熱電偶溫度傳感器。
熱電阻溫度傳感器是利用某些金屬材料對溫度的敏感特性而工作的。熱敏電阻溫度傳感器可分為溫度升高時電阻值增大的正溫度系數(shù)型和溫度升高時電阻值減少的負溫度系數(shù)型，兩者都是利用半導(dǎo)體材料對溫度的敏感特性而實現(xiàn)溫度測量的。
4.3.2 半導(dǎo)體式溫度計
利用半導(dǎo)體二極管、三極管中PN結(jié)對溫度的敏感性，可以方便地實現(xiàn)溫度測量。AD590型集成電路溫度傳感器就是將晶體管與放大電路等元件集成在一塊很小的電路芯點，在礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
4.3.3 紅外光式溫度傳感器
紅外光式溫度傳感器是根據(jù)紅外輻射原理工作，因為任何物質(zhì)當溫度超過絕對零度（-273℃）時均會產(chǎn)生紅外輻射，輻射功率P隨物體溫度增高而增大。輻射功率的計算公式為 P???T
式中 ?——常數(shù)，??5.6697?10?12W/(cm2?K4) ；
?——比輻射率，對于絕對黑體，??1.0；非絕對黑體，0
由上式可知，采用合適的敏感元件測出紅外輻射功率，然后推算出物體溫度，就可實現(xiàn)測溫目的。紅外測溫具有測溫范圍廣、反應(yīng)快、靈敏度高、不影響被測溫度場分布等優(yōu)點。 4
4.4 開關(guān)量傳感器
煤礦安全生產(chǎn)中，除了對甲烷、一氧化碳和風速等進行監(jiān)控外，為了隨時全面了解全礦的生產(chǎn)、工作狀況，統(tǒng)計設(shè)備利用率，還要對主要機電設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、風門狀態(tài)進行監(jiān)控。
4.4.1 觸點傳感器
觸點傳感器是利用接觸器或繼電器的接點來表示開關(guān)狀態(tài)的。接點有常開/常閉之分，還有接點容量大小、耐壓高低等指標，使用時應(yīng)注意。利用觸點的動作可以反映局部通風機風筒是否被風吹得鼓起，從而判斷局部通風機送風狀態(tài)。觸點傳感器的接點簡單、實用，是應(yīng)用較廣泛的傳感器。
4.4.2 干簧管傳感器
干簧管是由小玻璃管內(nèi)安裝導(dǎo)磁性能的簧片制作而成。在附近無磁場時，簧片處于接通，當有磁場靠近時，簧片被磁化產(chǎn)生磁力，使簧片（也是接點）由閉合轉(zhuǎn)為斷開。干簧管應(yīng)用很廣泛，將干簧管固定在井下風門的門框上，在門上安裝一塊永久磁鐵，門在關(guān)閉位置時，干簧接點即可動作。
4.4.3 光電傳感器
利用光電器件可以方便可靠地傳遞開關(guān)信息。用監(jiān)測系統(tǒng)提供的本質(zhì)安全型電源為發(fā)光二極管供電，當被控設(shè)備接點動作時，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，其光線照射光敏管而使其導(dǎo)通，此光敏管可控制非本安電路的導(dǎo)通和關(guān)斷。
4.4.4 電磁感應(yīng)式開關(guān)量傳感器
電磁感應(yīng)式開關(guān)量傳感器使基于電磁感應(yīng)原理工作的，當對稱的三相交流電流過三芯電纜時，因其合成磁場為0，故檢測不到磁場。但如果使用非閉合鐵芯，并使之靠近三相中的某一相時，就可以監(jiān)測到該相的漏磁場。
第五章 礦山供電系統(tǒng)
5.1 礦井供電的類型
1）礦井供電方式的決定因素：井田范圍、煤層開采深度、開采方法、年產(chǎn)量、涌水量、負荷大小等綜合因素進行。
2）分類：深井和淺井兩種類型。
圖 5-1 深井供電系統(tǒng)
a) 特點：設(shè)立中央變電所。
b) 決定因素：煤層深，井下負荷大、涌水量大等。如平煤各生產(chǎn)礦。 c) 組成：地面變電所、井下中央變電所和采區(qū)變電所。
d) 供電回路數(shù)：兩路或兩路以上。
5.2 井下中央變電所
5.2.1井下中央變電所的結(jié)線
如圖5-2
圖5-2 井下中央變電所主結(jié)線
（１）單母線分段結(jié)線：可靠性高，負荷大（獨立雙電源）：對一二類負荷供電．獨立電源：對二三類負荷供電．
（２）運行方式：母線采用分列運行。
（３）適用情況；可靠性高、負荷大（獨立雙電源）、對一二類負荷供電。
5.2.2 井下中央變電所的位置和硐室布置
（1）位置選擇原則：負荷中心、通風、交通、運輸、進出線、頂板、無淋水等。
（2）硐室要求：耐火材料、尺寸、大小、通道、20%余地。出口、柵欄門、防火門、外開門、標高等。
