2瓦斯与人员二合一.doc

一、嵌入式二合一管理系统 1.1 概述 随着矿井生产越来越规范，为降低投入成本和维修成本，同时减轻维护人员工作强度，提高工作效率，结合中小型矿井实际，我院开发一套集瓦斯监控系统与人员定位、电网监控于一体的KJ90嵌入式综合管理系统。该系统从地面监控中心、通讯线路、监控分站均共用。目前有基于工业以太环网现场总线和纯总线结构两种方式。 KJ90嵌入系统综合管理系统符合AQ6201煤矿监控系统标准、AQ1029煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范及AQ6210煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件。是目前行业内为数不多的多合一型煤矿管理系统。该系统同时具备KJ90NA/NB瓦斯监控系统、KJ251A型煤矿人员管理系统和KJ284电网监控系统全部功能和特点。 1.2 系统结构 KJ90型嵌入式综合管理系统主要由地面中心站、KJ90-F16（B/C）系列监控分站、配套传感器和KJF210系统读卡器、KGE系列识别卡、电缆及辅助材料组成。其结构如图 1KJ90嵌入式综合管理系统。 1.2.1 地面中心站 地面中心由监控计算机2台或4台，操作系统WIN XP/2003，KJJ46传输接口或者核心交换机，信号及电源避雷器，KJ90NA/NB型监控软件，KJ251A型煤矿入井人员管理系统软件，其他外设（打印机、UPS电源等）。根据盐井矿实际采用已规划的工业以太网传输，本方案配置2台计算机、操作系统WIN 2003中小企业版2套、电源避雷器及相关软件。 3 图 1KJ90嵌入式综合管理系统 1.2.2 监控分站 KJ90型嵌入式综合管理系统采用嵌入式监控分站，有KJ90-F16B型和KJ90-F16C型嵌入式分站。该分站采用基于ARM内核的32位嵌入式微控制器，运行速度可达72MIPS，是传统MCS-51系列单片机的72倍。 KJ90-F16B型分站采用数码管显示，是基于瓦斯监控系统与人员定位系统二合一；可挂接多种传感器，能对井下多种环境参数诸如瓦斯、风速、一氧化碳、负压、设备开停状态、读卡器等下级智能设备等进行连续监测，具有多通道、多制式的信号采集功能和通讯功能，并及时将监测到的各种环境参数、设备状态传送到地面中心站，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。 KJ90-F16C型嵌入式分站采用液晶屏显示，是基于瓦斯监控系统与电网监控系统二合一或者人员定位系统与电网监控系统的二合一。可挂接瓦斯监控系统中各种传感器、人员定位读卡器和电网监控系统每台高低压智能型开关柜。对相关设备进行连续采集数据，具有多通道、多制式的信号采集功能和通讯功能，通过 4 工业以太网能及时将监测到的各种监测信息传送到地面中心站，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。 ✧ 功能介绍 ● 16路普通模拟量开关量互换输入口，可接入的传感器信号类型如下 ⏹ 频率型传感器； ⏹ 1mA～5mA 或4mA～20mA电流型； ⏹ 1mA/5mA或4mA/20mA开关量； ⏹ 触点型开关量。 ● 提供一路脉冲量采集输入口； ● 提供一路RS485智能口与带智能口的各种传感器通讯； ● 提供一路RS485主通讯接口与矿用网络交换机或通讯接口相连； ● 提供一路10/100Mbps自适应以太网接口与矿用网络交换机相连。 ● 8路控制输出，远程控制兼容常开/常闭控制与电平控制。 ● 双排数码管及LED显示实时时钟、采样值、控制口状态、通讯状态、电 源状态等。 ● 可采用遥控器对分站进行设置。 ✧ 技术优势 ● 核心控制芯片采用基于ARM内核的32位嵌入式微控制器，运行速度可达 72MIPS，是传统MCS-51系列单片机的72倍； ● 内置嵌入式实时操作系统，采样、通讯任务可同步进行，并可设定各种任 务的优先级，使控制输出更及时； ● 支持的传感器接口类型丰富，可满足矿方各种应用要求； ● 分站采用大容量的、高可靠性、快速的存储芯片，用于统计传感器、控制 口、电源状态变化发生的准确时间。并通过主通信上传至中心站； ● 作为通用型矿用分站，可同时具备瓦斯分站及人员定位分站的功能，即采 集瓦斯数据的同时也可以在分站的智能口采集人员定位读卡器数据； ● 分站自带10/100Mbps自适应以太网接口。在以太网平台可延伸到的地方， 主通讯采用以太网方式替换传统的RS485通讯方式，提高通讯速率，降低巡检周期时间； ● 满足AQ6201-2006标准的4.11章节关于抗干扰性能的要求； 5 带软件滤波功能，能最大限度滤除瞬间干扰带来的大值。 1.2.3 配套传感器 该系统（200-1000）Hz、1-5mA或4-20mA标准制式传感器信号接入和1V与5V、触点信号输出，要求必须接入联查设备。 1.2.4 KJF210系列矿用读卡器 接收标识卡发出的无线人员编码信号，并实时进行传输。KJF210系列矿用读卡器可将采集的信息传输给监控分站或者直接传输给地面中心站。一般在各井口和主要分叉处设置读卡器，根据矿井实际情况，若需达到较精确定位，所使用读卡数量有关。本次设计采用KJF210B双向读卡器。其构成及布置简图如图。 图 0矿用读卡器安装布置图 1.2.5 KGE116系列识别卡 KGE116系列识别卡承载唯一的人员编码信息，当被无线信号激活后，将编码数据发送给读卡器。KGE116系列卡有KGE116A、B、C、D四种（A、B、C型为单向卡），该标识卡为免充电方式。A型为圆形卡，可固定在矿帽上、矿灯上，B型为条形卡，胸卡式，C型为腰卡式。D型为双向腰卡，该卡可通过卡上按钮在紧急情况下向监控中心求救，同时地监控中心也可向某一张卡或者某一区域卡进行呼 6 叫。本次方案设计采用KGE116D双向通讯卡投标。 1.3 系统功能特点 1.3.1 瓦斯监控系统功能 主要监测井上、下的各测点的环境参数瓦斯、一氧化碳、风速等和主要生产设备运行状态。在一些重要的地点安装传感器后，一些环境参数和运行状态可以直接在地面中心站上反映出来，减少了井下有关的检查和值班人员，帮助领导和调度员及时掌握安全生产情况，发现安全隐患时及时通知有关人员处理，使值班人员能够及时了解工作面的有安全环境参数的变化情况，对于存在的隐患能够迅速作出处理决策，避免可能发生的事故。因此整个系统在保障安全，提高生产效率等方面将发挥重要作用。具体表现如下 软件方面 KJ90NB型煤矿安全监控系统的软件，包括其系统主控软件、网络终端软件、报表查询处理软件、作图软件、图形工作站软件等。随着计算机技术和软件开发技术的发展而不断升级换代，已发展到现在的WIN2000/2003，是目前国内煤矿监控系统最先进的监控软件之一。 由于在软件开发过程中采用了先进的可视化面向对象程序设计技术、多线程、动态链接库及对象嵌入技术，使得系统的模块化程度进一步提高，可适应不同用户对系统规模的要求，有很高的扩展性和开放性； 由于系统运行于WIN2000/2003多任务环境，并在数据通讯方面采用了动态链接库及多线程技术。实现了真正的实时响应及前后台监测数据的无缝链接； 监控数据采用先进的变值变态存储技术，存储时间长，可大10年以上。 主控机软件有一个控制软件包，为用户提供以选择方式编制各种自动控制方案的功能，从而为实现远程异地自动控制和数字逻辑运算提供可靠手段。异地控制与监控分站和智能传感器输出控制组成三重控制，从而保证瓦斯超限断电，万无一失； 系统对各分站监测点的瓦斯浓度或其它模拟量参数每天形成班、日报表，并形成瓦斯浓度及其它模拟量参数的分析趋势图，可随时查询打印；开关量每天形成班、日报表。 7 联机定义或修改系统中的各种传感器、分站及控制器的类型、安装位置及控制通道。对模拟量传感器的上下限报警、断电值可多级别定义。