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第七章分站式监控系统 讲授 薛鹏骞电子信息系自动化教研室 本章主要内容 1 监控系统概述2 KJ83分站式监控系统的功能结构3 KJ83N型煤矿综合监控系统4 KJ95型矿井监控系统5 KJ4 2000型矿井监控系统 本章主要介绍监控系统组成 功能及典型分站式监控系统实例 内容有KJ83安全监控系统和分站主要功能 软件及硬件电路 KJ83N型煤矿综合监控系统及分站工作原理 KJ83监控操作系统与应用 KJ95 KJ4矿井监控系统的信息传输控系统及其主站 分站通信工作原理等 一 监控系统概述 煤矿安全监控系统的主要功能 1 环境监测 主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业环境 如甲烷气体浓度 一氧化碳 氧气浓度 风速 负压 温度 烟雾等 实时数字量显示 2 生产监控 主要监控井上 下主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态参数 如煤仓煤位 水仓水位等模拟量 水泵 提升机 胶带机 采煤机等运行状态和参数等 实现生产的自动监测与监控 监控系统的组成 图7 1一般矿井监控系统 一般矿井监控系统的组成 1 主要采用主站 或中心站 分站 传感器 包括执行机构 的3层结构 2 每一个传感器采用一根电缆与分站相连 构成星形结构 分站与主站一般采用树形结构 或环形 星形结构 分站与现场设备之间采用模拟信号传输 信号制式采用模拟量1 5mA或200 1000Hz 开关量为有无电位接点 1 5mA和200 1000Hz 3 供电方式为分站集中供电或传感器就地供电 4 分站与井上主站之间采用异步数据通信方式 监控系统工作过程 1 由传感器对煤矿井下各种环境参数 重要设备运行状态进行实时监测 并将信号实时显示或发出报警信号 再传至地面中心站 主站 2 中心站监控软件显示分析 处理后将信息发送给井下分站 由分站执行控制信号 3 中心站实时存储井下发送来的各类数据和时间 生成数据库和报表 并进行超限提示 报警等 4 同时通过局域网数据上传给管理层 以进行信息决策 一般矿井监控系统的缺点 1 系统存在传输电缆用量大 成本高 可靠性差等问题 2 而且传感器必须经分站接入系统 存在信息传递的 瓶颈 问题 3 由于采用主从式结构 主站的可靠性将影响整个系统 当主站发生故障时会造成系统瘫痪 4 现有的煤矿监控系统大量使用了串行通信总线 如RS 232 RS 485或基于上述的调制解调器传输方式等 一般采用主从式结构 分站缺乏统一的规范和通信协议 传感器和控制器等多为非智能化设备 一些监控子系统也没有设置现场总线接口 分站式矿井现场总线监控系统 图7 2分站式现场总线监控系统 图7 3矿井现场总线监控系统 上述两种总线 采用CAN总线技术既可以是主从方式工作 也可以在无主方式下工作 当以无主方式工作时 网络上的任意节点均可在任何时刻主动向其他节点发送信息 提高了系统的可靠性 克服了主从式网络主节点的传输瓶颈问题 一种实际矿井总线监控系统 二 KJ83分站式安全监控系统 1 KJ83型煤矿安全监控系统是由我国煤炭科学研究总院研发的产品 主要用来监测 监控煤矿井下各种有毒有害气体 各种机电设备的工作状态 2 该系统软件采用数据库技术 多进程和多线程的并行技术 增强系统的实时通信能力 为用户提供高效 稳定 实时性强的矿井安全监测参数数据采集 存储 管理和分析功能 可运行于in98 2000 XP系列Windows平台 图7 5KJ83煤矿安全监控系统原理图 传输接口 传输接口 分站 传感器 1 监控系统组成 KJ83煤矿安全监测 监控系统由地面中心站 调制解调器 井下分站 各种矿用传感器 矿用机电控制设备及KJ83安全监测 监控软件组成 监控系统工作过程 1 监控主机接收各监控分站上传的信息 各监控分站按照一定的采样周期对该分站所连接的各传感器信号 开关量 模拟量和累计量 进行检测 2 当需要对井下供电设备进行控制时 监控主机将控制命令传给分站 由分站通过控制端口输出控制信号 达到控制井下供电设备的目的 3 监控主机 将接收到的各种传感器实时信号进行处理和存储 通过显示器 大屏幕等显示 可显示各种传感器数据的实时或历史曲线 柱状图等 打印各种报表 同时可通过数据上传软件将监测数据上传至监控中心 4 KJF39型监控分站 以下简称分站 