煤矿安全监控系统介绍范文

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《煤矿安全规程》第一百五十八条明确规定：所有矿井必须装备矿井安全监测监控系统。矿井安全监测监控系统的安装、使用和维护必须符合本规程和相关规定的要求。实施统一的“煤矿安全监控系统” 对煤矿安全生产的长治久安具有极其重要的意义。

一、煤矿安全监控系统概念

煤矿安全监控系统是具有模拟量、开关量、累计量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能。用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风开停、主通风机开停等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。

二、 煤矿安全监控系统组成

早期的矿井安全生产监测监控系统主要由传感器、断电仪、载波机、传输线、解调器、计算机、调度显示盘等组成。随着计算机技术、网络技术、微电子技术的不断发展，目前的矿井安全生产监测监控系统主要由监测监控终端、地面中心站、通信接口装置、井下分站、各种传感器等组成。其典型结构如图1所示。

三、煤矿安全监控系统传感器

煤矿井下各种有用、有害气体及温度和湿度等参数，都属于环境参数。矿井环境参数主要有甲烷浓度、氧气浓度、粉尘浓度、井巷硐室和工作面温度、风量与负压、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、二氧化硫浓度和硫化氢浓度等。

采煤、掘进、运输、及通风等各系统的运行及相关设备的工作状况称为矿井工况参数。主要监测的工况参数有风筒风量、风门开关、输送带开停、煤仓煤位、采煤机组位置、排水系统、压风系统、主要通风机工作状态等工况参数。

传感器一般由敏感元件、转换元件和信号处理电路3部分组成，有时需要加辅助电源。

四、煤矿安全监控系统现场总线的选择

现场总线和工业以太网技术的发展，不仅引起测控及过程自动化领域的变革，同时也给煤矿监控技术的跨越式发展带来了新机遇。

由于煤矿井下的特殊环境（易燃易爆、潮湿、电网电压波动大、监控距离远等），矿用现场总线不能照搬一般工业现场总线标准，需要根据矿井监控的特点，经过技术移植和改造，开发出适合矿井生产环境的矿用现场总线。

目前，国内应用于控制及仪表领域的现场总线主要有FF、Profits、CAN、LonWorks等。FF总线H1是用于过程控制的总线，其响应速度较低。Profits的开发比FF相对容易。它的物理层允许3种物理接口。CAN总线具有成本低、开发容易、实时性好、抗噪功能性强等优点。

LonWorks是一种性能优良的现场总线，有完善的开发工具，且容易开发。用双绞线时，有多种速率可选，易于实现总线本安供电。因此，煤矿井下采用LonWorks技术也是一种较好的方案。

五、煤矿安全监控系统井下分站

分站接收来自传感器的信号，并按预先约定的复用方式远距离传送给主站 （ 或传输接口） ，同时，接收来自主站 （或传输接口） 多路复用信号。分站还具有线性校正、超限判别、逻辑运算等简单的数据处理能力、对传感器输入的信号和主站（ 或传输接口） 传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。

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中图分类号：TD76 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）03-0100-03

我国是世界煤炭生产大国，占世界煤炭总产量的31%，但在煤矿生产过程中，我国煤矿死亡的人数却占世界煤矿死亡人数的60%以上。可见，解决煤矿生产中的安全问题，已是煤矿生产中所要研究的重要课题。

在煤矿生产中运用安全生产监控系统可以确保煤矿生产过程中的安全，因此安全监控系统有“煤炭安全卫士”的称号。安全监控系统以“安全第一，预防为主”为生产方针，通过对井下生产情况的实时监控来保证煤矿生产在安全的状态下进行。它在保证人员安全的情况下，还能够提高煤矿企业的效益。

1 安全生产监控系统

安全生产监控系统采用的是信号采集、计算机监控和数据通信的系统，以模板化设计思想来对硬件电路和软件程序的各个子系统进行设计。针对监控系统硬件部分，本文主要从硬件系统的组成和主要模板的电路来对其进行介绍。

为了实现快速的远距离数据的传输，安全生产监控系统采用MSP430F135的微控制芯片和MAX1480B数据通信接口电路；CH451专用芯片能够通过串行接口的键盘显示使得安全生产监控系统具有实时数据、历史数据和显示各种状态图以及状态表的功能。对于硬件部分的介绍，以实时电路图对各个电路进行了详尽的分析，主要包括数据的显示电路，电源的转换电路、采集信号的输入电路以及输出电路。

由于简便线路连接的硬件系统，使安全监控系统在恶劣的环境下依然能够工作，并以良好的通用性，广泛地应用在煤矿生产的过程中。

对于安全监控系统的软件部分，我们从以下几个方面进行概述：

（1）通过数据编码和数据通信技术对数据进行计算、判定以及声光的报警，并在非本质安全电路的情况下进行断电控制，从而保证煤矿生产在安全的状态下进行。

（2）在实时监控的同时，还能够对模拟量和数字量进行记录，通过查看“模拟量实时数据监测表”和“数字量实时数据监测表”的报警记录以及断电记录，得到第一手的安全资料。

（3）通过“工作现场”界面实时观测，能够看到动态的工作现场，以更加直观的角度来对报警位置和断电位置进行全方位的了解。

（4）安全生产监控系统以远程控制、异步控制和就地控制的方式入手，来对断复电进行控制，使得事故发生的几率降到最低。

本安全生产监控系统集模块化设计思想、研发周期短、可拓展性强、移植安装方便、维护简便等优点于一身，使得今后在对系统进一步修改和添加的时候更为简便。

2 安全生产监控技术应用的现状

针对我国煤矿计算机监测系统发展时间较短的现状，以传感器、断电仪、载波机、传输线路、计算机和模拟调度盘组成了初期的煤矿安全生产监控系统。

为了能够推进我国煤炭工业发展的现代化脚步，我国不少煤矿井通过引进外国的煤矿安全监控系统来确保煤矿的安全。但是该系统在为煤矿安全发挥巨大作用的同时，还是存在着很多的问题。

在引进外国先进的煤矿安全生产监控系统的同时，我国也在借鉴外国先进技术的基础上，来自行研制开发属于我国自己的KJ4、KJ22、KJ95、KJ66等先进的安全生产监控系统。KJ66安全生产监控系统诠释我国现在监控系统在煤矿领域的发展水平。

地面中心站、井下工作站、各种种类的传感器、各种种类的执行器和断电的设备是安全生产监控系统的组成部分。

安全生产监控系统的地面中心站是通过KJ66主机、KCT3调制解调器、网络XD510图形终端、多媒体工作站、模拟盘、网络服务器、集线器和KJ66等部分，来对井下现场环境参数和生产所使用的设备进行监测；对数据的核子秤计量进行采集和处理；对井下瓦斯的含量进行监测。

安全生产监控系统井下工作站是以安型分站、隔爆兼本安型电源和传感器等部分来对矿井中的瓦斯、一氧化碳、温度、风速和皮带开停进行监测。一方面，向地面中心站传送所检测的各种参数、状态。另一方面，接受地面中心站对矿井的各种指令。工作站还能够在井下发生危险的第一时间发出警报和断电信号。

安全生产监控系统的传感器能配接频率型、智能型、电流型、电压型和触点型等类型的信号。

安全生产监控系统的断电仪主要是对断电控制和断电开关的各项状态进行实时的监控，进而向地面中心站反馈。

安全生产监控系统的工业电视部分由前端摄像部件、网络、中央控制机柜、多媒体工作站、调度显示屏和多媒体工作站组成。其主要用于完成对主、副并绞车房，采区工作面，变电所，皮带机头等重要的监控部分进行监视，以同轴电缆传输、同轴电缆与光缆混合传输、光缆传输三种形式通过摄像机输出。

3 安全生产监控技术应用的目的

煤矿安全生产问题一直是煤矿生产中的最为重要的问题。为了能够让煤矿生产有一个快速、廉价、标准和高效的安全方案，通过使用煤矿安全生产监控系统可有效对井下的甲烷、一氧化碳进行实时的监控，当它们的浓度超标时进行报警；在地上的工作站就能了解到井下的电压电流、设备开停等的具体情况；把井下发生的状况实时进行数据的传输，通过对这些数据的分析，能够及时地进行问题的处理，从而达到保护井下工人安全的目的，同时还能够降低煤矿主的损失。

4 安全生产监控技术应用的发展方向

随着信息技术的飞速发展，人们在各个领域都开始通过引入宽带网和多媒体的相关技术来提高工作效率。

4.1 监控系统的监控主机

随着监控主机的不断发展，速度也更加快捷了，再结合完善的网络功能，电视监控图像的处理也有了进一步的提高。在声、像相结合的监控中，运用了多媒体的监控系统。

4.2 监控系统的井下分站

在电子技术不断发展的今天，必然能够在技术不断发展中来降低价格，减少体积和重量。

4.3 监控系统的传感器

在新元件层出不穷的今天，传感器的寿命也会越来越长，智能化程度也会越来越高，功能和便捷性也会进一步地提高，也会缩小其体积和降低耗电量。现阶段的传感器已经能够进行联网了。计算机通信技术的不断发展，为在矿井安全生产监控系统中应用数字宽带网提供了条件。现在国内正在为去除井下分站，使地面控制中心能够直接接受井下传感器的数据进行研究。

