煤矿安全监控系统介绍精选(十四篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的14篇煤矿安全监控系统介绍，期待它们能激发您的灵感。

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关键词：无线技术；煤矿安全监控系统；研究现状；系统设计

0 引言

利用煤矿安全监控系统能够实时了解到井下瓦斯、CO、粉尘等浓度，并根据《煤矿安全规程》、《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》（AQ1029―2007）、《煤矿安全监控系统通用技术要求》（AQ6201―2006），将瓦斯浓度控制在安全范围内，避免因瓦斯、CO、粉尘等浓度过高而引发煤矿重大、特大瓦斯、煤尘爆炸事故，在造成人员伤亡的同时还制约了煤矿开采事业的发展，阻碍了我国经济建设的步伐。从近几年的煤矿事故来看，主要是煤矿安全监控系统不够完善造成的，难以对瓦斯、CO、粉尘等浓度形成有效的实时监控，针对这种现象，必须加大煤矿安全监控系统的研究和开发力度。

1 无线技术的概括

无线技术的核心是传感网技术，在利用无线技术进行通信时，通信信号会以电磁波的形式传递、扩散出去，信号在传播过程中不受空间限制，可以在较短的时间内完成信号的发送和接受，且通信内容在传递过程中不会发生变化，能够保证信息的完整性和准确性。无线技术不铺设专门的电缆便可以完成通信，能够根据用户实际需求自由选择终端节点的安放位置，安装更加方便、快捷，同时还可节约网络安装和维护费用，已经被广泛应用于多个领域中去。

2 煤矿安全监控系统介绍及其研究现状

2.1煤矿安全监控系统介绍

我国煤矿安全监控系统目前较多的采用有线通信方式，主要由上位计算机、井下分站和传感网络三部分组成，三部分设备依靠光纤电缆连接在一起，完成信息数据传输，其工作原理如图1所示。上位计算机是整个系统的中枢部分，完成对系统运行的调控、信息数据的输入、输出以及储存，将瓦斯浓度的动态变化显示出来，当浓度超过设定的安全范围时便会发出警报，然后系统会发出命令对其区域内的动力电进行瓦斯电闭锁，并对未来走向进行预测；井下分站主要是完成通信信息在上位计算机和传感器之间的传递，起到信息数据传输的纽带和桥梁作用；传感器是信号转化装置，在特定电压和电流条件下，传感器可以将物理信号转化为易于传输的电信号，使煤矿安全监控系统的通信更加方便、高效、准确。

2.2煤矿安全监控系统研究现状

根据煤矿瓦斯监控方式的不同，可分为人工监控及自动化监控两种，人工监控是通过设置专门的人员对煤矿动态情况进行掌控，对其中容易出现事故的环节和因素进行处理，这种监控方式工作效率较低，且容易因人为操作失误或工作不认真影响监控效果；自动化监控是利用软件及硬件设施对煤矿动态信息进行收集和分析，系统会根据信息内容作出相应的反应，有效提高工作效率和监控水平，保证监控的精准性。煤矿安全系统的通信方式包括有线通信和无线通信，其中有线通信方式受地下环境影响较大，所用到的传感器都是固定的，通信电缆的铺设难度较大，且后期维护和修理很不方便，当出现通信故障时很难及时进行控制和处理，加剧了故障问题的影响，不利于保证井下作业安全，同时工程成本也比较高；无线通信方式不受地下环境的限制，系统运行更加智能化，可有效节约人工和材料成本，当出现故障问题的时候，可以快速对其进行维修，保证测量的精准性。

3基于无线技术的煤矿安全监控系统设计

3.1系统硬件设计

将无线技术应用于煤矿安全监控系统中，传感器节点的设置是系统硬件设计中的重点内容，主要由传感器模块、微处理器模块、无线收发模块、显示模块、报警模块以及电源模块六部分组成。在设置传感器节点的时候首先要保证节点位置的准确性，进而才能完成数据的采集、传递与处理；其次还需要保证传感器节点分布的密集型和科学性，对整个煤矿形成全面覆盖，提高监控系统的整体性和连通性。

