專利名稱：一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，按國(guó)際專利分類 表(IPC)劃分屬于固定建筑物部，鉆進(jìn)采礦分部，礦井或隧道中或其自身的安全裝置，運(yùn) 輸、充填、救護(hù)、通風(fēng)或排水的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)有的和曾有的鉆進(jìn)采礦分部，礦井或隧道中或其自身的安全裝置，運(yùn)輸、 充填、救護(hù)、通風(fēng)或排水的技術(shù)領(lǐng)域?qū)ΦV山安全生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)方面做過(guò)很有成效的研究，也曾 設(shè)計(jì)出了許多優(yōu)秀的方案。如2005年中國(guó)專利局公告的由遼寧工程技術(shù)大學(xué)付華、王傳 英、杜曉坤發(fā)明的，授權(quán)公開號(hào)為CN1664312A，名稱是《礦井自然發(fā)火監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方 法》的發(fā)明專利，所采用的技術(shù)方案礦井或隧道中或其自身的安全裝置，運(yùn)輸、充填、救護(hù)、 通風(fēng)或排水的技術(shù)方面是一例很有價(jià)值的發(fā)明，它在克服以往技術(shù)不足的情況下，提供了 一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便、抗干擾性強(qiáng)的礦井自然發(fā)火監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法，為保證礦山 特別是煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障。隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，高原采礦逐漸被提上 了日程。然而，高寒、高海拔、低壓、缺氧等惡劣的工作環(huán)境給礦山工作人員的身體安全與 健康造成了極大地危害，因此，有必要對(duì)高原礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)預(yù)警， 以保證工作人員的身體安全與健康，進(jìn)一步提高工作效率。而在礦井或隧道中或其自身的 安全裝置，運(yùn)輸、充填、救護(hù)、通風(fēng)或排水這一技術(shù)領(lǐng)域?qū)ι鲜鰡?wèn)題尚未進(jìn)行深入的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀， 以實(shí)現(xiàn)高原環(huán)境下對(duì)非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過(guò)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、 從硬件和軟件兩方面解決在高原缺氧環(huán)境下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)失真和系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降等 一系列技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明要解決的上述技術(shù)問(wèn)題所采用的新的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，包括系統(tǒng)采集控制終端、通訊 組網(wǎng)和控制主機(jī)三部分；所述系統(tǒng)采集控制終端包括智能型可編程數(shù)采模塊、傳感器模塊、顯示屏及輔助 設(shè)備；所述智能型可編程數(shù)采模塊具有多個(gè)通訊口，與傳感器模塊連接，并連接至通訊 組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與控制主機(jī)的通信；所述傳感器模塊包括A濃度傳感器、co濃度傳感器，CO2濃度 傳感器，NO2濃度傳感器，溫度傳感器及濕度傳感器，所述傳感器模塊均采用CYBER工業(yè)級(jí)氣 體傳感器模塊；所述通訊組網(wǎng)包括CAN總線及轉(zhuǎn)換模塊；智能型可編程數(shù)采模塊及控制主機(jī)分別 與轉(zhuǎn)換模塊相連接，再通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)通信；
所述控制主機(jī)連接有一液晶顯示器，控制主機(jī)對(duì)系統(tǒng)采集控制終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理并輸出至液晶顯示屏進(jìn)行顯示；其特征在于所述監(jiān)測(cè)儀采用系統(tǒng)采集控制終端與控制主機(jī)一體化的架構(gòu)，所述 系統(tǒng)采集控制終端采用全鋼機(jī)箱，全鋼機(jī)箱上設(shè)計(jì)有風(fēng)道、濾網(wǎng)及風(fēng)扇，傳感器模塊安裝在 風(fēng)道中；所述控制主機(jī)采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用全鋼機(jī) 箱、進(jìn)氣過(guò)濾網(wǎng)以及機(jī)箱正壓技術(shù)。進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有ISA標(biāo)準(zhǔn)主板。進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述智能型可編程數(shù)采模采用ZT-300系列多通道智 能型可編程數(shù)采模塊。