以AT89C52微处理器为核心的微处理机系统 主要任务 将传感器对矿井实时采集的数据参数 处理后实时地向地面主机传送 接收和执行地面主机发出的各种控制命令 完成对关键生产场所的安全监测与控制 2 KJ83监控系统主要技术指标 1 系统容量可配接64个监控分站 A型分站 8路模拟量 8路开关量输入 6路开关量输出 B型分站 4路模拟量 4路开关量输入 4路开关量输出 2 信息传输采用FSK移频键控两芯无极性传输传输速率 1200bps或2400bps最大传输距离 不小于15km误码率 10 8系统巡检时间 25s精度 相对误差 0 5 3 传输性能可靠a 信息传输采用FSK移频键控技术 抗干扰能力强 传输故障率低 采用两芯电缆无极性传输 输入输出隔离 具备独特的防雷特点 b 传输接口装置是一个智能接口 它能跟据中心站软件对它的初始化参数巡检整个系统分站 减少主机数据调用 处理控制时间 且使整个系统运行可靠性提高 4 数据存储整个系统采用 变值变态 疏密结合 数据库动态生成 的存储方法 使系统的数据存储更为合理 3 系统特点 1 系统监测监控瓦斯等环境参数 以及主扇 局扇风机开停等生产运行参数 系统实现了风电瓦斯闭锁功能和全矿井的瓦斯超限断电功能 2 系统能够监测监控电流 电压 电量 顶板压力 位移等参数 并且提供了对顶板压力 位移的报警分析 3 系统软件运行在Windows2000 2003 XP等中文操作平台上 采用多进程多线程技术实时并发处理多任务技术 net技术 数据库技术编制 软件功能丰富 4 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 解决了数据维护的问题 5 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 6 系统配有专用的组态图形编辑软件 用于动态图元素和煤矿巷道的绘制 所有的动态 静态图形都可由矿方操作人员绘制 7 系统软件具有二次数据定义的功能 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 8 系统的监控设备 配套传感器 执行器种类齐全 传感器配有遥控器 调校方便 使用寿命长 9 系统配套的分站都能实现风电甲烷闭锁 甲烷超限断电仪的功能 脱离系统分站可独立运行并且能实现风电甲烷闭锁 传感器参数在地面中心站定义生成 下发到分站 实现分站免编程 10 系统配套的分站的模拟量端口与开关量端口可互换 能显示日期 时间 供电状态和分站的地址 波特率 通讯状态 11 系统能与KJ236人员定位考勤系统和KJF 05主通风机在线监控系统共缆运行 减少投资 12 系统向外提供统一的数据接口 便于管理部门联网监管以及与其它数据分析系统实现资源共享 7 2 2监控分站及主要功能型号含义 KJF39监控分站内含本质安全电源 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 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AC220V5A DC12V 1 通用分站功能分站作为通用分站具备如下功能 1 分站能按照预先设定 自动循环采集各种传感器信息 2 分站能与地面中心站主机进行通讯 接受主机命令信息 执行切断被控设备电源等操作 3 分站能以一定的时间间隔循环显示被测参数数值 显示开关量状态 4 分站具有甲烷超限报警功能 由传感器发出声 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 5 分站具有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 2 风电甲烷闭锁装置功能分站作为风电甲烷闭锁装置时 配接三路甲烷传感器和局部通风机开停传感器 具有以下功能 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 装置能自动解锁 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 装置输出切断串联工作面动力电源信号并闭锁 当甲烷浓度低于0 5 CH4时 系统能自动解锁 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源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 