（3）設(shè)備布置（圖5-3）
圖5-3 井下中央變電所設(shè)備布置 1-變壓配電箱；2-硅整流器柜；3-直流配電箱；4-低壓配電裝置； 5-礦用變壓器；6-防火鐵門；7-鐵柵欄門；8-電纜溝 11
a) 布置原則：安全、方便、留有余地。
b) 布置方式：①高壓、低壓設(shè)備分開②留有檢修間距③留有備用設(shè)備余地是總回路數(shù)量的20%。
5.3 采區(qū)變電所
任務(wù)：接受中央變電所高壓電能、變壓、配出低壓電能。
5.3.1 采區(qū)變電所的結(jié)線
考慮因素：電源回路數(shù)、負荷大小、變壓器臺數(shù)等。
（1）單電源進線。接線圖（4-4），適用于：負荷小的工作面，炮采工作面。
（2）雙電源進線。接線、分列運行。適用對象；綜采工作面或下山采區(qū)、有排水泵的采區(qū)變電所。
5.3.2 采區(qū)變電所的位置和硐室布置 （圖5-4）
與井下中央變電所的位置和硐室布置類同。
圖5-4 采區(qū)變電所 （a）主結(jié)線；（b）設(shè)備布置 1-高壓配電箱；2-礦用變壓器；3、4-低壓隔爆自動饋電開關(guān)； 5-照明變壓器綜合裝置；6-檢測繼電器
5.4 綜采工作面供電與工作面配電點
5.4.1 綜采工作面供電（圖5-5）
①高壓深入負荷中心。
②組成：采區(qū)配電所—移動變電站—工作面。
③設(shè)備布置；圖5-5。
5.4.2 工作面配電點
①引入：停送電方便，設(shè)備多或距離采區(qū)變電所較遠。
②組成：采區(qū)變電所---工作面配電點方式。
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第六章 礦用現(xiàn)場總線的選擇
現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不僅引起測控及過程自動化領(lǐng)域的變革，同時也給煤礦監(jiān)控技術(shù)的跨越式發(fā)展帶來了新機遇。
由于煤礦井下的特殊環(huán)境（易燃易爆、潮濕、電網(wǎng)電壓波動大、監(jiān)控距離遠等），礦用現(xiàn)場總線不能照搬一般工業(yè)現(xiàn)場總線標準，需要根據(jù)礦井監(jiān)控的特點，經(jīng)過技術(shù)移植和改造，開發(fā)出適合礦井生產(chǎn)環(huán)境的礦用現(xiàn)場總線。
目前，國內(nèi)應(yīng)用于控制及儀表領(lǐng)域的現(xiàn)場總線主要有FF、Profits、CAN、LonWorks等。FF總線H1是用于過程控制的總線，其響應(yīng)速度較低。雖支持總線供電，但其安全柵的功率僅為600mW，開發(fā)難度較大，故H1不能滿足礦井要求。
Profits的開發(fā)比FF相對容易。它的物理層允許3種物理接口，即RS485、IEC61158-2和光纖標準。IEC61158-2標準與FF總線H1的物理接口相同，RS485在100bps時傳輸距離可達4km以上，加上中繼器可滿足煤礦要求，但其收發(fā)器抗共模電壓低，若用于煤礦，應(yīng)予以改造。
CAN總線具有成本低、開發(fā)容易、實時性好、抗噪功能性強等優(yōu)點，傳輸速率組稿為1Mbps（傳輸距離為40m時），最大距離達到10km（傳輸速率為5kbps），節(jié)點數(shù)最多為110個，若加中繼器或網(wǎng)關(guān)等可擴展。CAN總線只有物理層、鏈路層和應(yīng)用層，對CAN總線進行本安設(shè)計，將它應(yīng)用于煤礦井下是一個較理想的方案。
LonWorks是一種性能優(yōu)良的現(xiàn)場總線，有完善的開發(fā)工具，且容易開發(fā)，在物理層上支持雙絞線、電力線、同軸電纜、無線、紅外、光纖等多種介質(zhì)。用雙絞線時，有78kbps（2.7km）、125Mbps（130m）等速率，易于實現(xiàn)總線本安供電。因此，煤礦井下采用LonWorks技術(shù)也是一種較好的方案。
煤礦安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要用于測量自然環(huán)境參數(shù)，如甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、風速風向、負壓、溫度、濕度、粉塵濃度等。上述現(xiàn)場總線用于井下，必須考慮供電問題。
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