4.4 监控系统的信号传输技术

通过将光纤技术引入到矿井安全生产监控系统的方法，来对机电设备电磁的干扰和系统遭雷击的现象进行根除，使系统更加的稳定。

4.5 监控系统的网络化管理

虽然计算机网络系统在本矿井进行了应用，实现了本矿井信息的共享，但是外界的信息还是没有联系起来。若网络化的管理系统把各个生产矿井、矿物局联系在一起，就能够形成一个完整的煤炭系统，使得煤炭的资源得到共享。

4.6 监控系统的灾害预测预报

对瓦斯和一氧化碳等有危害性的气体含量骤然升高的前期能够进行预报，使得系统更具智慧性，提高了矿井的安全性。

在科学技术不断发展的今天，我们在发展煤矿安全生产监控系统的时候要加强先进的科学技术，来提高煤矿生产过程中的安全性，在确保工人生命安全的同时，还能够降低煤矿主一些不必要的损失，在“早发现，早处理”的原则，煤矿安全。通过不断的完善和进步，对煤炭安全生产监测系统进行研究。

参考文献

[1] 牛世卫.煤矿安全生产监控系统的现状与发展[J].机械管理开发，2003，（2）.

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目前，科学技术水平的提升有着较快的速度，在传感技术、通信技术、嵌入式技术的支持下，无线传感器网络在众多领域均有着广泛的应用，它对监视对象的信息实现了检测、采集与处理，从而为监测任务的完成提供了可靠的信息。无线传感器网络具有一系列的优点，如：低成本、低能耗、可靠性与可扩展性等，它满足了我国煤矿安全监控的发展需求，通过高效的监控，保证煤矿生产效率的提高，推动了我国煤矿行业的稳定、健康与可持续发展。

1无线传感器网络的概况

无线传感器网络的简称为WSN，它融合了三大先进的技术，分别为传感器技术、计算机技术与通信技术，三者分别承担着信息的采集、处理与传输的作用，在科学技术不断发展的背景下，WSN的信息化、现代化与先进化的特点日益显著。

目前，在各个领域均对WSN有着较为广泛的运用，如：军事、农业与医疗等，它作为新型网络系统，具有一系列的显著特点，如：规模性、动态性与可靠性等。WSN的构成主要有传感器节点、汇聚节点、外部网络与用户界面[1]。

2煤矿安全监控的概况

煤矿安全监控系统具有复杂的结构与丰富的功能，其功能主要有信号的采集、传递、保存与处理等，主要监控的对象为现场的气体浓度、温度、湿度与烟雾等，同时对于井下的设备也实现了远程遥控。

现阶段，煤矿安全监控系统主要分为两类，第一类为有线通信监控系统，第二类为无线通信监控系统。在我国，主要应用了有线通信监控系统，但此时的有线系统具有诸多的缺点，其移动性、组网能力与抗灾能力均相对较弱，该系统主要对RFID技术进行了应用，此时的监控受通信距离的影响，使其监控的可靠性相对较低。随着WSN技术的发展，在煤矿安全监控中对WSN进行了应用，在科学技术的支持下，其监控系统得到了进一步的发展。

煤矿安全监控系统中应用的RFID技术，其不足主要体现在以下几方面：

其一，较短的通信距离。对于RFID的煤矿安全监控而言，其监控距离仅维持在十米以内，但矿井内的工作人员极易超出其控制范围，在此情况下出现的安全事故，难以实现有效的搜救，同时其监控的安全性、可靠性与高效性等均存在不足[2]。

其二，较小的通信容量。此时的监控系统其传输的信息量相对较少，对于信息的发送缺少实时性。由于传感器的位置属于固定的，致使检测的实时性难以得到保证，因此，矿井下的安全预防与监控均受到了不同程度的影响。

其三，较差的可扩展性。对于煤矿的生产而言，其开采保持着持续性，此时的监控范围在不断扩大，但有线连接的基站设备未能进行及时的移动，难以满足实际监控的需求。

3煤矿安全监控中对无线传感器网络的运用

3.1 WSN方案的制定

针对煤矿监控系统存在的问题，为了有效解决RFID的技术问题，本文提出了WSN安全监控方案，在矿井下进行了路由节点的设置，其间距为几十米；同时矿井的工作人员均携带终端设备，在此基础上，促进了无线传感器子网的形成，同时各子网借助协调器实现了与网关设备或者控制服务器的连接。

在煤矿安全监控系统中应用WSN技术，其优势是显著的，具体内容如下：

其一，较长的通信距离。此系统对煤矿的监测达到了一百二十米左右，在井下通信距离问题得到解决后，监控系统的可靠性得到了大幅度的提高。其二，实时的信号采集。此系统对矿井中各个信息的采集具有了实时性，同时保证了信息的高效转发与处理。其三，丰富的节点功能。此系统的网络通信，通过定位参数的获取，实现了对人员的准确定位，在此基础上，为事故的搜救奠定了坚实的基础。其四，较低的功耗与成本。此系统的工作周期较短，并对功耗的要求较低，再者还拥有休眠模式，同时在系统用量与日俱增的背景下，其价格在逐渐下降。其五，良好的可扩展性。此系统对无线通信技术进行了应用，通过路由节点的添加，便可以实现监控范围的扩展，同时其具有良好的移动性与便捷的维护[3]。

3.2监控系统的设计

在硬件方面，主要为传感器节点的设计，此时的设计要满足其功能的需求，具体的功能要求为：实现不同信号的实时采集与处理，保证瓦斯浓度报警器的准确性，实现对井下工作人员的实时监测，同时要具备多种工作模式。在此基础上，具体的节点设计分别为便携式传感器网络节点与固定式节点，前者主要有处理器、声光振报警、显示器、瓦斯传感器板与电池电源等；后者主要有处理器、声光振报警、电池电源及其他传感器等。在对传感器进行选择时，主要的类型为温湿度传感器与瓦斯传感器。

在软件方面，对于无线传感其通信节点而言，软件是重要的一部分，它主要是为无线传感器硬件电路提供服务，在软件的作用下，使节点满足了各项要求，进而保证了电路的有效运行。同时，软件的可升级性与可扩展性，使系统适应了不同工作环境的需求[4]。

4结语

综上所述，在煤矿安全监控系统中应用无线传感器网络，此技术提高了监控系统的监控质量，保证了煤矿生产的安全性与经济性。本文提出了WSN方案具有一系列的优势，它不仅解决了旧方案中存在的不足，还为煤矿安全监控提出了新型的、高效的方案，相信，在先进技术的支持下，煤矿生产的效益将更加显著。

参考文献：

[1]朱珠.煤矿安全监控中无线传感器网络的技术应用[J].信息系统工程，2015，02：15-16.

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前言：煤矿安全环境监测监控系统在煤矿安全生产中有着重要地位。随着煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，同时也为该技术的正确选择、使用、维护和企业安全生产信息化管理提出了更高的要求。为此，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，国家有关安全生产监督管理部门专门规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。

1.煤矿安全环境监测监控系统组成

根据所述及概念，监测监控系统的功能一是“测”，即检测各种环境安全参数、设备工况参数、过程控制参数等；二是“控”，即根据检测参数去控制安全装置、报警装置、生产设备、执行机构等。若系统仅用于生产过程的监测，当安全参数达到极限值时产生显示及声、光报警等输出，此类系统一般称为监测系统；除监测外还参与一些简单的开关量控制，如断电、闭锁等，此类系统一般称为监测监控系统。

系统由早期的地面单微机监测监控已发展成为网络化监测监控以及不同监测监控系统的联网监测。其主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、井下分站、传感器组成。

1.1系统中心站

1.1.1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条件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。

1.1.2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、供电电压、供电电流、功率等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器运行状态和参数等。

1.1.3中心站软件。具有测点定义功能；具有显示测量参数、数据报表、曲线显示、图形生成、数据存储、故障统计和报表、报告打印功能。其中，部分系统可实现局域网络连接功能，并采用国际通用的TCP/IP网络协议实现局域网络终端与中心站之间实时通信和实时数据查询。

1.2局域网络

网络系统应用软件。采用人性化设计，利用Web GIS技术使得大到省煤矿安全生产监督管理局、矿业集团公司所辖各矿井分布位置，小到各矿采区工作面实际尺寸及设备实际使用位置，以任意无级缩小或无级放大图形的形式达到图形和数据的无缝集成和浏览；提供完备的安全监测与安全信息管理和监管功能；建立煤矿基础数据库、对主要图纸实现动态浏览；实现安全信息的共享和设备隐患排查；安全信息的网上公开（公司内部）；安全隐患排查及信息（如对各矿下达整改通知）等。与WEBGIS安全监测系统相配合，可实现对矿井通风系统安全性分析、诊断、评价、管理及通风网络调整的科学决策。