進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述控制主機(jī)連接有指示燈，所述控制主機(jī)對(duì)系統(tǒng)采 集控制終端采集的空氣環(huán)境參數(shù)設(shè)定安全值時(shí)，超過(guò)安全值時(shí)，指示燈進(jìn)行報(bào)警。進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述傳感器模塊采用即插式傳感器設(shè)計(jì)，可針對(duì)不同 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的要求選擇不同的傳感器。進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述傳感器模塊對(duì)采集的傳感器信號(hào)進(jìn)行了防交叉 干擾優(yōu)化，采用反演算法。進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，還包括一備份主機(jī)，所述備份主機(jī)與控制主機(jī)相連接 通信，在控制主機(jī)正常工作時(shí)，對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份；在控制主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備份主機(jī) 接替控制主機(jī)的任務(wù)保證用戶數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，高原采礦逐漸被提上日程。然而高海拔、高寒、缺 氧的惡劣環(huán)境為高原采礦提出了一系列的工作難題。本發(fā)明是目前國(guó)內(nèi)首個(gè)針對(duì)高原非煤 礦山開發(fā)研制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它對(duì)于改善井下工作環(huán)境、保證井下工作人員的安全與健康以 及提高工作效率具有重要的實(shí)際意義。


附圖給出本發(fā)明的高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖1 本發(fā)明高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀整體結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2 本發(fā)明高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀下位機(jī)外觀示意 圖；圖3本發(fā)明高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀通訊方式示意圖；圖4 高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀下位機(jī)工作原理示意 圖；圖5 本發(fā)明高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀控制系統(tǒng)主界 面；圖6 傳感器溫度的漂移曲線；示意圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明1風(fēng)道；2顯示器；3電源線；4通訊線；5傳感器；6控制器；7通訊轉(zhuǎn)換器8變壓 器；9交流電源
具體實(shí)施例方式該高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀主要由下位機(jī)(也叫系統(tǒng) 采集控制終端)、通訊部分和上位機(jī)(即控制主機(jī))三大部分構(gòu)成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 其中，下位機(jī)包括PLC主控制器、相應(yīng)的I/O和模擬量模塊、通信接口模塊、傳感器模塊、液 晶顯示屏以及輔助設(shè)備等，1-風(fēng)道兩端各有一個(gè)風(fēng)向相反的微型風(fēng)機(jī)，有助于井下風(fēng)流順 利通過(guò)下位機(jī)風(fēng)道。下位機(jī)外觀結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2 ；通訊選用能夠兼容Modbus防議、且很 好的與現(xiàn)存的RS-232，RS-485網(wǎng)絡(luò)及支持RS-232，RS-485協(xié)議的儀器儀表進(jìn)行通信的CAN 總線作為系統(tǒng)各部分的通信網(wǎng)絡(luò)，通訊原理示意圖見(jiàn)圖3 ；上位機(jī)選用臺(tái)灣研華系列工業(yè) 控制計(jì)算機(jī)。下位采集控制終端以采用ZT-300系列多通道智能型可編程數(shù)采模塊(PLC)做為 本系統(tǒng)采集控制終端的核心設(shè)備，ZT-300型PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，包括了電源系統(tǒng)、I/O系 統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、CPU系統(tǒng)等，集成度高，配置靈活，具有高速采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、光電隔離抗 干擾性好等特點(diǎn)，具備多通訊口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)液晶顯示(Ρ0Ρ-ΗΜΙ人機(jī)界面)和通訊組網(wǎng)，使 用方便。