系统配置灵活，允许用户随时接入或删除分站、传感器、断电器。 软件支持无缝挂接中煤科工集团重庆研究院十五攻关项目研制开发的矿井瓦斯灾害预警系统模块，使矿井安全可以实现超前预测预报。 软件支持强大的语音报警功能和短信报警功能。（需增加相应硬件设备） 硬件方面 中煤科工集团重庆研究院是从事煤矿安全技术的专业研究院，有很强的技术实力，具有独特的技术优势，运用于系统的井下设备在质量及性能方面在国内属一流，而且我们一直在跟踪当今先进技术，不断地完善和发展； 系统监控分站、电源开发了各种型号规格，形成了大、中型一体化及分体式等系列，可满足不同需求，且在产品体积、重量、性能方面较同类产品具有较大优势。 在各类传感器及断电器方面KJ90NB型煤矿监控系统是国内自配套性最强的系统，其各类传感器、断电器全部由自己生产制造，传感器种类齐全，断电器有多种系列可以选用，完全能满足用户的不同需要，不但如此，我们生产的各类传感器、断电器等还给国内许多系统配套，在市场上占有很大的份额，许多传感器如瓦斯、风速、烟雾、CO等属国家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”攻关成果，具有很高的性价比。 监控分站及传感器实现了智能化，调校均采用红外遥控方式，操作简单方便。 分站含备用电源，当交流断电时，分站与传感器由备用电源供电，可连续供电2小时以上。 系统分站有多种系列供用户优化配置，分站初始化后，可存储地面中心站对该分站的报警断电等控制设置，而且分站可以就地通过红外遥控器进行手动初始化。 在井下分站完全断电情况下之后恢复供电，即使井下分站与地面中心站失去通讯联络，分站也能够继续、独立地进行工作，自动恢复记忆，按照事先给定的要求实现瓦斯超限断电报警、断电和复电控制功能，断电逻辑可实现瓦斯风电闭锁装置和瓦斯断电仪的全部功能。断电距离大于2.5Km，分站断电时间小于2S。 8 井下监控分站设计有高可靠性的保护电路和程序纠错功能，在分站出现故障时，可在极短的时间内自动复位并重新启动单片机投入运行；即使分站仍不能正常运行，也可自动脱离系统，不影响其它分站正常工作。 分站模拟量与开关量可以随意互换。不受端口的限制，充分提高了分站端口的利用率，使系统设计更加优化。 监控分站支持一根四芯电缆带2台传感器的应用，可节省大量电缆，减少施工量和维护量。 监控分站具有智能接口，通过一根两芯传输电缆可挂接8个智能设备。 系统与井下失去通讯联络时，分站能存储最新两小时数据，恢复通讯后可将此数据传回中心站主机，以弥补历史数据。 分站具备故障闭锁功能；当与闭锁控制有关的监控设备未投入正常运行或故障时，立即切断相关电源并闭锁；当与闭锁控制有关的监控设备工作正常并稳定运行后，自动解锁。 电路设计时，对分站所有与外界联系的输入输出电路部分增加了安全栅隔离电路及保护电路，以防误接线或线路信号异常等外界因素对分站造成的损害，使得系统的可靠性得以进一步提高。 使用的各类传感器全是矿用本质安全型产品，智能高、低浓度瓦斯传感器采用红外遥控调校，工作电流≤70mA，催化元件的寿命大于1年，调校期大于一个月，传输距离最大可达2.5Km且可以不带新鲜空气在井下进行调零。具有抗H2S中毒的功能。 中煤科工集团重庆研究院推出了先进的红外瓦斯传感器，其使用寿命、调校周期、检测反应时间等关键参数较传统的热催化检测原理有显著提高。 为煤矿加强对瓦斯检测员的有效管理，系统支持接入瓦斯电子显示排版装置，在地面监控软件上实时记录每个瓦斯检员每班的工作情况。 系统配接有断电馈电传感器，使系统控制断电的执行情况有反馈，一旦发生断电执行有误，系统将立即实现报警提示。 此外，可以连接电流、电压、功率等模拟量类传感器；还可监测设备开停、风门、馈电状态、风筒、烟雾、电网刀闸等开关量传感器。 9 1.3.2 人员定位系统功能 系统安全性数据的管理采用SQL Server2005，所有的用户和权限采用集中授权，所有操作和登陆留有日志；只有超级用户和管理员才能修改数据和增加、修改用户以及权限的功能。 