1.3煤矿监控系统井下分站。

尽管各厂家的监控系统井下分站形式多样，但基本上具备了如下功能：

开机自检和本机初始化功能；通信测试功能；接收地面中心站初始化本分站参数设置功能(如传感器配接通道号、量程、断电点、断电点、报警上限和报警下限等)；分站自动识别配接传感器类型（电压型、电流型或频率型等）；分站本身具备超限报警功能；分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作功能和异地断电功能。

1.4系统配接的各种传感器控制器

传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术和产品。目前国内生产和用于煤矿监测监控系统的传感器主要有瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤位、水仓水位、电流、电压和有功功率等模拟量传感器，以及机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等开关量传感器，以上传感器的开发和应用基本满足了煤矿安全生产监测监控的需要，但国产传感器在使用寿命、调校周期、稳定性和可靠性方面与国外同类产品相比还有很大差距，某些传感器（如瓦斯传感器）的稳定性还不能满足用户的需要。

2.煤矿安全环境监测监控系统技术指标

以煤矿安全监控系统KJ2000N为例介绍。

2.1技术先进、采用CAN总线传输方式，传输速率快，抗干扰能力强。

2.2软件功能强大 系统软件采用客户/服务器体系结构，兼容性及开放性好，可与具有标准接口（如RS232、RS485等采用标准协议）的设备进行无缝连接。

具有强大的数据采集功能、先进的数据处理技术，形成模拟量传感器的最大、最小及平均值记录，随时统计各分站的通信、供电、报警、断电和复电状态、机电设备开停和运行状态。

报警与控制功能完备：可实现中心站程控或手动强行控制异地断电、分站和传感器就地断电及分站区域断电功能；具有声光、语音报警、报警联动及可通过程控调度通信网对井下局部或全矿井进行语音扩播报警等多种类型的报警功能。

2.3系统兼容性能好、保护原有设备投资该系统可与其他煤矿安全生产监测监控系统保持兼容。

2.4传输网络简单、可靠采用标准网络传输协议，传输速率高，传输误码率低于10-8，不使用中继器传输距离长。

采用电缆高速传输介质，无中继传输距离长，具有防雷、抗电磁干扰的特点。

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煤矿安全监测监控系统是以通信技术和计算机网络技术为基础，并与煤矿安全生产的实际情况相结合建立的一套集信息采集、传输、管理、控制于一体的综合信息管理系统。煤矿安全监测监控系统可接入各种类型的开关状态传感器和模拟量传感器，能够对各种机电设备、局部的生产环节和生产过程进行实时监控以及接收工业摄像机的图像并对摄像头进行遥控。监测系统具有很强的数据处理和分析能力，可对监测数据进行汇总并生成统计报表以及进行趋势分析，最后以动态图形、曲线或表格的方式输出显示。

1、系统功能

1.1在线监控

煤矿安全监测监控系统以图像方式对传感器的工作状态以及井下生产设备的工作情况进行实时监控。图像中可以观测到每个传感器实时的瓦斯浓度以及设备的开关状态，并可在瓦斯浓度超限时发出报警，通讯中断时则会有相应的提示。

1.2瓦斯超限报警及断电

瓦斯浓度直接关系到煤矿生产的安全性，系统具有对实时的瓦斯浓度以及变化趋势等相关数据的分析处理能力，并可根据数据自动生成相应图形并发出超限警报并切断所监测工作面的电源。

1.3曲线分析

可对煤矿的瓦斯状态进行数据查询，并能生成针对单个瓦斯传感器数据的图形曲线。

煤矿监测中心站可对系统终端进行控制，并在监测内容发生变化时对终端做相应修改。数据处理和转发：监测中心站可集中处理和分析采集来的数据，并将处理过的数据传送给数据请求者。

2、系统的组成

2.1矿井调度通讯系统

考虑到监测系统的的扩展性以及矿井生产调度的实际需要，一般应在调度台配置大约500部的数字程控调度交换机，调度室应设置一台装有15英寸大小调度操作用液晶触摸屏的调度台。

2.2矿井生产监测监控系统

矿井生产监控系统主要由以下几个子系统构成：矿井提升监控子系统、矿井生产设备监测子系统、井下机车调运监控子系统、变电所监控子系统、选煤厂及储装运输监测子系统、地面煤仓煤位及地面煤流量监控子系统、矿井人员定位系统、煤泥矸石电厂监控子系统，每个子系统都可作为以太网的节点与以太网的网络交换机连接，并向调度系统传输各生产环节的实时数据。

2.3矿井安全监控系统

矿井安全监测系统不仅能对甲烷、风速、温度、负压、一氧化碳等参数进行监测，还能对通风设备、压风、采掘工作面等各生产环节的工作情况进行监控，采集的数据可在井上或井下使用计算机进行处理和分析，实现对设备、环境、局部各生产环节的全方位监测，该系统也和其他子系统一样与以太网网络交换机相连接。

2.4火警自动报警系统

系统采用区域式报警系统，在煤矿的各个工作场所安装火灾显示盘或者区域火灾报警控制器。消防控制中心与火灾显示盘或区域火灾报警器采用通信线连接，一般应设在办公楼的一楼，使用以太网与调度指挥中心的主交换机通讯。

2.5调度中心站

调度中心站是整个综合调度监测系统的核心，主要配备工业电视系统的电视墙以及大屏幕显示系统；调度通讯系统的调度操作触摸屏以及数字程控交换机；网络交换机和网络服务器；调度系统的显示终端和显示触摸屏以及LED电子显示屏、生产监控系统相关的子系统终端设备。安全生产监控系统的各子系统经由交换机与服务器相连接，交换实时数据，并将图表和相关数据显示在电视系统的大屏幕上，并可用操作触摸屏进行调度。

2.6人员定位系统

人员定位系统在井下所有人员可能通过的通道中配置若干个信号收发器，并且将它们通过通信线与调度中心站的服务器相连接，具置和数量根据现场实际情况和要实现的功能而定。同时，在下井人员携带的矿灯上安装一个信号感应器，只要井下人员接近安放在坑道内的信号收发器时，信号收发器就会马上感应到信号并上传至调度中心，这样服务器就可判断出具体信息，并将其显示在调度中心的大屏幕上并做好备份。系统不仅可以整理出下井人员的出勤报表，一旦出现还可根据电脑中人员的分布信息，快速识别出遇险人员的位置和人数，提高抢险效率。

3、系统选型原则

3.1地面中心站和井下分站的选择

地面中心站一般应选用最新型的工控机。

系统在瓦斯浓度超限断电时，井下分站应能在现场正常进行作业，这时隔爆型电气设备必须断电。本安型分站相对隔爆型分站更安全，适用范围更广，能够真正满足在断电情况下系统正常工作的要求。因此，高瓦斯矿井一般应选用本安型分站，而隔爆型分站可用于低瓦斯矿井以节约投资。

3.2通信方式选择

煤矿通信方式应首选现场总线，以实现最大限度的自动化。现场总线采用双向多点的通信方式，还可根据使用地点的不同选用不同的传输介质和拓扑结构。此外，现场总线为开放式的互联网络，采用统一的协议标准，方便不同的厂家设备接入同一网络。

3.3瓦斯传感器的选择

（1）类型选择

国内煤矿一般使用红外线和催化燃烧型（黑白元件）两类传感器。

红外传感器安全可靠、全量程、耐冲击、使用寿命长，可在规程允许的时限内进行校正，所以红外传感器适宜使用于高瓦斯矿井。红外传感器探头应安置在灰尘较少处，并要对探头过滤器进行定期更换。

催化燃烧型传感器价格便宜，但量程有限，每1～2周需校正一次，且使用寿命短。在遭受高浓度瓦斯冲击时，硫化氢还可使传感器中毒，使传感器损坏。因其可靠性不高，所以其使用范围受到了限制。

（2）校正方法选择

在线气样校正法无需专职人员负责，采用自动校正设备，可以定期进行通气校验。但要求设备成本较高，适于在高瓦斯矿井中使用。而人工气样校正法需专职人员携带工具和气样进行定期校正，设备成本较低。但人工成本高，适于在低瓦斯矿井中使用。

3.4断电方式选择

采用中心分站控制断电和智能型传感器就地断电相结合的方式，智能传感器可在瓦斯超限时，向断电设备发送断电信号，大大提高了断电系统的可靠性及其反应速度。对于高瓦斯矿井或者有瓦斯泄露危险的掘进面，应配置与断电的控制单元相结合的智能型瓦斯传感器，实行就地断电。

4、结语

综上分析，监测监控系统能够收集各种与生产经营有关的数据，并建立了有助于调度、管理、安全和生产的网络系统，对煤矿的各生产环节进行实时监控，为调度中心和煤矿领导提供准确及时的信息来指挥生产和进行决策，并能有效预防瓦斯爆炸等矿井灾害事故的发生，为煤矿的安全生产起到了保驾护航的作用。