根據(jù)高原非煤礦山實(shí)地測(cè)量得到的井下空氣參數(shù)的大致范圍以及充分考慮井下的 具體環(huán)境、測(cè)量量程以及精度，選擇了 CYBER工業(yè)級(jí)氣體傳感器模塊作為下為采集控制終 端的傳感器，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器模塊采集井下的02， CO，NO2，溫度，濕度等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，通過(guò)采集控制終端LCD液晶顯示屏可以在工 作現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)查看井下空氣環(huán)境參數(shù)的變化情況，同時(shí)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)缴衔槐O(jiān)控主機(jī)， 其工作原理示意圖見(jiàn)圖4。在系統(tǒng)運(yùn)行中，采集控制終端能夠保存一段時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)，因 此即使通訊網(wǎng)絡(luò)或上位機(jī)發(fā)生故障，系統(tǒng)采集控制終端仍然可以照常運(yùn)行，保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) 不會(huì)丟失。由于本系統(tǒng)所選的PLC主控制器只支持RS485/RS232通信總線，不支持CAN總線， 所以在通信網(wǎng)絡(luò)中用RS485/RS232轉(zhuǎn)CAN總線的轉(zhuǎn)換模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)選擇了 北京科瑞興業(yè)科技有限公司的K-7110智能通訊總線轉(zhuǎn)換模塊。K-7110智能通訊總線轉(zhuǎn)換 模塊連接RS232/RS485/RS422和CAN網(wǎng)絡(luò)，延長(zhǎng)通訊距離，擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)。K-7110智能通 訊總線轉(zhuǎn)換模塊支持CAN2. OA和CAN2. OB協(xié)議，接口規(guī)范符合IS0/IS11898。它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)為線型、星型、樹型，傳輸速率為RS232/RS485/RS422 :1200 57600BPS CAN :5K IM BPS，傳輸介質(zhì)采用屏蔽或非屏蔽雙絞線。上位機(jī)設(shè)置一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理，控制主機(jī)通過(guò)CAN 總線與采集控制終端進(jìn)行通信。選用的研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用了全鋼機(jī)箱、進(jìn)氣過(guò)濾網(wǎng) 以及機(jī)箱正壓技術(shù)，有效防止了粉塵進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部和發(fā)生碰撞等導(dǎo)致計(jì)算機(jī)損壞以及計(jì)算 機(jī)不穩(wěn)定的因素。主板采用ISA標(biāo)準(zhǔn)，可以方便地進(jìn)行內(nèi)部模塊擴(kuò)充，使其在維修和升級(jí)換 代方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。鍵盤鎖以及前置鍵盤插孔的設(shè)置，有效保證了操作安全以及防止 誤操作。為了提高可靠性，關(guān)鍵部件采用了工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，保證系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。 上位機(jī)采用采用冗余設(shè)計(jì)，配置一臺(tái)備份主機(jī)，當(dāng)控制主機(jī)正常工作時(shí)，備份主機(jī)只是一個(gè) 普通的節(jié)點(diǎn)，僅對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。一旦控制主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備份主機(jī)及時(shí)接替控制 主機(jī)的任務(wù)，以保證用戶數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。傳感器是檢測(cè)信號(hào)的產(chǎn)生裝置的，它的可靠性直接決定了信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。(1)溫濕度等環(huán)境因素的影響溫濕度能對(duì)傳感器的輸出造成微小影響，在精度要求比 較大的情況下，需要對(duì)影響的值進(jìn)行補(bǔ)償。圖5是試驗(yàn)測(cè)得的溫度對(duì)氧氣傳感器的影響示 意圖，使用軟件對(duì)溫濕度進(jìn)行了補(bǔ)償，根據(jù)溫度參數(shù)對(duì)氧氣濃度進(jìn)行修正，修正系數(shù)為λ = l+(t-20)/1000溫濕度對(duì)毒氣傳感器(電化學(xué))也有影響，傳感器的輸出會(huì)隨溫度和濕度的變化 而微弱變化，但影響較小，可以不予考慮。從礦山實(shí)地測(cè)量的情況看，濕度范圍在工作范圍 內(nèi)，所以不需要采取特殊措施。( 交叉干擾及傳感器選擇對(duì)氣敏傳感器來(lái)說(shuō)，其他氣體 會(huì)對(duì)目標(biāo)氣體的信號(hào)輸出造成一定影響，現(xiàn)在一般采取硬件措施弱化干擾，或者用軟件進(jìn) 行補(bǔ)償修正。毒氣傳感器的反應(yīng)機(jī)理大致相同，所以干擾較大，故在測(cè)得氣體之間的相互干 擾數(shù)據(jù)后，可以在軟件中進(jìn)行修正。表1是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的5種氣體傳感器的交叉干擾數(shù)據(jù)。表1實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器交叉干擾數(shù)據(jù)表
