矿机0901班学号29270113张森毕业综合实践报告Word文档格式.docx
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摘要.......................................................................................................................1
第一章绪论…………………………………………………………………….2
1.1概述国内外监控系统及其技术的发展…………………………………2
1.2需求分析
第二章
系统总体设计……………………………………………………………4
2.1矿井监控系统以及相关组成……………………………………………4
2.2矿井监控系统相关设计
2.3煤矿安全监测监控系统设备选型…………………………………………7
第三章井下监控分站设计……………………………………………………….8
3.1监控分站与井下各关联设备的连接………………………………………8
3.2井下监控分站设备选型………………………………9
第四章安全监控系统安装标准
4.1安全监控系统组成……………………………………………………10
4.2煤矿企业监控室设计和安装标准
4.3煤矿企业井下分站、电缆和电源的设计和安装标准
4.4煤矿企业井下各类传感器的安装标准
4.5安全监控系统监控软件的名称定义及图例说明
第五章安全监测监控系统管理制度
相关传感器设备选型……………………………………………………….16
结束语………………………………………………………………………………..23
参考文献………………………………………………………………......................24
致谢……………………………………………………………………………………2
摘要
我国是一个煤炭大国,大中小型煤矿星罗棋布,为国民经济的发展提供了有力的能源支持。
但是长期以来,我国对瓦斯的治理和利用严重滞后,煤炭生产一直被安全问题所困扰。
近年来,煤矿安全状况形势更加严峻,不断发生爆炸事故,造成大量矿工伤亡和财物的大量毁损。
随着人民群众对安全思想的日益提高,煤矿安全监控系统应运而生,。
煤矿安全监控系统及其技术是随着煤炭工业和社会经济的发展而逐步发展起来的。
因此论文中会首先对于国内外安全监控系统及其技术的发展过程及现状做一个介绍,同时会对安全监控系统目前存在的问题和未来发展趋势做一个探讨。
也正是由于这些问题的存在以及安全监控检测手段的落后,作者才会对于煤矿安全监控系统的设计做一些探讨和研究,特别是对于瓦斯气体的检测和监测。
因此,后面的几个章节会是对安全监控系统的一个整体的分析和设计,这其中包括系统构成、设计要求及特点、通信系统的设计、井下分站的设计、瓦斯传感器的设计和各类传感器控制器等等。
特别是对于系统井下网络结构的探讨,通过分析比较现在主要几种系统的井下网络结构,提出了较为完善的井下网络结构。
在各类井下事故中,瓦斯事故是最严重,也是发生频率最高的一类事故,所以在整个安全监控系统中,对于瓦斯气体的检测和监控就显得十分重要。
因此论文中也会对瓦斯气体的检测和监控进行一些探讨。
这也是本设计的一个特点。
关键词:
安全监控,井下分站,瓦斯传感器,通信系统。
第一章绪论
1.1概述国内外监控系统及其技术的发展
中国的一次性能源70%来自煤炭,在当今能源紧张的形式下,煤炭行业更得到了人们的关注,但是与之而来的最大问题是煤矿安全,事故频频发生,无论是对煤矿工人还是整个行业都带来了阴影。
煤矿安全的最大危害是瓦斯,如何监测瓦斯浓度等指标以及监控矿底的实施现场,成为了煤矿行业发展的必经之路。
我国煤田遍布全国,但煤层的赋存条件和地质情况差异很大,很多矿井自然环境恶,受到水火瓦斯粉尘顶板事故等自然灾害的威胁。
在这些自然灾害所造成的事故中,瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30%-40%。
特别是瓦斯煤尘爆炸事故,危害更为严重。
因此,预防瓦斯事故是煤矿安全工作的重点。
在煤矿中,装备矿井安全监控系统装置是防止瓦斯事故的重要手段,深入了解其工作原理,掌握使用维修技术是煤矿安全工作者的责任。
实践证明,这一措施对提高我国煤炭行业整体的安全水平起到了重要的作用,特别是各个煤矿企业安装矿井监控系统以来,有效得遏制了各类井下事故得的发生,大大减少了事故给井下工人带来的危害,也有效的保护了国家的煤炭资源。
所以,探讨和研究矿井安全监控系统具有长远性和现实性的特点,它也是工人和社会的需要和要求。
矿井安全监控技术是伴随煤炭工业发展而逐步发展起来的。
1815年,英国发明了世界上第一种瓦斯检测仪器-瓦斯检定灯,利用火焰的高度来测量瓦斯浓度。
20世纪30年代,日本发明了光干涉瓦斯检定器,一直沿用至今。
40年代,美国研制了检测瓦斯气体的敏感元件-铂丝催化元件。
1954年,英国采矿安全研究所制成了最早的载体催化元件。
60年代以后,主要的产煤国家都把发展崔体元件作为瓦斯检测仪器的主攻方向。
电子技术的进步推动了瓦斯监控装置的进一步发展,首先是研制小型化个人携带式仪器,以后是矿井进空系统,如70年代后期法国研制的CTT63/40矿井监控系统英国的MINOS系统美国的SCADA系统等。
自2000年以来,随着国家对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。