（1）微处理器模块

传统微处理器模块对单片机的处理不到位，受PC机结构影响较大，在应用无线技术之后，在微处理器模块使用AT mega128L单片机，可以有效解决PC机结构对单片机的影响，在提高微处理器模块运行效率的同时还能降低运行成本。

（2）无线收发模块

系统通信信号的接收和发出都是由无线收发模块完成的，该模块属于射频集成电路，其中在进行节点设备射频芯片设计时采用的是ZigBee技术，提高了收发信号的灵敏度，可以快速对信号做出反应，并且该技术下的收发信号具有较强的稳定性和抗干扰能力，能够在最大程度上保证信号的准确性和完整性。

（3）显示和报警模块

显示模块和报警模块是联合工作的，系统通过对煤矿动态情况进行监控，当出现危险信号的时候可以将具体信息以及数据显示出来，并利用报警器发出报警声，同时LED信号灯也会发出红光引起人们的注意，完成对危险信号的报警，进而及时采取有效的措施加以解决，排除存在的安全隐患。

3.2系统软件设计

（1）系统程序设计

程序设计是软件设计的重点，数据的传输以及网络的维护主要是依靠汇聚点程序完成的。汇聚点可以与多个形式网络节点进行连接，将系统中的所有数据汇总到一起，完成对数据的处理以及向下一级网路结构的传递。汇聚点程序在整个数据传输过程中起到连接作用，计算机数据处理中心与各个网络节点之间的信息传递与反馈全都需要依靠汇聚点，是系统完成无线数据传输的核心程序。

（2）网络结构以及WSN通信协议

煤矿安全监控难度较高，在应用无线监控技术的时候，需要建立逐级传递的网络结构，通过将系统网络进行区域性的划分，能够实现对系统运行的全面调控，在提高监控力度、保证监控全面覆盖方面起到了重要作用。利用逐级网络结构形式，一个簇头可以同时完成不同节点的信息传输及处理，使数据传输情况更加清晰明了，提高了数据传输效率，能够实现更加理想的监控效果。WSN是指无线传感器网络，由传感器、监控对象以及监控人员三部分组成，在设置无线传感器网络时，需要根据矿井的开采进度进行相应的调整，为了保持与作业进度的同步性，可以在矿工身上安装传感器节点，保证监测信息的时效性。

4 结束语

煤矿事故的频发使人们越来越重视煤矿安全监控系统性能，基于无线技术的煤矿安全监控系统弥补了传统监控系统中的不足，提高了对瓦斯、CO、粉尘等浓度的监控力度，能够有效降低煤矿事故发生概率，在保证矿工生命安全方面起到了重要作用，利于我国煤矿开采事业的稳定发展。

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【关键词】 安全 监控 传感器

《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。

参 考 文 献

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督查组听取了两旗煤炭管理部门关于春节期间的安全生产工作部署和安全监测监控系统运行情况介绍，检查了两旗远程监控平台，并抽查了准格尔旗官板乌素煤矿和唐公塔煤矿、伊旗裕隆富祥煤矿和伊泰公司大地煤矿。

准旗、伊旗地方政府及煤管部门按照《中央办公厅、国务院办公厅关于做好2009年元旦、春节期间有关工作的通知》（简称《“两办”通知》）和《国务院安委办关于切实做好元旦、春节期间安全生产工作的通知》，对煤矿安全生产工作做了精心部署和安排，煤炭管理部门继续实行工作人员春节不放假和领导干部值班制度，加强安全巡回检查，确保煤矿节日安全。各煤炭企业按照上级的指示，认真进行了安全部署和隐患排查工作并落实了企业领导跟班值班制度。

两旗100%的煤矿安装了安全监测监控系统，均实现了远程联网集中监控，监控平台数据传输正常，运行状况良好，抽查的四处煤矿除官板乌素煤矿存在一些问题外，其余三处煤矿安全监控系统运行正常，基本达到了要求，有效保障了煤矿安全生产。

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【关键词】煤矿；安全检测监控系统；无信号；误报警

当前，为了有效监测并防范重大煤矿事故的发生，我国大部分煤矿已经进行了安全监测监控系统的安装，并起到了重要的监控、预警作用。但是在实际工作当中，仍然存在无信号、误报警的情况发生，从而导致了很严重的煤矿安全事故。因此应当加大对煤矿安全监测监控系统防治无信号、误报警技术的分析和研究。