参考文献

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中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）113-0204-02

煤矿安全监控系统是指利用计算机技术、信息技术、传感器技术以及控制技术等多种高科技手段对煤矿生产全过程的监控，是煤矿生产顺利进行的必要保障。其主要构件有中心站、信息传输设备、执行装置以及传感器，能够完成停风断电、通风系统监控等监测或控制工作，同时其可以反映煤矿井下的各项参数，对隐藏风险能够即时发现并且处理。通过应用监控系统，及时发现井下事故险情，能够精准判断事故发生地点，提高救灾工作的效率。综合以上优点，能够发现煤矿安全监控系统对于煤矿生产的重要性，同时也能看出系统信息的真实、准确与否直接决定监控系统的有效性，因此当事故出现后，监控系统必须即使发出警报，同时能够自动断电或者电气及故障闭锁等应对措施。就目前看来，煤矿监控系统在日常工作中还是存在故障，尤其是出现高值的情况，针对这点问题，本文主要做了以下研究。

1 传感器模拟量错误以及解决措施

传感器模拟量出现误报主要体现在瓦斯浓度或者一氧化碳浓度较低时，传感器以及地面中心站均反映高值，导致这种情况出现的原因主要有以下几点：第一，传感器内部出现故障，例如集成块插脚和插座之间的接触不良等；第二，黑白元件的电桥输出过大，主要是黑白元件老旧导致性能受损；第三，调控不规范；第四，煤矿环境对传感器或者电路的影响，主要有进水或者磨损等，这些不良作用容易导致线路短路；第五，强磁场对通信线路的影响；第六，现场传感器与实际的检测数据相同，但是经过传送到达地面中心后，其数值又偏高，导致此情况出现的主要因为：分站编解码错误、线路受干扰、中心站错误识别传感器名称。

针对以上问题，可以采取以下措施：第一，必须保证传感器的质量，做好日常的维护工作，保证设备符合参数要求，运行状态正常；第二，井下监测工人必须落实岗位职责，指导现场人员正确使用并且保养好设备；第三，工作面的瓦斯传感器最好4d更换一次，以保证运作的稳定性；第四，设备必须安装防护罩，避免受到不必要的损坏；第五，为了避免迎头在工作时对线路造成损伤，因此最好用有屏蔽的数据线。最后在铺设线路时候，应该尽量避免大型机械设备的外压以及变频设备的磁场影响。

2 煤矿安全监控系统信号传送

当前我国大多的煤矿生产使用的是移频键控的传输方式，它包含KJJ107A网络交换机、地面中心站、井下分站、传输电缆等其他的传感器设备。通过复合分站主板中的通讯板和地面控制中心站中的调制解调器共同对数据调制解调，之后将数据传送到主机当中，信号幅值的变化范围在0.1V-10V中。

通讯板和KJJ107A网络交换机均使用RS-232C标准协议，RS-232C电平使用负逻辑1：-3~-15V，逻辑0：+3~+15V，单片机的SC1端口与电平转换电路相连接，分为将COMS的高压平与低压平分别转换为RS-232C的负电压信号和RS-232C的正电压信号，特殊的转换电路给予-9V与+9V。

在监控系统当中，井下分站与地面中心站之间的数据传输是关键点，主要的传输方式包括数字调频传输方式以及基带传输方式。

3 煤矿安全监控系统信号的影响因素

首先，是阻抗不连续的不良作用，当信号处于传输线尾端的时候其遭遇电缆的阻抗降低，这种情况下信号就会出现反射，此种反射原理类似于光在不同煤质间形成的反射想象，而消除此种反射的方法就是在电缆的尾部设置一个与电缆特性电阻数值一致的终端电阻，从而使电缆的阻抗过渡平稳保持连续。理论上来说，如果在电缆尾端跨接了与电缆特性阻抗一致的电阻，那么信号反射的情况就基本不会发生，但从实际应用上来说，因为电缆的特性还是会导致一定量的信号反射存在。

其次，除了阻抗之间的连接不连续外，数据收发器和传输电缆的阻抗未能协调统一也是重要的影响因素，而此类信号反射会导致在通讯线路空闲时，整个网络系统的数据紊乱。综上两点，信号反射对于数据的不良作用的根源是反射信号触动了接收器输入端的比较器，从而影响接收器收到的信号准确性，最终使CRC校检错误。

最后，监控系统在将信号传输的过程中，会受到矿井中不稳定因素的影响，容易导致瞬间出现高值的事情发生。当高值出现时，如果地面中心站正好对分站进行扫描，那么就会捕捉到瞬间高值的数据，产生高值的原因有：第一，电缆有分布的电感以及电容，其在数据中数字载频中上下行频率分别为4.1kHz、2.5kHz；第二，分站的供电电压不稳定，即在10.5V之下或者在13.5V以上；第三，开关电源的电源箱更容易出现高值情况，主要是由于12V开关电源的影响；第四，分站的主板、电源、探头的电阻过大。主要的改善措施有：一方面将KDW12中供电板的电压输出控制在12V，使其不小于10.5V或大于13.5V；另一方面，使分站主板和接口板12V电源连线中的插接座电阻归零，即采取压线式连接方式。

4 结论

综上所述，煤矿企业的发展离不开有效的安全监控系统，上文分析了高值产生的原因以及补救措施，要求煤矿部门健全运行管理知己，加强对维护技术的学习。导致监控系统瞬间出现高值的因素有很多，应该根据实际问题采取针对性的解决措施，及时发现问题并立即解决。

参考文献

[1]乜力，尹积婷，李喜员.煤矿安全监控系统实际应用问题探讨[J].测控技术，2013(12).

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2基于CAN总线技术的煤矿安全监控系统设计

基于CAN总线技术的煤矿安全监控系统共包括三大部分，即煤矿安全监控智能决策与管理系统、矿井网关及多矿井分布式监控子网络，下文分别进行介绍：

2.1煤矿安全监控智能决策与管理系统

煤矿安全监控智能决策与管理系统采用实时在线智能管理控制系统—因特摩系统来实现，其将包含了专家系统、智能搜寻器、自动机器翻译及计算机视觉等技术的智能系统与因特网、通信技术、自动化技术、实时数据处理技术及数据库技术等结合在一起，实现对工业生产现场的智能监控。在煤矿安全生产中应用因特摩技术，可获取更多事故预报的私有知识，以起到预报事故的作用，为安全生产管理者提供更多的参考信息，提高决策管理的针对性，将事故控制在萌芽状态。该模块包括分站监控机、主监控机及分布式系统，井下数据采集系统主要负责采集工作现场的实时数据，经网关提交至各分站监控机智能决策及管理系统，分站监控机分析后，将处理过的信息提交至主监控机与服务器，最终得出相关决策及措施，对应设备接收到相关控制信息后做出反应，实现矿井安全的智能决策与管理。

2.2矿井网关

矿井网关的主要作用是连接以太网及CAN总线。此处采用AT75C220芯片，该芯片具有两个以太网接口，并具备语音处理功能；该芯片嵌入网关，CAN总线通过网关连接以太网，由此可见，该模块中AT75C220处理器是关键部分。该芯片具有双MAC以太网端口及桥接器，用于连接以太网，其DSP语音处理功能可在以太局域网中接入电话。CAN控制器选择菲利浦公司生产的SJA1000、PCA82C250，其支持CAN2.0B通信协议，可实现对总线的差动发送及对CAN控制器的差动接收。以太网TCP/IP协议与CAN协议的转换是通过AT75C220芯片在网络层完成的，并通实现以太网与CAN总线网络的通信及互联。以太网接收IP包，拆包后取出数据，再按照CAN通信协议重新组成帧，发送至接入设备。通过该网关即可实现CAN总线设备与以太网的通信。

2.3井下分布式控制子网

井下分布式控制子网是整个煤矿安全监控系统的核心部分，其包括数据采集系统、各类控制设备及报警设备及分站监控机通信系统。数据采集系统的主要作用是对井下生产及工作环境进行监测，获得原始的现场数据，分站监控机通信系统的主要作用是将井下现场采集的数据与设备的运行状态信息传输至井上。通过单片机、独立CAN控制器所组成的接口模块，井下数据采集设备、各类生产设备、安全设备、控制设备及报警设备等才可实现与CAN总线的通信。井下数据采集设备采集各安全指标模拟量及各个开关状态量后，再通过CAN通信及接口模块将这些数据发送至CAN总线；此外，通过CAN通信及接口模块，井下生产设备及安全保障设备实现了与CAN总线与现场控制及报警器的连接，以便实时监控设备的运行状态。

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0.引言

瓦斯灾害是煤矿生产中的主要灾害之一，瓦斯防治对煤矿安全生产具有十分重要的意义，近年来，为了满足国民经济快速发展对煤炭能源的强劲需求，国内煤矿开采强度普遍增大；随着开采深度向深部延深，多数矿井由原来的低瓦斯矿井转变为高瓦斯或瓦斯突出矿井，这是近年来我国煤矿瓦斯事故多发的客观原因之一；另一方面，国内几起重大瓦斯事故的原因分析表明，瓦斯防治管理方面存在的缺陷也是导致瓦斯事故频繁发生的重要原因。