抗干扰性系统无线通讯采用2.4G直接序列扩频通讯技术，抗干扰能力强，通讯距离远。 系统软件双机热备份功能系统主体软件采用先进的实时唤醒技术，使主备机具备双机自动切换功能。 系统采用C/S和B/S相结合的结构形式，把业务逻辑层和表现层分开，在浏览器浏览实时人员监测信息和图形监测信息时无须另加任何软件。 系统对井下人员可实时自动跟踪监测，位置自动显示。 可实时跟踪查询、打印当前及某时间段井下人员数量、活动轨迹及分布情况。 在人员出、入井口设置检卡器，用于检测入井人员标识卡的完好性，保证系统的正常运行。 结构简单，配置灵活可根据具体需要及投资情况灵活设置井下无线数据监测站。监测站设置得越多，则划分的定位区域越多，人员定位的空间范围越准确。 系统能方便实现识别范围的调整，识别距离0-100m可调。 系统能可靠识别静态或≤80km/h的高速移动目标。 单台目标识别器可同时识别200张以上的人员标识卡，允许多人以“鱼贯而入”、“成组成群”的方式通过检测点，不影响井下人员的正常通行和正常作业。 读卡器和标识卡具有完全独立的发射与接收部件，其核心技术均由嵌入式微处理器和嵌入式软件组成。 标识卡采用高级嵌入式微处理器，在嵌入式软件的控制下，实现编码、解码、通信及信息碰撞处理等功能。 标识卡超低能耗设计，KDE116单向系列卡电池免维护使用2年以上，KDE116双向系列卡，可更换电池，电池使用1年以上，并具有欠压指示功能。 图形绘制功能系统提供的图形编辑软件能制作矢量图形，并且可导入 10 AutoCAD格式的图形；绘制的图形在配套的监测的B/S终端上可实时刷新显示，图形具有放大、缩小、移动等功能。 数据存储功能读卡器或者分站在通讯中断或主机发生故障时，仍能独立工作，可存储2个小时的数据，当通讯恢复后监控主机可提取数据自动完成数据修复。 信息录入功能系统具有单位部门和人员信息的录入、修改、删除的定义，以及煤矿实际应用中的班次定义、班次灵活分配的功能。 自动识别功能乘车出入的工作人员无需下车，在车辆进入监测区域后，就可自动完成人员定位及考勤功能。 识别区域内无方向性、无盲区，对人体没有伤害。 系统在进行实时数据采集时，可进行记录、显示、查询、编辑、人工录入、网络通信等。 系统中心站及网络终端可以联网运行, 使网上所有终端在使用权限范围内都能共享监测信息，查询、打印各类数据报表。 门禁功能根据需要在煤矿井下限制员工进入特殊区域。如果有未经许可人员接近该区域可发出声光报警信号，同时地面监控主机也会发出报警信号。 报警功能可以对下井人员限制出入时间及地点，如果超过授权时间或进入未经授权的地点都会触发报警设备发出警示，以便控制人员迅速做出反映，采取安全措施。 系统可自动生成人员信息数据库，实现考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，提高管理效益。 矿井一旦发生安全事故，监控中心在第一时间内可以知道被困人员的基本情况，便于事故救助工作的开展。 系统具有人员活动轨迹再现功能。 1.3.3 其它先进功能 接口丰富 输入端口支持16路普通量输入，1路智能输入，1路脉冲量输入，1路RJ45输入（可选），1路RS485主通讯输入。 输出端口支持8路电平或者触点控制输出。 11 ✧ 显示方式 分站支持数码管显示和LED显示，具有价差，根据现场实际情况确定显示方式。显示值有实时时钟、采样值、控制口状态、通讯状态、电源状态等。 ✧ 抗干扰性方面 满足AQ6201-2006标准的4.11章节关于抗干扰性能的要求。带软件滤波功能，能最大限度滤除瞬间干扰带来的大值。 ✧ 其它 ● 核心控制芯片采用基于ARM内核的32位嵌入式微控制器，运行速度可达 72MIPS，是传统MCS-51系列单片机的72倍。 ● 内置嵌入式实时操作系统，采样、通讯任务可同步进行，并可设定各种任 务的优先级，使控制输出更及时。 12 13