1煤矿安全监测监控系统构成分析

主站、分站、交换机、电源、执行机构、数据传输电缆、各种传感器、传输接口、系统软件以及地面上位机等共同组成了煤矿安全监测监控系统。在系统中，利用依次巡检的方法，监控系统主机能够实现对各个分站数据的收集，并通过解析之后进行数据显示。同时，如果在数据传输过程中出现故障，安全监测监控系统也会对信号、报警等异常信息进行显示，然后相关工作人员再根据信息进行检查和相关处理。

2煤矿安全监测监控系统无信号、误报警原因及防治技术分析

2.1无信号、误报警原因分析

2.1.1安全监测监控系统传输线路受到干扰造成无信号、误报警传输距离长、侧点多且分布广是我国煤矿安全监测监控系统的主要特点，分站到主站的距离从几千米到二、三十千米长短不等，而分站与传感器之间的距离从几十米到几千米长短不等。矿安全监测监控系统的这种特点，再加上煤矿工作容易受到具体环境的影响，就造成系统线路在铺设过程中，容易形成一个耦合回路。如此一来，当启动变频器或者开停一些大型机电设备时，由于部分线路距离变频器较近，从而使系统受到强大电磁脉冲的影响和干扰。这种影响和干扰会与正常信号进行叠加，然后产生变数或者“大数”，进而监测值在系统软件上的显示就会出现异常，不是没反应就是会突然变大，从而最终产生无信号或误报警。2.1.2传感器受到特殊情况的影响，其运行不稳定造成无信号、误报警由于煤矿企业很多工作都要在井下进行，而井下环境湿度较大，使得传感器电路板或元件受潮，从而产生氧化现象，导致传感器性能不稳。尤其是受到湿度的影响，在更换传感器时接头容易因氧化而变得接触不良，从而造成无信号或者误报警现象。当煤矿井下洒水时，传感器会因进水产生线路破损情况，如果这种情况没有得到很好处理，传感器的运行就不稳，从而造成无信号、误报警的情况发生。2.1.3供电不稳定造成无信号、误报警煤矿井下工作区域供电电源距离变电站比较远，这种情况下就要产生压降，当启动大型电器设备时，就会产生较大的电压波动，且超出了分站工作的正常范围，从而造成设备运转不正常，导致出现短时间的无信号、误报警。

2.2无信号、误报警防止技术分析

通过对煤矿安全监测监控系统无信号、误报警原因的分析发展，发生无信号、误报警现象的原因多为外界影响和干扰。对于无信号、误报警的判断流程如图1所示。针对无信号、误报警时，传感器数据会发生异变情况，如持续时间短、数值变大等，对于无信号、误报警采取监控系统软件处理的方式来进行防治。2.2.1观察监测值变化状态及处理技术煤矿安全监测监控系统在正常运行情况下，其测点报警监测值有一个逐渐上升的过程，但是由于外界影响和干扰引起的误报警监测值会呈现垂直上升的状态，且传感器的频率值也会成倍上升。因此，当传感器监测值的上升大于传感器频率的倍频或者最大理论增长值时，就被断定为为监测值异常。但是还有一种情况也会引起传感器监测值发生异常，即瓦斯在线标校的情况。所以，首先应当进行传感器表校状态的监测和判定，然后在进行监测值变化状态的监测。通过这两种监测，能够有效防止或减少无信号、误报警现象的发生。2.2.2观察持续时间并处理当煤矿安全监测监控系统出现无信号、误报警现象时，应当按照传输通道内的分站顺序进行逐个巡检，在这种巡检方式之下，分站的数量决定了巡检的周期，巡检周期会随着分站数量的增多而变长，但最多不会超过30秒。当发现某一分站监测值发生异常状态时，系统会自动改变之前按照分站顺序进行逐个巡检的方式，缩短对该分站的巡检周期，提高传感器所在分站的巡检频率，而其他分站的巡检方式保持不变，并对该分站进行多次巡检，从而有效防止或减少无信号、误报警情况的发生。2.2.3利用传感器对系统无信号进行判断和处理在安全监测监控系统中对各路电源所接入的传感器进行配置，如果传感器没有数据产生，那么就可以通过对电源电压的判断，来断定无信号状态的原因，如传感器的电源是否处于短路状态等。另外，还可以通过对电流的判断，来进行系统无信号现象的断定。如果电压、电流都正常，则就能够断定出是传感器发生故障或者电缆故障，从而从这些方面入手对无信号现象进行处理。