煤矿安全监控系统：是指利用信息管理、计算机网络等技术对矿井甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、风速、风压、温度、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主要通风机开停等实施远程动态监控管理，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等功能的系统。该文就煤矿瓦斯监控系统进行阐述，同时介绍了其存在的问题及其解决措施，具有一定借鉴意义。

1.煤矿瓦斯监控系统的结构组成

1.1中心站

1.1.1中心站系统组成

中心站由监控主机工控服务器、系统监控软件、网络附件系统、电源系统、网络打印机、中心监控大屏系统、大屏幕控制软件、大屏幕控制开关电源等组成。

1.1.2中心站软件功能

监控主机服务器可以进行数据存储、报警、显示、打印，同时可以在监控中心设置“各矿瓦斯数据监视大屏”，对井下各分站进行监测监控。主要功能有：（1）简单配置功能。地面可对井下分站、传感器的数量、类型、参数、安装地点等进行设置。（2）丰富的图形功能。各种瓦斯监测数据动态图形、柱状图、实时曲线、历史曲线显示。（3）用户根据实际情况自行设计实用的报表功能。软件可自动生成报表，报表内容、起止时间可由用户设定。（4）可靠的存储功能。软件可根据具体要求定时存储一组数据。（5）进行实时数据、实时曲线、实时报警数据、实时断电数据查看，历史数据显示，历史曲线、历史报警数据、历史断电查看，其它历史故障、传感器标定、传感器设置、数据传输设置。

1.2井下分站

尽管各厂的监控系统井下分站形式多样，但基本上具备以下功能：（1）开机自检和本机初始化；（2）通信测试；（3）分站设程控（实现断点仪、风电瓦斯闭锁、瓦斯管道监测和一般的环境监测）；（4）死机自复位且通知中心站；（5）接收地面中心站初始化本分站参数设置（如传感器配接通道号、量程、断电点、报警上限和报警下限等）；（6）分站自动识别配接传感器类型（电压型、电流型或频率型等）；（7）分站本身具备超限报警；（8）分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作和异地断电。

监控系统的软件设计主要解决煤矿井下采区现场监控设备的注册，具有数据的接收、转发、管理、和远程控制等功能。监控软件的结构和功能分以下几个模块：注册模块、数据接收模块、数据转发模块、数据存储处理模块、数据管理模块、数据模块、远程控制模块。

1.3通信接口

井下瓦斯等信息采用分时多路复用技术传输，信息的传输是井下监控分站的信息交换过程。信息传输的主要表现为：信息下发是由地面主机产生的，传输到井下的监控仪处理后，执行各种反馈任务。井上、井下信息传输设备接口通常采用RS485通信协议和CAN总线通信。RS485采用差分平衡式无地线传输方式，数据传输质量高，抗干扰能力强，符合欧洲工业标准。随着CAN总线技术的发展，分站通过CAN总线中心站计算机进行数据通讯，能够满足矿井监控系统对监控分站的要求。

1.4瓦斯传感器

传感器的稳定性和可靠性，是煤矿监测监控系统能否正确反映被测环境和设备参数的关键。催化的燃烧型瓦斯传感器是当前煤矿使用最广泛、最普通的瓦斯传感器，是煤矿用来监控矿井瓦斯动态的有效工具。随着其技术的发展与完善，该类型仪器近年来发展迅猛，产品种类繁多，从报警矿灯、便携式瓦斯报警仪到安全监控系统中的低瓦斯传感器，现已占据了煤矿瓦斯检测的主导地位。

2.煤矿瓦斯监控系统存在的问题及其解决措施

在安全监控系统方面，计算机硬件采购投入大，软件投入少；信息平台已建立，但没有有效利用各类信息。目前，在我国煤矿安全监测行业，煤矿安全监控系统并没有统一的通信协议，系统各自处于封闭状态，系统间无法实现信息资源共享，很难实现更高级别联网及实行监控和管理。

因此，煤矿瓦斯监控系统不应仅仅限于能实现监测监控，还应研发出能根据被监测环境地点的参数进行有效危险性判别、分析并提出专家决策方案的新软件。同时系统应用软件应向网络发展，按统一格式提供监测数据，针对通信协议不规范和传输设备物理协议不规范的情况，应尽快寻找一种解决系统兼容性的途径，或制定相应的专业技术标准。这对促进矿井监控技术发展和系统推广应用均具有重要意义，同时研制高可靠性瓦斯传感器、强化技术培训等等、提高现场管理和对监测系统的维护水平等等，都能很好的确保系统的正常运转。

3.结束语

随着国家经济的快速发展，煤炭工业出现了历史以来最好的情况，煤炭持续出现买方市场，煤矿效益大大提高，用在生产和安全方面的投入明显增加了，特别是最近几年通过国家安全治理整顿，加大安全监察和资金投入力度，落实国家提出的“先抽后采、以风定产、监测监控”瓦斯治理十二字方针后，全国各国有煤矿矿井基本上都购置安装了安全（通风）监测监控系统，实现了对井下瓦斯、一氧化碳、风速、风压、温度、风机开停、风门开关的自动、连续、集中监测和瓦斯超限、报警断电，曾多次避免了瓦斯和火灾事故。大部分矿区还实现了全局、全省监测数据联网，对煤矿安全生产起到了重要的促进作用。

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近年来我国对国外六七十年代开发的煤矿监控技术进行了广泛的应用，并且已经在各种矿井监控系统得到了迅速的发展，相应的配套产品的开始的到广泛的应用。如今，我国在煤矿中所使用的各种监测和控制系统就有十几种之多，而且在国有煤矿中都已将配备了相应的监控系统。另外由于监控系统的设置，有效地改善了我国的煤矿安全形势，在一定程度上提高了煤炭生产的安全性和现代化管理水平。

1 煤矿安全监控系统的现状

1.1 国外煤矿安全监控系统的现状

21世纪初开始，由于计算机技术，微电子技术以及通信技术的快速发展，机电一体化技术和自动化技术在部分国家已经开始应用，煤炭生产过程实现了自动化和集约化，开发出了自动化监控系统应用整个作业巷道，该系统是集语言、图像、数据、网络中的无线接入技术于一身的具有多种功能的监控系统，覆盖全矿井的每一个生产和生产支持领域，实现了对综采工作面和矿井运输，排水，供电等相关设施的工作参数以及矿井中瓦斯的浓度等相关参数的有效监测和控制。美国的MSA系统，德国BEBRO公司的茂德系统等都是这个领域具有代表性的矿井监测监控系统。

1.2 我国煤矿安全监控系统的现状

1983年至1985年的时间内，我国从美国和欧洲国家将其已经推出的几十套不同类型的煤矿安全监控系统引入到我国的煤矿开采中。1985年以来，我国通过对其他国家技术的改良和研发，先后开发了KJ4，KJ66，KJ70，KJ75，KJ80，KJ90，KJ92等型号的监控系统，如今安防监控系统接近30种，但是这些系统都存在通用性差，智能化程度低等问题。

（1）大多数现有的煤矿安全监控系统主要是应用于特定的监控对象（如环境安全，改善交通运输等）而设计的，我国的各种设备的制造商之间没有统一的要求，使得设备，配件无法通用，而且很难对系统进行扩展和升级。

（2）当今在煤矿中所使用的安全监控系统没有统一的通讯协议和物理层协议。在煤矿安全监控系统中所使用的现场总线主要有：英特尔公司BITBUS，德国的Profibus总线，德国博世公司的CAN和串行通讯总线（RS232，RS485），RS485串行通信总线传输方式是我国所主要使用的。控制系统主要采取主从结构的传输方式，这种方式不能建立一个多主冗余系统，利用专用的现场总线通讯协议来实现各现有的子站之间的控制，相互兼容性低，低系统的可靠性和可用性比较差，无法满足对作业系统的实时监控。

（3）现有的监控软件主要是针对特定的监控目的而进行开发的，很难通过简单的操作实现对多方面监测的目的，这种监测只停留在对监测量的收集，存储、监控和超限报警以及功率曲线产出水平图表和报表的输出，主要是对基本的数据进行处理和利用的简单形式。大多数监控系统只是对监测参数进行利用，但没有监管的职能，这是很难实现对煤矿作业的安全监管。

（4）远程智能故障诊断系统和远程维护功能也是比较缺乏的，系统虽然可以对所要监控的对象进行实时的监控，但是对于生产过程中所出现的故障无法进行及时的诊断，这就需要依靠专业人员对故障进行分析和判断，往往由于系统维护的不及时导致工作不能正常进行。

（5）当前所使用的监控系统缺乏煤矿事故决策支持系统的功能，很难对矿山事故进行及时的预测，预警，这样就无法避免事故的发生，用户也无法及时的获取解决方案。矿山终端的监控设备不具备黑匣子功能，这样就无法对事故产生的原因进行有效的分析。