3 根据中心站定义 分站具有接受异地分站控制或控制切断异地电气设备功能 4 当交流电源停电时 后备电源能自动投入工作 时间 2h 7 2 3监控分站结构特征1 结构防爆型式监控分站防爆型式为隔爆兼本质安全型结构 2 电源部分电源为隔爆腔体内 输入为AC380V 660V电源 输出为五路本安电源至本安腔 腔内装有2Ah电池 电源组成 1 输入变压器 2 备用电池 3 电源板 开关稳压电路模块 本安电路 电池充放电路 4 接线端子 3 信号处理部分 信号处理部分在本安腔内 为本安结构 三部分组成 1 分站信息板 2 传感器输入插座 3 传输接口插座4 断电控制部分4路断电输出 继电器 在隔爆腔电源板上 由分站主板直接控制 断电输出可控制4路机电设备 分站电源板上提供远程断电控制输出端子 可连接外部远程断电器 7 2 4电路结构及工作原理KJF39型监控分站共有两个主要部件 信息板和电源板 电路集中在主控信息板上 监控分站通过监测管理软件可实现单片机与地面主机的通讯 模拟量和开关量数据接收 处理以及风电瓦斯闭锁等控制 LED数码管用于显示监控数据和状态 监控分站硬件框图如图所示 监控分站原理框图 本安腔 隔爆腔 1 信息板 图7 6单片机电路 单片机 串行存储器 晶振电路 11 0592M 拨码开关 单片机 兼有看门狗 图7 7电压变换电路 来自电源板 向MODEM供电 向CPU供电 12伏电源地线 与其它地线隔离 图7 8电源指示电路 光耦 12伏电源 指示二极管 图7 10信号采集电路 光耦 放大 多路开关 光耦 传感模拟量输入 传感数字量输入 输出至CPUT0口 通道选择 上拉电阻排 图7 10译码显示电路 MAX7219芯片 共阴极数码管 数据输入 时钟脉冲 片选信号 图7 11断电控制电路 放大 断电信号输入 断电信号输出至继电器 图7 13调制解调电路 调制解调器 MODEM 四运放 LM324 D 模拟开关 2 电源板分站由煤矿井下AC380 AC660V交流供电 经电源变压器取得200VAC电压 进入AC DC开关稳压电源模块 由该模块输出稳定的24VDC电压 提供给5路本安电源电路 这5路本安电源分别向四台传感器和信息板供电当井下交流电源停电时 分站可通过备用电源提供不间断本质安全电源 继续向传感器和分站信息板供电 保证监控分站的持续监控作用 备用电池选用2Ah锂电池 7 3KJ83N型煤矿综合监控系统采用的技术 1 采用了先进的通讯技术 网络技术 图形处理技术 数据库技术 地理信息技术 适合于大 中 小各种类型矿井使用 2 KJ83N煤矿安全监控系统软件采用数据库技术 图形技术 组态软件技术 多进程和多线程的技术 为用户提供高效 稳定 实时性强的数据采集 存储 管理和分析功能 系统软件运行于Win2000 XP 2003系列Windows平台 功能 KJ83N煤矿安全监测监控系统主要是监测监控瓦斯 风速 温度 负压 CO 氧气 烟雾 风门开关 主扇 局扇 风机开停等环境参数 电流 电压 水仓水位 煤仓煤位 箕斗计数 各机电设备开停和馈电 断电状态等生产运行参数 1 系统主要特点 1 系统技术先进 通信网络组合方式多样 综合能力强 该系统可以与人员定位系统 顶板监测系统融溶为一体 共网传输 2 系统通信网络简单 传输可靠 采用标准CAN2 0B的传输协议 传输速率高 传输误码率低 3 系统具有风电瓦斯闭锁功能和全矿井的瓦斯超限断电功能 4 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 解决了数据维护的问题 5 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 6 系统配有专用的组态图形编辑软件 用于动态图元素和煤矿巷道的绘制 所有的动态 静态图形都可由矿方操作人员绘制 7 系统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8 系统配套的分站都能实现风电甲烷闭锁 甲烷超限断电的功能 9 系统配套的分站的模拟量端口与开关量端口可互换 具有大屏幕液晶显示功能 10 系统的监控设备 配套传感器 执行器种类齐全 传感器配有遥控器 调校方便 11 系统向外提供了统一的数据接口 便于管理部门联网监管以及与其它数据分析系统实现资源共享 2 KJ83N监控系统主要技术指标 1 系统容量系统可配接最大监控容量 64个监控分站 2 信息传输RS485或CAN总线两芯传输 