3结束语

综上所述，影响煤矿安全生产的一个重要因素，就是其安全监测监控系统中无信号、误报警现象的发生。因此，只有对无信号、误报警产生的原因进行分析，然后根据原因分析找到科学的处理方法，并对其进行有效防治，才能够保证我国煤矿的安全生产。

参考文献

[1]安永忠.对我国煤矿安全监测监控系统的认识和研究[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2010-04-25.

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关键词：煤矿安全 环境监测监控系统网络

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。

2.5分站自主性、适应性强。

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关键词：煤矿; 监控系统; 智能; 网络

Abstract: with the improvement of science and technology, the content of science and technology of coal mine safety supervision and coal mine safety equipment level is then ascension. Form the whole mine safety production monitoring network, and for safety production provides reliable information technology security. Development and construction of an open, with a unified standard in the mine safety monitoring platform is the trend of The Times.

Keywords: coal; Monitoring system; Intelligent; network

中图分类号： X924.3 文献标识码：A 文章编号：

一、通用技术要求及规范

按照国家安全生产监督管理总局年颁发的《煤矿安全监控系统通用技术要求AQ6201-2006》和《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范AQ1029-2007》，对煤矿安全监控系统的具体技术指标及相关传感器的配置标准进行了详细明确。解决以前煤矿安全生产监控系统没有行业标准，造成传输协议和接口标准不统一，各分(子)系统之间不能互通和兼容，信息资源难于共享，监测系统、控制系统和管理系统不能实现联动的问题，从而促进煤矿行业安全生产软硬件研发和服务保障系统能力的提升。其内容主要体现以下几方面：

1、规定要求全面。

新标准对煤矿安全监控系统的范围、规范性引用文件、术语和定义、装备要求、设计和安装、甲烷传感器的设置、其它传感器的设置、使用与维护、煤矿安全监控系统及联网信息处理、管理制度与技术资料等方面进行了详细要求，并介绍了低浓度甲烷传感器调校方法和矿用开关瓦斯电闭锁接线原理。

2、加大了监控密度与要求

一是明确低瓦斯矿井要装备监控系统，对《煤矿安全规程》第158条进行了修改，明确低瓦斯矿井必须装备安全监控系统。

二是增加了传感器的设置数量。通过增加传感器的数量，加大监控密度，形成固定地点监控和流动人员巡检相结合的测控网络。因此，新标准对《煤矿安全规程》169、170条、175条及表3进行了修改，增加了甲烷传感器的安设数量。

3、提高系统及传感器稳定性要求

《煤矿安全监控系统通用技术要求》规定接入系统的传感器的稳定性指标大于15天。

4、重视系统维护工作

对使用维护工作进行了细化，增加了对检修机构、配备仪器、调校方法、维护方法、报废、图纸资料和信息保存等内容。对监控系统中心站及联网网络中心的管理提出了要求。

二、对煤矿安全监控系统的主要要求

1、在增加设备配置的情况下，安全监控系统巡检周期要控制到30s以内要求，这是系统最基础的技术指标。

2、部分传感器的稳定性不能满足15d要求，不同种类传感器之间有差别，同类传感器不同个体之间也存在差别。主要体现在采用催化元件的瓦斯和一氧化碳传感器。

3、系统数据分析、处理和联动方面功能需要补充，煤矿安全监控系统的监测数据变化和刷新频率较慢、控制点比较分散、距离比较长，要求系统在模拟量、开关量以及导出量的断电设置上，手段要更丰富些，采用统一格式的数据显示，并对数据备份、网络和网络安全方面进行完善。

三、技术改造原则及应达到的效果

1、总体规划，分步实施的原则。安全监控系统技术改造可分为两个部分：一是系统技术标准的改造，确保系统指标满足标准和使用要求；二是传感器配置的增加，使监测点的配置符合标准要求。