權(quán)利要求
1.一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，包括系統(tǒng)采集控制終端、通訊組 網(wǎng)和控制主機(jī)三部分；所述系統(tǒng)采集控制終端包括智能型可編程數(shù)采模塊、傳感器模塊、顯示屏及輔助設(shè)備；所述智能型可編程數(shù)采模塊具有多個(gè)通訊口，與傳感器模塊連接，并連接至通訊組網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)與控制主機(jī)的通信；所述傳感器模塊包括O2濃度傳感器、CO濃度傳感器，CO2濃度傳感 器，NO2濃度傳感器，溫度傳感器及濕度傳感器，所述傳感器模塊均采用CYBER工業(yè)級(jí)氣體傳 感器模塊；所述通訊組網(wǎng)包括CAN總線及轉(zhuǎn)換模塊；智能型可編程數(shù)采模塊及控制主機(jī)分別與轉(zhuǎn) 換模塊相連接，再通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)通信；所述控制主機(jī)連接有一液晶顯示器，控制主機(jī)對(duì)系統(tǒng)采集控制終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理并輸出至液晶顯示屏進(jìn)行顯示；其特征在于所述監(jiān)測(cè)儀采用系統(tǒng)采集控制終端與控制主機(jī)一體化的架構(gòu)，所述系統(tǒng) 采集控制終端采用全鋼機(jī)箱，全鋼機(jī)箱上設(shè)計(jì)有風(fēng)道、濾網(wǎng)及風(fēng)扇，傳感器模塊安裝在風(fēng)道 中；所述控制主機(jī)采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用全鋼機(jī)箱、進(jìn) 氣過(guò)濾網(wǎng)以及機(jī)箱正壓技術(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在 于所述傳感器模塊可以設(shè)置有多個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在 于所述研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有ISA標(biāo)準(zhǔn)主板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在 于所述智能型可編程數(shù)采模采用ZT-300系列多通道智能型可編程數(shù)采模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在 于所述控制主機(jī)連接有指示燈，所述控制主機(jī)對(duì)系統(tǒng)采集控制終端采集的空氣環(huán)境參數(shù) 設(shè)定安全值時(shí)，超過(guò)安全值時(shí)，指示燈進(jìn)行報(bào)警。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特 征在于所述傳感器模塊采用即插式傳感器設(shè)計(jì)，可針對(duì)不同監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的要求選擇不同的 傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征 在于所述傳感器模塊對(duì)采集的傳感器信號(hào)進(jìn)行了防交叉干擾優(yōu)化，采用反演算法。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在 于還包括一備份主機(jī)，所述備份主機(jī)與控制主機(jī)相連接通信，在控制主機(jī)正常工作時(shí)，對(duì) 上位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份；在控制主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備份主機(jī)接替控制主機(jī)的任務(wù)保證用戶數(shù) 據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明按國(guó)際專利分類表(IPC)劃分屬于固定建筑物部，鉆進(jìn)采礦分部，礦井或隧道中或其自身的安全裝置，運(yùn)輸、充填、救護(hù)、通風(fēng)或排水的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀主要由下位機(jī)(也叫系統(tǒng)采集控制終端)、通訊部分和上位機(jī)(即控制主機(jī))三大部分構(gòu)成，目的在于為礦山提供一種新型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以解決高原環(huán)境下對(duì)非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警等一系列技術(shù)難題。本發(fā)明是針對(duì)高原非煤礦山高海拔、高寒、缺氧等惡劣工作條件而研制的，它對(duì)于改善井下工作環(huán)境、保證井下工作人員的安全與健康以及提高工作效率具有重要的實(shí)際意義。
文檔編號(hào)E21F17/18GK102053136SQ20101055006
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者于跟波, 呂文生, 唐志新, 楊鵬, 董憲偉, 蔡嗣經(jīng), 門瑞營(yíng), 陳贊成, 黃萍 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué), 北京聯(lián)合大學(xué)