传输速率 4800bps FSK总线两芯传输 传输速率 1200bps 以太网传输速率为 10M 100M 3 传输距离地面中心站到分站之间最大传输距离 15km 分站到传感器之间的最大传输距离 2km 4 接入的传感器信号模拟量传感器信号 200 1000Hz或4 20mA以及其它非标准信号 开关量传感器信号 无电位接点及电平信号5 供电地面设备为AC220V 井下设备为AC127 380 660V7 3 2系统组成及工作原理系统主要由监控主机 打印机 交换机 传输接口 避雷器 监控分站 不间断电源 传感器等设备组成 图7 13电缆传输系统组成 图7 14光纤系统结构 7 3 3KJF39 2型通用监控分站功能及技术指标功能和作用 KJF39 2通用监控分站是KJ83N煤矿安全监控系统的重要组成部分 具有数据采集 控制输出 遥控输入 液晶显示等功能 分站能完成四路甲烷风电闭锁功能 当监控系统故障或数据传输线断线时 分站可独立工作 分站可以接收电流 频率等符合煤矿行业标准规定的多种信号制式传感器信息 分站采用标准的CAN2 0B的通讯协议与上位机通讯 1 主要技术指标 1 工作电压 DC18V2 最大工作电流 不大于250mA3 分站容量模拟量输入 8路模拟量输入 可输入频率型 电流型 开关量输入 8路开关量输入 控制量输出 8路开关量输出 4 输入输出信号制模拟量输入信号 频率型200 1000Hz 电流型 0mA 10mA 5 显示采用液晶显示 分站具有汉字显示功能6 模拟量的转换误差不大于1 7 控制量输出信号 高低电平 高电平不小于20V 低电平时不大于0 5V 8 通信口的传输方式 CAN2 0B 主从 半双工2 分站工作原理 分站上电一分钟内处于闭锁状态 一分钟后 分站开始正常运转 分站按照一定的采样周期采集传感器的数据 将采集到的数据进行存储和显示 并根据甲烷风电闭锁的需要 允许分站控制某些供电设备 系统监控主机发送轮询分站信息 分站接收到信息后 判断接收到的信息是否为本分站应该接收的 如果是则将该接收到得信息存储 否则放弃 分站对接收到的信息进行解析 根据解析出的信息判断是否需要直接输出控制信号 或根据传感器的输入自动输出控制信号 图7 16原理框图 7 4KJ95型矿井监控系统 7 4 1概述系统特点KJ95型煤矿综合监控系统适合大中小各类矿井使用 其主要特点有 1 组合方式多样 综合能力强 融安全与生产监测监控系统 工业电视监视系统 人员位置监测系统及程控调度通信系统等于一体 实现井下传输信道合一 全矿范围内各类煤矿监控系统组网管理 与局计算机网络联网 与远程终端通过公用电活网联接等 大幅度减少信道与设备投资 1 组成结构KJ95系统组成结构如图7 1所示 KJ95系统主要由监测主机及其外设 传输接口 传输电缆 分站和各种传感器组成 主要设备配置见表7 1所示 KJ95系统可将计算机网络 光纤高速通道 矿井安全和生产监控及其他子系统综合在一起 形成一个完整 实用的全矿井综合自动化系统 系统为集散型结构 其信息检测及分站等设备的布置完全按照矿井特点设置 根据需要各部分既可以集成在一起 又可以单独使用 图7 1KJ95系统组成结构图 2 主要功能 1 监测甲烷 风速 负压 一氧化碳 烟雾 温度 风门开关等环境参数 也可监测煤仓煤位 水仓水位 压风机风压 箕斗计数 各种机电设备开停等生产参数和电压 电流 功率 电度等电量参数 以及胶带跑偏 胶带速度 轴承温度 机头堆煤等各种机电设备的运行情况 2 可以配接胶带集中控制 轨道运输信集闭 电力监测 火灾监测等系统 实现局部环节的自动化 3 在全监测系统范围内通过便携式调试电话机与地面中心站或分站 传感器进行语音通信 4 操作平台采用Windows视窗软件 所有功能操作均具有在线帮助 在中文菜单提示下完成 并可方便地点击图形 即点即得所需信息 可随时显示监测数据 图形 曲线和报警点及数值 5 主机CRT可显示以下几大类信息 系统生成及操作 测点生成及操作 时钟和日期显示 工艺流程模拟图形显示 各测点数据表格显示 模拟量参数的实时值表格 二维或三维图 变化曲线显示 开关量的实时值 开 停时间显示 累计量的实时值显示 各类报警表格显示 系统相关设备及软件操作说明显示 6 支持多种图形格式 配备简便的绘图工具 可以方便地在屏幕上绘制各种模拟图形 绘图时不影响系统传输 7 方便地由用户自行生成各类表格 打印所要求的各类数据表格 图形及曲线 8 主机串行口实时地与分站级设备进行广播式通信 9 