2、整体布局,重点突出的原则。系统技术标准改造涉及系统主站层、传输层和设备层的全部设备，首先保障系统主体结构和稳定性满足使用和维护要求，而设备配置的大量增加,系统负载的不断加大对系统布局设计的合理性及稳定性,是一种冲击和检验。

3、稳定性与经济性原则。在具体技术选择中，以确保系统运行稳定和利于日常维护为前题。对于新技术的采用，以煤矿现场情况与实际需要为选择标准。提高方案的性价比，避免设备更换的“一刀切”，对于允许使用和满足要求的设备不立即更换。

4、开放性与安全性。以系统主体的数据安全为重点，确保系统主机与服务器的网络安全性，同时最大限度实现数据共享，开发数据综合分析价值。

5、后继开发与可维护性。在设备及软件的选择上，充分考虑其通用性，扩大可选择范围，减少后继开发及维护投入。

应达到的效果：

首先系统技术指标及系统容量满足标准要求，即在达到标准及监测要求的最大分站级设备数量时，系统巡检时间和控制执行时间等指标均满足要求。

其次，系统分析、逻辑处理及断电功能满足要求；统一数据显示和输出格式；数据保存、监测联网及网络安全方面进一步提高；提高设备检定水平。

最终系统传感器配置数量及稳定性指标满足新标准及规定要求。重点保障海域区域的安全监控系统的监测设备配置要求。

四、主要技术研究及应用

我们认为，对系统整体的技术要求中，最重要的一点是对“系统最大巡检周期不大于30S”的要求。由于煤矿安全生产环境、作业状况的特殊性，煤矿安全监控具有电气防爆要求、工作环境恶劣、电磁干扰严重、监测对象变化缓慢、控制功能单一和传输距离远等特点，普遍采用单片机和485总线的方式，其传输内容为数据帧格式，在该方式下，系统巡检时间就成为煤矿安全监控系统的基础技术指标，其决定着系统容量、传输距离、数据采集时间、控制执行时间等系统指标，决定系统通讯结构、数据格式等系统处理方式。目前的煤矿安全监控系统多分为设备层、传输层和数据处理层，但只要采用一主多从、时分制点名巡检进行数据通讯的传统方式，不可避免的矛盾是系统测点容量与巡检时间的限制。设备层传感器数量的增加，带来的是传输屋设备数量的同步增加，主站必须逐个对所有分站进行巡检，导致巡检周期长、传输速度慢、时效性差和联动反应弱。

目前对提高系统巡检周期的主要方法：

1、提高系统通讯速率。煤矿监控系统通讯速率多为1200、2400和4800bps。但提高系统通讯速率对缩短系统巡检时间的作用有限，因为提高系统通讯速率带来的是系统传输距离的缩短和抗干扰能力下降，牺牲的是系统的稳定性。并且系统传输距离的缩短，需要增加通讯中继设备，而中继设备的运行情况将决定整个系统的稳定性，不宜采中通讯中继设备。所以系统通讯速率的提高，需要根据系统规模及现场安装情况确定。

2、虚拟主机串口，增加传输通道。目前煤矿安全监控系统主机多采用一主多从和时分制，通过1到2个传输接口与下级设备进行通讯。增加传输通道即将一路通讯扩展到多路通讯，将系统通讯层设备划分成多个区域，每个区域通过各自独立的传输线路和传输接口与系统主机进行通讯。目前该方法的优点是对系统设备改动少、不增加通讯中继设备，并且可将系统划分成多个地理上分离的区域进行同时巡检，可以有效地缩短巡检周期和进行了故障隔离。是目前控制系统巡检周期的有效手段。

3、采用以太网与RS485转换,增加数据接口，实现监测数据的网络WEB。

针对目前北皂煤矿成功应用井下防爆工业以太环网，将安全监控系统接入工业以太网，可以实现系统通讯速度质的飞跃。基于安全可靠，并且具有一定开放性的数据库，对各种监控系统的数据进行有选择地集成，统一数据格式和接口，采用标准通讯协议。从而可以通过一个窗口，对整个矿井监控系统的数据进行查看和浏览。统一数据仓库，在集成化的数据管理中，所有的数据是在一个数据库中进行管理，数据一旦被输入，在整个系统中都可以使用。各种图形、图像、报表信息都通过统一方式在任何一台终端统一浏览，统一界面。