2 我国监测监控系统的发展趋势

2.1 发展品种齐全、高可靠性的矿用传感器

国内监控系统所配备的传感器存在两个反面的主要问题：第一，就是品种单一，传感器用于监测环境参数的比较多，但很少有传感器被用来对生产设备工作参数进行监控；第二，现有的传感器的准确度，可靠性存在很大的缺陷。发展高可靠性和品种多样的传感器是当前限制监控系统发展的主要方面。在新型传感器的开发过程中，要有高起点，实现设备的高智能化。选择新的一次敏感元件，有效利用微处理器，实现自动调零，自动校准等功能的运用，现场配备总线标准远传接口。对所要输出的信号进行统一设置，由于环境安全参数的变化比较慢，可以使用的频率信号进行输出，这样传输的互换性就会提高，数据处理更加的简单，传感器的互换性得以实现。传感器要向复合型方向发展，对不同类型的传感器进行有机组合，使用不同的一次敏感元件，运用相同的转换，发送电路，对数据分时段进行采集和传送。

2.2 发展专家诊断、专家决策系统软件

我国的监控系统软件，目前主要是用于对被检测量的实时收集，存储和曲线、图形以及报表输出，对最基本的数据进行合理的处理。开发专家决策，专家诊断的系统软件是当务之急。例如对矿井中的瓦斯气体进行检测，在发生意外时，为员工提供最好的逃脱和避灾路线，及时对人员和设备进行抢救，并提供有效的决策；对机械设备的故障进行及时的诊断。

2.3 发展覆盖面广的监测监控系统

如今我国生产监测和控制系统的公司或机构就已经超过了20家，其所生产的产品则主要是对环境安全参数进行监测，如果安全参数异常，就会执行报警或断电控制。生产设备的监测，主要是对设备的开/关状态进行监控，当然有些监测系统还可以实现对风扇速度和风门的有效调节。覆盖面更广的监测和控制系统的研发，对于煤炭生产的综合自动化的实现打下了坚实的基础。

采矿设备应设计成机电一体化产品，装备，监控与远程传输设备不可缺少，实现与工业局网络的链接。开发，研制地面生产监测监控系统，对煤炭生产经营的各个环节进行监控。

2.4 规范网络结构，实现网络的标准化

中国的煤矿监测监控系统的子系统多基于独立运行，两级管理子系统通常是DCS系统，增加其网络结构树（中央车站级，子站层）。分层树结构是一个分层的管理体系，配置灵活，易于扩展，成本低，但星型网络结构比较复杂途径的中间节点（中心站），以连接主被摄体之间的两个节点（分站）特别是难以转移阻抗匹配，从而不稳定的传输质量缺陷，应引起足够的重视。

自20世纪90年代以来，监控系统的开发和发展都考虑了子系统之间的互联，为工业局网的发展奠定了基础，但选择网络结构时各种系统有不同的偏好。大柳塔煤矿监控系统中使用TOKEN-RING局域网，实现了逻辑环网，运用物理星型进行连接，传输速度较高而且还具有较高的可靠性，但是其成本相对较高。KJ66系统采用自主研发的Xdnet适时网络，使用Novell网络硬件介质，符合相关标准，这样能够对网络文件进行一般管理，并可以直接应用低级别的协议实现数据的实时传输。

所以，计算机网络适用的煤矿监测监控系统的研发，对网络体系结构进行规范，这样就能够实现网络的标准化。

总之，随着科学技术的快速发展和进步，煤矿中的监测系统也会有单一监控功能向综合信息系统的监测和控制，远程监控，设备故障排除和灾害预警的方向发展，全面发展煤矿安全监测监控系统的功能，实现煤矿生产的安全。

参考文献

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中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2013）008016502

基金项目基金项目：湖南省教育厅科研项目（12C0986）

作者简介作者简介：夏旭（1980-），女，硕士，湖南安全技术职业学院讲师，研究方向为无线传感器网络。

1 单片机应用技术课程改革思路

通过对湘煤集团各厂矿企业和周边地区相关企业进行调研，所有的企业均已根据国家相关部门要求安装有煤矿安全监控系统，而这些系统均利用了单片机技术。因此，可以以煤矿安全监控系统为载体，对单片机应用技术的课程教学内容、教学模式、教学方法以及考核方式进行改革，围绕煤矿安全监控系统中的瓦斯传感器和分站等组成要素，利用单片机对数据进行处理、转换以及超限报警断电应用，将传统的单片机应用技术课程改革为8个学习任务，分别是：①煤矿安全监控系统中单片机的结构；②单片机应用系统开发过程；③煤矿安全监控系统参数输入设置；④煤矿安全监控系统数据显示；⑤瓦斯报警器超限断电实现；⑥井下分站存储器扩展；⑦煤矿安全监控系统A/D转换电路；⑧煤矿安全监控系统故障处理及维护。

2 教学内容组织和安排

在教学内容的组织和安排上，以学生为主体，同时兼顾“教”和“学”两个方面。在“教”的方面，以单片机在煤矿安全监控系统中的应用为载体，以培养学生的职业能力和素养为目标，模拟企业中相应岗位的工作流程，在培养学生学习兴趣的同时，让学生切身感受到所学单片机课程在实际工作中的重要性。在“学”的方面，由于目前并没有以煤矿安全监控系统为基础的单片机应用课程的教材，因此，我们可以设计《学习指南》，该指南根据任务的要求，对每一个任务进行了学习指导，具体包括了任务布置、知识准备以及学习测试3个部分，其中，任务布置是对各任务进行了具体介绍和要求，要求学生在课前进行自学，使学生明确学习目的和任务；知识准备是对每一个任务所需的相关知识的整理，采用问题导入的方法，由易到难、由浅到深地对知识进行梳理；学习测试则是用来评价学生的学习效果，通常在各任务学习结束之后使用，教师可以根据学习测试的结果有针对性地调整教学进度，对学生集中出现的疑难问题重点进行讲解。

3 教学模式改革

根据知识转化的客观规律，在对学生学情进行分析的基础上，提出采用“三段式”教学模式，有利于提高学生的学习兴趣，变被动参与为主动学习。“三段式”教学模式是指将学习的过程划分为3个阶段：团队构建阶段、核心教学阶段和任务考核阶段，以下分别进行说明。

（1）团队构建阶段。团队构建是指组建两大团队，分别是教学团队和学生团队。在教学团队的组成上进行优化，引入企业的技术骨干，构成由专业教师和企业骨干组成的教学团队，学生则可以组建学生团队，每个团队设队长1名，共包括3～5名学生。

（2）核心教学阶段。核心教学是指将课程的教学分为三个进阶，分别是“获取任务、知识准备”阶段、“完成任务、理论转化”阶段和“任务总结、展示成果”阶段，它们的含义分别是：“获取任务、知识准备”阶段是在校内的煤矿安全监控系统实训室和单片机实训室实施，主要就是让学生先体验单片机在煤矿安全监控系统中的作用，然后布置相应的任务，由学生根据《学习指南》进行知识准备；“完成任务、理论转化”是在校外实训基地的企业煤矿瓦斯监控中心和监控设备维修点实施，主要就是在前一阶段的基础上，完成老师布置的任务，促进理论知识的转化；“任务总结、展示成果”阶段则是回到校内的实训室进行，根据前面两个阶段的收获进行资料整理、总结，并对完成的作品进行展示。

（3）任务考核阶段。该阶段是根据学生对知识的掌握情况进行考核，考核的对象不仅仅是学生本人，还包括整个学生团队，同时，团队之间还可以进行互评，这样做的好处是培养团队协作精神，增加团队凝聚力，有效地督促学生更好地掌握各知识点。

整个教学模式的设计过程可以用图1表示。

图1 教学模式设计

4 教学方法改革

为了提高教学效果，体现基于工作过程的理念，课程以“技术应用”为重点，采用“教、学、做合一”的教学方法，将教学的地点由传统的课堂搬到校内的煤矿安全监控系统实训室，单片机实训室以及校外实训基地的企业煤矿瓦斯监控中心。同时，为了培养学生的团队协作精神，让学生自由组合形成项目组的形式，对《学习指南》中的各任务进行讨论、分析，教师则主要承担任务演示和任务答疑工作，让学生真正成为学习主体。以任务“瓦斯报警器的实现”为例，在实训室让学生认识瓦斯报警器的构成、工作原理和使用方法，在企业的煤矿瓦斯监控中心，让学生以工作人员的角色参与实际工作，采用师傅带徒弟的方式，通过企业员工在工作过程中对学生进行引导和启发，培养学生的实际动手能力，同时，通过教师的讲解和答疑，达到理论联系实践的效果。由于采用项目组的形式，学生为完成各项任务，需要分工协作，将现场整理的资料以及各成员所见所闻进行归纳和汇总，最后形成总结性的文字，并要求以幻灯片的形式进行成果展示，回答教师提问，这样既锻炼了学生的归纳总结能力、语言表达能力，同时也进一步培养了学生的团队协作精神。