现状
(1)发展过程
我国监测监控技术应用较晚,80年代初,从波兰、法国、德国、英国和美国等(如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200)引进了一批安全监控系统,装备了部分煤矿;
在引进的同时,通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况,先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统,在我国煤矿已大量使用。
实践表明,安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用,各局矿已作为一项重大安全装备。
由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因,或者已淘汰、或者停产。
因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。
特别是近年来由于老系统服务年限将至,已无继续维修维护的必要,系统面临更新改造的机遇。
随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要,国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统,以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。
同时,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,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。
(2)系统组成
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。
结构图如下:
我国煤矿监测监控系统的技术水平
1、系统中心站
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。
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。
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。
随着计算机软件技术日新月异的发展,目前,各厂家的系统应用软件正不断更新版本,如KJF2000系统中心站应用软件版本2.40和MSNM局域网络终端应用软件版本1.1的操作界面全部实现了可视化和图形化功能,而且具备矿井采空区火灾早期预测预报和专家决策分析功能;
具备皮带运输机全线火灾监测功能;
具备井下瓦斯抽放监控功能。
2、局域网络
网络系统应用软件。
抚顺分院开发率先开发的WEBGIS数字化矿山安全监测监管网络系统应用软件版本1.10,采用人性化设计,利用WebGIS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(通风系统图、采掘工程平面图、井下运输系统、抽排水管路系统图、电气系统布线图等)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发布(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。
其网络结构如下:
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l
l通信测试功能
分站设程控功能(实现断点仪功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管道监测功能和一般的环境监测功能等)l
死机自复位功能且通知中心站l
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)l
l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l
l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。
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。
实践表明,综合评价我国现有煤矿监测监控系统及配套传感器等设备的现场应用效果,煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90、天地科技股份公司常州自动化分公司的KJ95、煤炭科学研究总院抚顺分院的KJF2000和北京瑞赛公司的KJ4/KJ2000等系统无论在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企业性质和生产规模等方面几本代表了我国煤矿监测监控系统的技术水平。
目前存在的问题
通信协议不规范
由于现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用通信协议,所以,很难找到两个相互兼容的系统。
目前,信息传输系统的兼容性已成为装备监控系统的各集团公司、矿井进一步补套和扩充系统功能的制约因素,主要是用户在装备了某厂家的系统后,在众多型号、价格不同、功能各具特色的监控系统的软件、硬件(如分站)的补套以及服务等方面,就别无选择地依赖于这个厂家。