五、矿井安全监控系统技术发展方向

通过对煤矿安全监控系统的应用与维护，目前需要改进与提高的方面主要是传感器的更新与维护，主要体现在传感技术的应用落后于现场环境监测的需要，传感器的检验滞后于传感技术的应用。

1、智能传感器

传感器具有模块化的设计，实现数据处理和电源等电路的通用，可配接各种不同的传感组件。当用于不同被测物理量时，只需更换传感组件。同一传感器还可同时接入多个传感组件构成多参数传感器。

具有多种输出信号制式的智能传感器可以很方便地接入各种不同结构的系统中，兼容性强。采用电压或电流输出时，可接入现场控制器中；采用双极性不归零的频率输出时，可接入标准分站；采用RS485等总线输出时，可接入系统通讯线路中，提高传输速度。

2、智能监控站

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关键词：煤矿 安全生产 现状 GIS 应用

一、前言

煤矿生产是高危行业，其安全管理尤为重要。通过GIS技术在煤矿安全管理系统中的开发和应用，能够实现管理人员对矿井信息的及时掌握，提供有效的安全生产指导信息，对于煤矿安全生产意义重大。

二、煤矿信息化系统现状分析

随着国家“两化融合”思想在煤矿企业的不断深入，煤矿企业建立了监测监控系统、人员定位系统、通信联络系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统6大安全避险系统。有的煤矿还建立了综合工作监控系统、主通风监控系统、主副井提升监控系统、主副井提升系统、电力安全监控系统、锅炉房监控系统、束管在线监测系统、主运输监控系统等自动化系统，另外在业务管理层还建立了诸如产运销一体化系统、设备管理系统、地测空间管理系统、安全量化管理系统、计划统计系统、人力资源管理系统等信息化系统。但是，由于各业务系统是独立的，同一监测监控对象（如人员、设备参数等）的应用数据，分别存放在各自部门和数据库中，从而会导致数据共享困难，数据重复、准确性低。随着应用系统的不断增加，数据的不断庞大，系统维护工作量也会日益膨胀；另外数据信息零散，不利于统计分析，达不到为管理层提供辅助分析决策的作用，系统应用不能发挥最大化。

三、传统煤矿安全管理模式存在的问题

过去传统的煤矿管理模式，是一种被动的管理模式，一般都是事后才总结经验教训，管理模式存在诸多问题。

1.安全管理信息缺乏并且管理不统一，安全性得不到保障。在管理过程中，信息管理比较混乱，没有专门统一管理信息的部门，相应产生的信息准确度较差，而且对信息的安全性也没有分类，反应危险情况和紧急情况的信息没有归类收集，使一些有效的信息得不到反馈利用。因此，对安全的决策缺乏此类信息的指导，存在一定安全隐患。

2.煤矿企业对安全管理模式的现代化管理缺乏深刻认识，资金投入不足，缺乏对现代化信息资源的研究与开发利用。

四、基于GIS的煤矿生产安全管理系统的介绍

地理信息系统（GIS）是计算机技术与地理学结合的一门新兴学科，是处理和储存空间信息的技术，其将数据库管理和计算机图形学融合于一体，并能将地理位置等相关信息，根据需要传送给用户。因此，探讨基于GIS的煤矿安全管理信息系统的开发，有着重要的现实意义。

1.系统总体设计

一是要明确该系统的总体设计原则。建立基于GIS的煤矿安全管理信息系统是一项复杂的系统工程，它的设计不但要求在功能上能满足用户需求，还要求在结构上科学化、合理化。根据煤矿安全管理信息系统的特点，在开发过程中应遵循规范化、集成化、实用性、易用性、可扩充性和先进性等基本设计原则；二是要确定该系统的总体设计目标。通过在煤炭安全管理中引入GIS技术，将传统的数据库技术和信息管理带入可视化环境中，从而使煤矿的安全管理变得生动、形象、全面和直观。系统的总体设计目标是：通过GIS空间分析，提供最佳逃生线路，使煤矿安全管理更加直观、形象；完成对煤矿相关安全数据的修改、转出、转入、统计分析以及检索等，从而提高工作效率；实现双向查询煤矿安全管理信息图形和其属性的功能，使安全管理信息方便快捷地提供于用户。