5 考核方式改革

教学方法改革必然需要考核方式进行相应改革。为了体现对学生能力的考核，应该改变以往传统的以笔试来定考核成绩的方法。为此，我们采取过程化考核和期末考核相结合的方法，在过程化考核中又细分为校内考核和校

外考核，在考核的评定方法中，采用多元的方法进行综合评定，以保证考核的公平公正，具体的考核方法说明如下：

（1）过程考核。过程考核是该课程考核的重点，为了和教学方法适应，可以包含4项评价内容，分别是学生自评、团队互评、教师评学生、教师评团队，而这4项内容又可以细分为校内考核占40%、校外考核占40%、成果展示占20%、过程考核共占总成绩的70%，具体如表1所示。

（2）期末考核。是指期末考试的成绩占总成绩的30%。通过以上两个部分可以得到学生最后的综合成绩，其计算方法可以表示为：

综合成绩=学生自评+团队互评+教师评学生+教师评团队[]8×70%+期末考核×30%

6 结语

根据单片机在煤矿安全监控系统中的应用进行教学改革，可以更好地依托学院的行业背景，获得更多的实训资源，提高教学效果，同时，也可以为相关工矿企业提供人才储备，为服务安全生产做贡献。通过对毕业生所在的工作单位进行回访，可以发现以煤矿安全监控系统为基础对单片机应用课程进行改革后，学生对单片机的应用能力更强，职业素养和能力得到了提高。

参考文献参考文献：

[1] 卞显兵.煤矿电气自动化对单片机的应用[J].硅谷，2008（4）.

[2] 马晓颖.浅析单片机在煤矿电气自动化中的应用[J].科技资讯，2011（7）.

[3] 董力.高职任务驱动式教学改革实践初探[J].北京财贸职业学院学报，2008（2）.

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中图分类号：X924.3文献标识码： A 文章编号：

1 前言

近年来,随着国家对煤矿安全生产的要求不断提高和企业自身现代化建设的需要,我国各大、中、小型矿井都陆续安装了煤矿监测监控系统。监测监控系统为各级生产指挥者和业务部门提供了环境安全参数动态信息,通过对被测参数的比较和分析,为预防灾害事故提供技术数据,便于提前采取防范措施；通过对被测参数实时有效的控制,及时实现自动报警、断电和闭锁,便于防止事故的发生或扩大；在发生事故的情况下,能及时指示最佳救灾和避灾路线,为抢救和疏散人员、器材等提供决策信息。

本文采用安全隔离网闸（GAP）机制，并将地理信息系统（GIS）、短信（SMS）、视频等多业务嵌入到煤矿传统远程监控系统中，为现代化煤矿的综合自动化提供安全可靠的信息平台，旨在保障煤矿井下工业控制网络安全的同时，增强煤矿企业综合自动化与信息化管理水平。

2 GAP 技术的原理

安全隔离网闸（GAP）技术是在物理隔离技术基础上发展的新型网络安全技术，它由带有多种控制功能专用硬件在电路上切断网络之间的链路层连接，并能够在网络间进行安全适度的应用数据交换和数据共享。安全隔离网闸采用特殊的硬件设备，主要由外部处理单元、内部处理单元、隔离硬件组成。

安全隔离网闸的工作原理是通过特殊隔离硬件将两个网络在链路层断开，又通过其硬件上存储芯片的读写完成数据交换，以实现两个网络安全适度的切换。也就是说在内网和外网之间建立“安全隔离网闸”，在保证内网连通时，断开与外网的连接；而外网连通时，断开与内网的连接，分时使用内外网中的数据通路进行数据交换，以达到隔离与交换的目的。安全隔离网闸主要包括安全隔离、内核防护、协议转换、病毒查杀、访问控制、安全审计、身份认证等基本功能。

3 基于GAP 的远程多业务监测系统的设计

3.1 安全隔离系统

基于对煤矿网际互连的现状以及安全风险分析，本文提出以下安全解决方案：淤在本地局域网建立数据库服务器，数据库服务器的作用是保存来自监控主机的实时数据，当用户访问实时数据时直接读取数据库服务器，不用再到监控主机读取。于将井下工业控制系统网络与企业局域网进行网络隔离，即在监控主机与以太网络数据库服务器之间布署网间互连单向安全隔离系统，其只允许数据从监控主机单向传输到数据库服务器。

3.2 远程多业务监测系统

基于GAP 的煤矿远程多业务监测系统设计主要分为网间互连单向安全隔离系统、数据采集系统和数据传输系统三大部分，如图1 所示。现场监测系统采集的数据通过上位机送往监测监控中心数据库服务器集中保存和管理，数据库服务器同时对外提供数据访问服务。监测监控应用服务器，与现场监测系统集成，主要完成与工业计算机的socket 通信请求实时数据，以及从监测监控数据库服务器读取历史数据。从监测网络上获取实时数据并完成远程监测以及历史数据的各种查询和分析。各级远程监测中心以监测监控中心应用服务器为依托，所有的历史数据的请求和实时数据的请求通过监测监控应用服务器完成，其自身保留一定时限的历史数据。监测监控应用服务器以B/S 架构向远程监测中心提供各种数据服务。

图1 基于GAP 的煤矿远程多业务监测系统架构

数据采集系统采用C/S 架构，监测业务分为监测数据、视频、GIS 数据三类，并构建基于TCP/UDP 的自定义通信协议和传输机制。瓦斯监测数据的采集通过一定条件的增量采集和传输机制完成；GIS 信息是处理的增加信息点的特征向量；视频信号采用MPEG4 压缩处理传输。数据传输系统根据区域不同划分为：①工业控制网络（Contralnet）到企业局域网（Intranet）数据传输。在这个两个网络之间的数据转换，采用传统的DDE/OPC/FTP（瓦斯监测数据首选）、SOCKET 数据包四种技术作为通信接口，采用TCP 的方式传输到数据采集服务器中处理。②煤矿企业局域网（Intranet）到远程数据中心（Internet）数据传输。这一段采用基于TCP/UDP 的自定义通信协议和传输机制，将瓦斯监测数据和GIS 数据送到远程数据中心（集团数据中心），针对这部分数据提供了三种可选通信模式：电话拨号，GPRS(CDMA)无线网络和企业Intranet，并在本地提供视频监测服务供远程访问。

4 远程多业务综合监测系统的实现

远程多业务综合监测系统采用Delphi7.0 为开发工具，结合SQL SERVER2000 数据库，采用Indy 组件作为数据传输机制。系统主要分为实时监测模块、GIS 查询模块以及多业务联动模块等。

4.1 实时监测模块

实时监测模块负责提取数据采集系统中监测到的井下瓦斯、风速、一氧化碳、温度、负压等模拟量安全参数和机电设备的开停、风门的开关、设备的供电状态等开关量数据，通过自定义协议和安全隔离系统传输到远程数据中心并进行存储和显示。同时提供数据查询、曲线分析、历史数据查询、传感器异常实时数据统计等多种功能。

4.2 GIS 查询模块

GIS 查询模块实现多煤矿监测，可对井下巷道地图进行放大、缩小、漫游、测量图层控制等操作，还可根据传感器，巷道、工作面定位查找；煤矿地图自动更新等功能。

5 结束语

积极推广监测监控系统的应用，实现煤矿安全生产是现代化煤矿企业应用新时期科技实现现代化安全管理的高效途径。伴随着软件系统技术的不断创新升级，监测监控系统将逐渐渗透至各相关管理领域。在煤矿安全生产管理中，要全面贯彻实施监测监控系统，利用体系化、自动化技术有机协调煤矿安全生产管理，提高煤矿安全生产效率。为了使煤矿安全生产管理与时俱进的发展，应该加大推广监测监控系统的应用，同时加强系统的创新研发，不断延伸开拓监测监控系统的效用，为煤矿安全生产提供技术保障。

参考文献:

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中图分类号：F407.42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-0010-01

0 引言

吕家坨矿业分公司是一家综合机械化采煤的大型矿井，年核定生产能力330万t/a。现装备KJ340矿用安全监控系统。随着矿井生产工程的进行，系统监控容量达到瓶颈，不能满足矿井长远发展需求。因此，必须对系统进行升级改造。

1. KJ340安全监控系统当前结构及存在的局限性

吕家坨矿业分公司目前使用的KJ340矿用安全监控系统采用树状网络结构，传输方式为主从、异步、半双工FSK，传输速率1200bps，系统监控容量为32台分站，传输介质为矿用阻燃通讯电缆。系统结构图见图一。

随着吕家坨矿井下生产区域的延伸和增加，监控分站数量达到40余台，超过系统最大监控容量，导致系统正常巡检时巡检周期和断电执行时间不能满足系统要求，给安全生产带来了隐患。

2 .改造方案

为保证矿井采掘工程的延伸，针对安全监控分站不断增加的需求，同时保证安全监控系统稳定可靠运行，缩短巡检周期。吕家坨矿采用冗余光纤环网传输技术对KJ340安全监控系统进行了改造。改造后的监控系统由光纤环网主干传输系统、地面中心站服务器系统、网络分站、监控分站和传感器等部分组成。改造后的的系统结构图见图二。