主机串行口实时地与模拟盘进行广播式通信 10 接大屏幕或投影机 以便在更大的面积上显示更多的工艺流程模拟图 监测曲线 表格和文字 以及主机CRT上所能显示的全部内容 11 对报警信息进行处理 并实时地存储和报警 传感器超限时有声光报警显示 并在主机屏幕上有醒目的报警条 显示传感器的数值 地点及报警时间 12 报警断电点通过软件设定或修改 也可以在分站上直接设定 具有局部区域断电和全矿范围内异地断电多种形式 13 对实时数据进行处理 并采用数据库存储 模拟量每2min存一个平均值 开 停信息按小时计时 累计量按小时累计 存储时间可以根据要求调整 14 分站具有甲烷风电闭锁功能 可单独使用 大显示屏能够显示所配接的各类摸拟量和开关量状态 红外遥控或键盘设定及存储有关参数和显示甲烷数据曲线 还可以作为主站挂接小分站 15 可与其他系统联网 形成全矿井的监测信息管理中心 监测主机以工作站的形式方便地接入网络 实现资源共享 16 多种诊断功能 包括系统的传输校验 误码率测试 传感器故障统计 分站故障统计等监测系统的自身诊断 还可以通过调制解调器进行远程诊断 3 技术指标 1 系统容量 128台分站级设备 2 传输介质 电缆 光缆 3 传输速率 1200bps 4 地面中心站与分站之间的传输距离 电缆 15km 光缆 20km 5 分站与传感器之间的传输距离 2km 6 模拟量传感器信号 200 1000Hz及其它非标准频率信号 7 开关量传感器信号 无电位接点及电平信号 8 供电 地面中心站为AC220V 井下设备为AC127V 380V 660V 表7 1KJ95N型煤矿综合监控系统主要设备配置表 7 4 2KJ95型矿井监控系统系统工作原理 监控主机连续不断地轮流与各个分站进行通信 每个分站接收到主机的询问后 立即将该分站接收的各测点的信号传给主机 各分站又不停地对接收到的各传感器信号进行检测变换和处理 时刻等待主机的询问 以便把检测的参数送到地面 需要对井下设备进行控制时 主机将控制命令传给分站 由分站的输出 通过远动开关控制井下设备 监控主机将接收到的实时信号进行处理和存盘 并通过本机显示器 大屏幕 模拟盘等外设显示出来 光纤高速通道主要由地面光端机 井下光端机以及光缆组成 地面光端机将电信号变成光信号通过光纤传输 井下光端机将光信号转换成电信号与井下分站级设备相连 KJ95型煤矿综合监控系统在地面建立了一套局域网络 配置服务器和若干台工作站 监测主机的信息可以全部上网 其余的工作站分别放置在矿领导和有关的职能部门 7 4 3KJF16A型通用监控分站 具有数据采集 控制输出 键盘输入 遥控输入 液晶显示和与下一级数据采集站通讯的功能 主要用作信息采集 信息传输 控制输出 它不仅适用于KJ95型综合监控系统 也适用于KJ2型 KJ22型煤矿监控系统 KJ36型电力监测系统等其它监测监控系统 分站具有键盘 遥控器 液晶显示等人机对话工具 不仅能在系统中使用 也能单独使用 1 主要技术参数环境条件 环境温度 0 40 平均相对湿度 不大于95 25 大气压力 80kPa 106kPa 煤矿井下有瓦斯 煤尘等爆炸危险的环境 2 电源电压直流15V 20 3 工作电流 300mA 4 输入输出容量 16路模拟量或开关量信号输入 8路开关量信号输出 4台下一级数据采集站 扩展4台KJ8001型串行扩展器 每台KJ8001型串行扩展器有4路模拟量或开关量信号输入 4路开关量信号输出 5 与上一级计算机传输 制式 异步时分制基带传输或RS485方式传输 速率 1200 2400bit s 最大距离 15km 传输电缆PUYVR31 6 输入输出信号 开关量输入信号 高电平时 信号幅度应不小于3V 电流应不小于1mA 低电平时 信号幅度应不大于0 5V 电流应不大于0 1mA 模拟量输入信号 200Hz 1000Hz频率信号 通过适当修改分站软件 也可适用不高于1200Hz的频率信号 脉宽大于0 3ms 幅度不小于3V 电流应不小于1mA 开关量输出信号 开关量输出信号为高电平空载时不低于10V 负载拉出电流2mA时不低于5V 低电平不大于0 7V 7 与KJ8001型串行扩展器等下一级数据采集站传输 a 制式 RS485方式传输 b 速率 1200bit s c 最大距离 3km 传输电缆PUYVR31 8 测量误差 满量程时不低于0 4 不包括传感器的测量误差 9 区域断电 分站接入的模拟量输入信号可以控制下一级数据采集器的开关量信号输出 分站接入的下一级数据采集器模拟量输