2.系统结构的设计

基于GIS的煤矿安全管理信息系统按照开放式和模块化的设计要求，以系统兼容性及系统的扩展性进一步提高为目标，使其真正达到较强的实用性、稳定可靠的运行性、先进的技术性，使系统能够真正为煤矿安全管理及煤矿安全决策提供服务，减少灾害发生，提高经济效益。基于GIS的煤矿安全管理信息系统中，各个部门的主管领导和煤矿调度人员是系统的用户，整个井下的工人、仪器及设施设备等是此系统的管理对象。基于GIS的煤矿安全管理信息系统由系统帮助、法律法规、人员管理、灾害处理、安全管理、信息查询和用户登录等模块组成，其中安全管理模块包括避灾线路分析、安全隐患管理、应急预案、事故案例和危险源管理；信息查询模块由通风防尘设备、机电设备和巷道等信息组成，为用户及管理者管理和查询井下信息服务。

3.系统数据库的设计

所开发的基于GIS的煤矿安全管理信息系统结合对空间和空间数据，采用面向对象的办法，在空间数据分层的基础上对相关数据进行处理。为便于对数据的管理和更新以及灵活调用，本系统通过网络计算机软件对相关图形实施分层管理，以层的管理形式加快检索地图内各要素。系统自动将不同级别和类型的图形分开保存，将相近和相同的放在一层，从而形成了几个或几十个不同的层，但是，在同一个层面内，存放的数据都具有相同或相近的属性和几何特征。存储拓扑结构的图形数据由标注、点、线、面等实体构成，其主要以空间图形数据为基础。所开发的基于GIS的煤矿安全管理信息系统主要由矿井通风系统、矿井危险源、避灾线路及矿井巷道现状等图形组成。此系统根据实际使用情况和空间数据中现有数据源，建设本系统空间数据库的主要图层有：第一层，危险源地点层，对井下重大危险源的分布情况进行记录；第二层，巷道层，是最基本的井下数据，其包括全部的巷道线；第三层，压风线路层，对压风风流的走向进行演示；第四层，坐标网格层，其包含有图幅范围中全部坐标网格；第五层，避灾线路层主要是躲避火灾和水灾的逃生线路；第六层，文字注释层；第七层，救灾设施分布图层。

五、GIS技术在煤矿管理中的运用

在煤矿管理系统中有一个环节是需要对煤矿的生产属性，进行分析管理，并理清各个数据间的联系，由此看来，煤矿的管理系统包含了煤矿的生产属性信息，同时对数据的处理也能够看出系统中同样包括空间信息。要想详细了解煤矿的空间图形信息，就必须采用GIS技术的坐标定位对空间位置进行描述。

煤矿属性的信息量十分的庞大，主要通过对煤矿地理特征和煤矿中各种设备信息的采集，形成一套完整的空间分布图，从而对煤矿生产设备进行信息化监控和操作，对于煤矿中少数的固定设备，也能够起到有效的监控作用。这种信息化技术主要将采集到的信息的不同特征用几何图形表达出来，进行系统的分类，从而帮助工作人员对设备进行监控。就拿煤矿中的固定设施井巷来说，每个矿井所包含的水平是不同的，而每个水平又分有不同的阶段，可以说结构比较复杂，所以要想准确监控到每个设备的具体运转情况，就要及时采用GIS信息化技术。