有些矿井为了安全生产的需要,在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下,不得不废弃原有系统而另选择其他的系统。
因此,通信协议不规范的后果是造成设备重复购置、系统补套受制于人和不能随意进行软硬件升级改造。
井下信息传输设备物理接口协议不规范
井下信息传输设备物理接口协议不规范也是制约用户进一步补套和扩充系统功能的关键因素。
如KJF2000和KJ4/KJ2000系统,尽管两种系统均采用FSK技术,以及信息传输波特率均为1200bps或2400bps,但其传输信息的调制频率不同和传输信息的收发电压幅值不同也造成这两种系统的分站不能兼容。
传感器等质量不过关
与监测监控系统配接的甲烷传感器已成为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键技术装备,并越来越受到使用单位和研究人员的普遍重视。
据统计,国产安全检测用甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件,然而,长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁的缺点,严重制约着矿井瓦斯的正常检测,与国外同类传感器比较差距较大。
主要问题是:
a.抗高浓冲击性能差。
在巷道瓦斯涌出量大的情况下元件激活。
反复作用的结果造成零点漂移并使其催化性能下降,抗高浓冲击性能差是造成元件使用寿命低、稳定性差的主要原因。
b.对过分追求低功耗的元件,在矿井高湿度环境条件下,CH4在元件表面燃烧生成的水蒸气易于凝结在元件表面,降低元件使用寿命。
c.抗中毒性能差;
d.载体催化元件制作工艺水低,元件一致性差。
现场管理和维护水平有待于加强
尽管国家和各省、地、市煤炭管理部门强制性要求各大、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,并加大了对矿井安全生产的管理力度,但一些地方国有煤矿,特别是乡镇小煤矿,多数由于缺乏专业技术人员而不能正常使用和维护已装备的系统,甚至对系统配接的传感器根本不进行调校。
市场秩序亟待规范
大大小小的系统生产厂家的不断出现,无疑存在着市场竞争条件下初级阶段的恶性竞争,其结果是不仅损坏了厂家的利益,而且由于导致生产企业的系统研发后劲不足、技术支持能力降低,最终将影响产品用户的正常使用。
此外,由于煤矿监测监控系统涉及计算机的软硬件技术和网络化管理技术、系统传输设备的软硬件技术、各种传感器技术、系统的完善和升级改造技术、技术支持和服务能力等综合性技术。
因此,在选择某种系统时必须特别强调厂家的企业规模、研发能力、系统的技术水平和技术支持能力等。
发展趋势
a.系统不仅能实现监测监控,而且在软件技术上应研究开发能根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案。
同时系统应用软件应向网络化发展,按统一的格式向外提供监测数据。
b.针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范尽,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的推广应用均具有十分重要的意义;
c.研制高可靠性瓦斯传感器;
d.矿井瓦斯爆炸多半是由电气火灾引起的,因此应研制智能化的高压开关柜、高压真空馈电开关、低压真空馈电开关等,依此向系统提供多参数的信息,如电流、电压、单相/三相漏电电流、开关运行状态、开关机械/电气闭锁状态等;
e.制定科学、合理的政策法规,研究提高煤矿安全管理水平的管理技术,使我国的煤矿安全生产管理从以人治为主,发展到以法治理。
1.2需求分析
当前现有的煤矿安全监控系统大多存在通信协议不规范、井下信息传输设备物理接口协议不规范、传感器等质量不过关、煤炭企业中装备安全监控系统的比例有待于进一步提高等问题。
为适应不同类型煤矿的需要,监控系统应具有灵活的配置方式。
大型矿井可以配置主扇监测、皮带运输、瓦斯抽放等小系统,并实现分站智能化、系列化。
掘进工作面的分站应具有风电瓦斯闭锁功能。
小型矿井因测点较少,只布置分站或智能化传感器就可以满足需要。
要进一步开发传感功能和信息处理功,能一体化的智能化传感器,传感器之间的联锁关系由计算机软件判别实现。
丰富传感器的种类,开发氧气传感器机生产监控方面的各类保护性传感器。
还应考开发瓦斯突出和自然发火等预测、预报软件。
在监控系统应用较多的矿务局,可以实现监控系统全局联网,以进一步提高矿井的自动化管理水平,增强矿井的抗灾能力。
第二章系统总体设计
2.1矿井监控系统以及相关的组成
矿井监控系统是由单一功能的甲烷监测、就地断电控制的瓦斯遥测系统和简单的开关监测模拟调度系统发展而来的。
由于早期的系统监测参数单一、监测容量小、电缆用量大,难以满足煤矿安全生产的需要。
随着采煤机械化程度的提高和传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展,矿井监控系统已由早期的单一参数的监测系统发展为多参数单方面监控系统。
矿井监控系统应具有模拟量、开关量、累积量、数据采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能,用于监测甲烷浓度、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、局部通风机开停、主通风机开停,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。