2.1 光纤环网主干传输系统

2.1.1 网络分站布置

网络分站作为光纤冗余环网节点设备之间采用光缆进行连接。采用KJ100N-F（A）网络分站。该网络分站采用模块化结构，主要由主板、光通讯板、I/O板等组成。其中光通讯板可提供两路独立的RS485用户子系统信号，并能够完成数据上传功能。安全监控系统作为一路RS485用户子系统接入网络分站。据吕家坨矿生产布局，网络分站主要分布在各个生产区域，安装在采区配电室、中央配电室等机电设备硐室内，为附近区域的监控分站提供数据传输接口。

2.1.2 光纤冗余环网铺设

吕家坨矿采用立井多水平开拓方式，共有三个生产水平，分别为-600水平，-800水平和-950水平。人员入井井筒主要有老副井和新混合井。老副井连通-600水平，新混合井连通-800水平。生产采区分布在-600水平西翼、-800水平东西两翼和-950东翼三，-950西翼正在进行开拓大巷延伸工程。未来-600西翼采区将逐步减少直至消失，新采区主要在-950西翼形成。光纤冗余环网铺设时综合考虑当前矿井生产布局及未来一段时间内的采掘工程变化情况，从保证光缆线路安全可靠，经济合理、施工维护方便等角度出发，进行路由选择，确定的铺设方案为从地面中心站分别铺设两根光缆到老副井和混合井，延井筒分别至-600水平和-800水平。-600水平光缆延-600西大巷至-600八采，再向下延伸至-800西翼，然后沿着-800西大巷至-800二采，再向下延伸至-950水平西翼巷道口。-800水平光缆延-800东翼大巷至-800三采，再向下延伸至-950三采，然后沿-950东大巷至-950西翼巷道口对接，形成光纤冗余环网。

2.2 监控分站改造

KJ340安全监控系统采用的监控分站型号为KJ340-F，该分站采用智能化设计，多CPU协同工作。有3个至传感器的通信端口，每端口最大可接10台传感器（控制器），分站最大传输信号30个量。该分站有一个至通信干线的端口，提供FSK和485总线两种传输方式，通过分站内部跳线进行传输方式选择。采用主从、异步、半双工FSK传输方式时，传输速率1200bps，没有继续提升传输速率的空间，采用485总线传输方式时，能够支持1200bps和2400bps两种传输速率。为扩充系统容量，监控分站采用485总线，通过对监控分站编程，使监控分站工作于2400bps传输速率上，系统监控容量可达64台。扩大了系统容量。

3. 改造施工及应用效果

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Abstract: as everyone knows the energy industry is the lifeblood of national economic development, however, the situation of production safety in China coal industry is not optimistic, especially the heavy, serious accidents occur frequently. In these accidents, and the majority of the gas explosion. There are many factors, but the coal mine production safety monitoring equipment is not complete, the backward management is one of important reasons which cause accidents. This paper mainly introduces the main content of gas control navigation control and gas safety monitoring equipment installation requirements and technical management, and finally prospects the development trend of coal mine gas monitoring system.

Keywords: coal mine; gas monitoring system

中图分类号：文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

1、引言

我们都知道瓦斯灾害是煤矿生产中的主要灾害之一，一方面为了满足国民经济快速发展对煤炭能源的强劲需求，国内煤矿开采强度普遍增大；随着开采深度向深部延深，多数矿井由原来的低瓦斯矿井转变为高瓦斯或瓦斯突出矿井，这是近年来我国煤矿瓦斯事故多发的客观原因之一；另一方面国内几起重大瓦斯事故的原因分析表明，瓦斯防治管理方面存在的缺陷也是导致瓦斯事故频繁发生的重要原因。因此瓦斯治理就成为煤矿安全生产的重点与难点。那么如何运用信息技术改善瓦斯防治管理手段、提升瓦斯管理水平，已经成为我国煤矿安全生产的迫切需求。

2、瓦斯防治导航监测管理主要内容

什么是煤矿瓦斯安全监控系统呢？所谓煤矿瓦斯安全监测系统 是指利用信息管理、计算机网络等技术对矿井甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、风速、风压、温度、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主要通风机开停等实施远程动态监控管理，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等功能的系统。

目前,我国煤矿多数矿井都装备了瓦斯安全监测系统。同时随着电子技术、计算机软硬件技术的发展和企业自身发展的需要，煤矿安全综合信息化网络监测管理应用系统等到了快速发展。人们就可以通过安全监测系统来分析判断、提醒和报警实现生产矿井瓦斯防治导航的技术，来确保煤矿系统的安全运行。 瓦斯防治导航监控管理主要有以下内容：

（一）监测系统监控管理内容

监测系统以采掘工程平面图为基准，新建添加各种监控传感器及必备的监控内容，设计有传感器说明牌、传感器监测表，对监测数据进行定性、定量分析、评价的监测表，实现对监测传感器的定位管理，对监测数据、监控区域的预测、预报、预警，判断更直接、快速。

（二）通风系统主要设施监控管理内容

通风系统以采掘工程平面图为基准，新建添加各种通风设施，设计有设施说明牌、设施监测表，对通风设施监测数据进行定性、定量分析、评价的监测表，实现对通风系统设施管理的预测、预报、预警，根据授权进行签名评价、消警、处理，消除安全隐患及导航系统报警信号。

（三）采掘生产系统主要监控管理内容

在数字化的采掘工程平面图上对采煤工作面和掘进工作面的适时位置进行活化处理，根据其推进度按时更新，系统将根据其更新的适时位置线对推进前方影响区域内瓦斯情况进行分析、评价、预测、预报、预警。

（四）瓦斯地质信息监控管理内容

瓦斯地质以采掘工程平面图为基准，划出高瓦斯区、高瓦斯带、突出威胁区、突出危险区，随采掘工作面推进按监测表要求，随时进行预测、预报、预警。

3、瓦斯安全监控设备安装时的要求及技术管理

煤矿企业在对瓦斯安全监测设备安装时必须符合以下要求：

①瓦斯监控装备必须具有煤安标志，设备下井前必须经过调试、校正，检查合格后方可使用。对于没有煤安标志和合格证明的设备一律不准下井和安装使用。

②监控设备必须按设计要求进行安装，各项技术参数的取值也必须符合设计要求。

③监控设备的供电电源必须取自被控开关的电源侧，严禁接在被控开关的负荷侧。

④电缆要求：本质安全型监控装备其输出本质安全型部分可不按防爆要求管理，但其关联设备仍要按防爆要求管理。

⑤井下主机或分站应安设在支护良好、无滴水、无杂物的进风巷道或峒室内，且距巷道的底板距离不得小于300mm。

⑥传感器必须垂直悬挂。

⑦设备安装完毕经过调校，测试合格，由瓦检员、安装人员、施工单位共同在安装申请单上签字，然后移交给施工单位使用和保管。

加强瓦斯监控设备的技术管理

①矿井技术人员要充分利用计算机数据库的监测资料，定期组织分析，查找瓦斯超限或设备故障的原因，制定针对性的措施，以确保安全生产。

②加强技术资料管理。技术人员要经常收集整理各种瓦斯监控技术资料，并分门别类进行建档。

③配齐瓦斯监控人员，强化培训、提高素质、确保瓦斯监控工作的正常开展。安装、维修及监控室值室人员必须经过专业培训并经考试合格后挂证上岗，不合格的不得上岗。

4、煤矿瓦斯监控系统的发展趋势

①智能化自检功能

系统故障自检功能向智能化发展，具有对故障的智能分析、判断功能，改变系统自检功能单一、简单的情况，做到系统常见的软件和硬件故障都能通过门检功能进行判断， 从而缩短故障处理时间，更好地保障矿井安全生产。

②规范通信协议

通信协议不规范的后果是造成设备购置重复， 不能随意进行软硬化升级的改造。制定统一的专业技术标准，对促进矿扑监控技术发展和系统的推广应用具有十分重要的意义。

③实现监控信息网络化

根据监控系统网络化管理的需要， 监控系统的实时监控信息被网络共享，系统应用软件按统一的格式向外提供监测数据，每一台在网远程终端都可以共享监控信息， 为决策和管理层提供决策依据。

④传感器技术得到改善，将开发出高品质的传感器

未来的高性能传感器的寿命、抗高浓冲击性能、抗中毒性能将会得到改善。

5、结论

总之，瓦斯安全监测系统是领导煤矿安全生产决策提供科学可靠的第一手材料，是及时协调和正确指挥生产的重要途径。充分发挥煤矿瓦斯监测的重要作用，有效遏制煤矿重特大瓦斯事故的发生，规范瓦斯监测系统的运行管理，从而真正发挥监控系统在 “一通三防”中的作用，保证瓦斯监测系统正常运行，能够使煤矿安全生产得到进一步提高。

参考文献