矿井监控系统由地面中心站、监控软件、传输接口装置、井下智能分站、各种相关矿用传感器等组成。
地面中心站配备监控主机和打印机。
主机通过传输接口与各分站通讯,监测主机屏幕可以显示动、静态图形、数据、曲线、通风(流向)图、测点配置图等,打印机可打印监测参数报表。
本煤矿监控系统是将计算机网络、矿井安全和生产实时监测、电力监测、工作面综合监测等系统综合在一起,形成一个完整的、实用的矿井监控系统。
根据需要各部分既可以集成在一起,又可以单独使用,以满足矿井的不同需求。
该系统是一个集散型的系统结构,其信息的检测及分站等设备的布置完全按照矿井的特点设置,使各部分设备都能充分合理运用,以满足矿井管理的要求。
系统设计框图如图2.1所示:
图2.1
在井下掘进头和采煤工作面分别设置瓦斯、一氧化碳等传感器,并在测点相对集中的区域设立小分站和电源。
系统具有甲烷超限报警功能,甲烷传感器用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量,当被监视区域风流中甲烷浓度达到预置的报警点时,由系统发出声、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。
由分站、动力开关、断电馈电转换器以及设备开停状态传感器等组成了风电甲烷闭锁装置,实现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,输出切断被控区域汇动力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。
2.3煤矿安全监测监控系统设备选型
设计系统拟采用KJ90煤矿安全监测监控系统,该系统可接64个分站级设备,其中分站为4路模拟量输入、4路开关量输入、4路开关量输出。
其传输方式为异步串行,FSK(移频监控)调制解调方式,传输速率为1200/2400bps,传输芯线为2芯,传输距离为地面主机到分站信号传输距离15km;
分站到传感器之间信号传输距离1.5km巡检周期应≤25s,误码率应≤
,模拟量传感器信号为200-1000Hz,数字量传感器信号为无电位触点信号或0、5mA电流信号。
整个系统采用“变值变态、疏密接合、数据库动态生成”的存储方法,使系统的数据存储更为合理。
数据的存储期限:
根据计算机硬盘的容量一般为20年左右。
该系统的应为使用环境
温度:
0℃~40℃
相对湿度:
≤98﹪(25℃)
大气压力:
(85-110)kPa
允许周围有瓦斯、煤尘爆炸危险环境中使用
周围介质无腐蚀性气体
第三章井下监控分站设计
井下监控分站是煤矿综合监测监控系统的关键配套设备,主要实现对各类传感器的数据采集、实时处理、存储、显示、控制盒以及与地面监控中心的数据通信。
具有红外遥控初始化设置功能,可独立使用,实现瓦斯断电仪和瓦斯风电闭锁装置的全部功能。
3.1监控分站与井下各关联设备的连接
监控分站与井下各关联设备的连接如图3.1所示:
远程断电器
井下监控分站
隔爆型电源及远程控制
模拟量传感器
开关量传感器
中心站
图3.1
3.2井下监控分站设备选型
设计分站拟采用KDF-2型井下监控分站:
该分站可挂接多种传感器,能对井下瓦斯、风速、一氧化碳、负压、开关状态等多种环境参数传送到地面中心站,并执行中心站发出的各种命令,并执行中心站发出的各种命令,及时发出报警和断电控制信号。
⑴信号端口:
16路信号输入端口、4路近程断电控制口、4路远程断电控制口、1路通信口;
⑵传输距离:
①分站至地面通信接口之间的通信距离≤25km;
②分站到传感器之间的信号传输距离≤2km;
③分站到控制执行器之间的信号传输距离≤2km;
⑶传输速率:
分站至地面中心站之间的数据传输速率为1200bps;
⑷断电控制功能:
手动控制、自动控制、异地控制;
⑸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;
(6)具有监控设备故障闭锁功能,防止不接入监控设备违章生产;
⑺配接的传感器种类、量程、断电点、复电点等参数在地面中心站主机定义生成以程序下装到分站,分站免编程;
⑻根据测点定义,分站能够执行异通道断电功能,使井下断电控制更灵活;
⑼分站装有备用电池,交流电源掉电后自动投入工作,供电时间≥2h。
一、安全监控系统组成
1、煤矿安全监控系统:
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、风速、风压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、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。
2、安全监控设备由主机、传输接口、分站、断电控制器、声光报警器、电源箱、避雷器、甲烷传感器、风速传感器、风压传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、烟雾传感器、设备开停传感器、风筒传感器、风门开关传感器、馈电传感器等设备组成。
二、煤矿企业监控室设计和安装标
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