六、结束语

综上所述，煤矿的安全生产关系到国计民生，更关系到作业人员的生命安全。GIS系统的应用具有非常重要的意义，也将具有广阔的发展前景。

参考文献

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CAN为串行通信协议，可有效支持分布实时控制，体现出较高的安全等级。CAN应用系统的设计要以CAN技术规范为基本依据，在任何两个基于CAN总线的仪器之间建立兼容性，对传输层进行规范定义，在周围各层当中将CAN协议的作用充分发挥出来。CAN的主要特点体现在以下几个方面：（1）多主工作方式，即网络上任意一节点在任意时刻均可向其它节点主动发送信息，各节点之间不存在主从关系；而报文标识符方面，CAN可以将各个节点分为不同优先级，可更好满足不同的实时要求。（2）CAN采用非破坏总线仲裁技术，该技术可以保证网络在负载较大的情况下保持稳定性；直接通讯距离可以速率低于每秒5kb的状态下达到10km。（3）由于报文采用的是短帧结构，故不易受干扰，传输时间短；CAN总线驱动器电路决定了网络中的节点数。（4）CAN每帧信息均有CRC校验及其它检错措施，这些可靠的检错措施组成了系统可靠的错误处理及纠错机制。即使错误非常严重，CAN也具备自动关闭输出功能；发送的信息遭到破坏后可自动重发。由此可见，与一般的通信总线相比，CAN采用了许多新技术及新设计，体现出较强的可靠性、实时性及灵活性。在煤矿安全监控管理中应用CAN总线技术，可以实现对任意一路CAN任意节点的检测、配置、组态，系统中的传感器、控制器、执行器均为互相独立的节点，真正做到分散控制、互相通信。

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。

3结束语

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【关键词】C/OS-II；远距离控制；KDG15A型

1.前言

随着煤矿综合自动化程度的提高，井下网络系统的应用也越来越广泛，通过网络系统不仅能在井下现场操作各种设备，同时能在地面实现远程控制，而且能在地面实时监测各种设备的运行参数等，真正实现远程综合自动化系统。

目前国内现场的远程控制开关种类比较繁杂，造成系统接人控制总线种类大，给现场应用造成困难，我单位目前研制的KDG15A型远程控制开关是KJ95N型煤矿综合监控系统的配套产品，通过现场总线RS485，用于远距离控制设备的开关，同时带有馈电状态检测功能，可反映被控设备的状态。

2.需求及技术分析

随着井下自动化程度的提高，井下各种设备的控制及监控系统，可以挪移到地面控制中心，实现集中控制，减少了人工系统，例如井下中央水泵房排水系统，当水仓达到井下警戒水位后，必须及时开启井下水泵向地面排水，这时就要逐一开启相应的设备，例如首先把相应管路的阀门开启到位，并需监测阀门是否开启到位；然后开启真空泵向主排水泵抽真空，确保真空后，再开启主排水泵，这样的一系列操作必须在现场安装远程控制开关。

又例如井下的皮带机控制系统，由于井下皮带系统可以实现远距离运输，皮带机路线长，但皮带机系统根据煤矿安全规程要求必须安设温度保护、速度保护、烟雾保护、跑偏保护、满煤保护、沿线紧急停车、纵撕保护等8大保护系统，这几大保护如何在远距离实现，必须在现场安装远程控制开关。

因此远程控制开关的应用在煤矿现场中非常广泛，我单位根据目前煤矿的具体现状，结合煤矿必须具备的六大系统中的监测监控系统，综合分析后决定研发KDG15A型远程控制开关，并选择RS485现场总线，方便接入目前常用的KJ95N型煤矿综合监控系统，给用户提供了方便可靠的远程控制开关。

3.KDG15A型远程控制开关硬件设计

3.1 CPU控制器的选型

3.2 系统电源的设计

KDG15A型远程控制开关考虑到要搭接KJ95N型煤矿综合监控系统，由于KJ95N型煤矿综合监控系统中具有9-18直流电源电压，只需在内部简单增加电源滤波以及相应5V、3.3V LM1117-3.3和1.8VLM1117-1.8型电源转换就可以了，在此不在啰嗦。

3.3 抗干扰电路的设计

3.4 RS485电路的设计

数据处理及控制程序，任务启动后，首先判断是否有上位机发送的控制命令，如果有控制命令，根据上位机控制命令分别对端口进行控制，如无控制命令对所有端口进行监测，监测完成后将监测结果存储到相应位置。

5.结论

本文根据井下现场综合自动化的需求简单介绍了KDG15A型远程控制开关设计，该控制开关系统设计简洁，方便搭接KJ95N型煤矿综合监控系统，为井下煤矿综合自动化提供了很好的搭建平台。该KDG15A型远程控制开关已在我公司投入生产并依法取得防爆合格证和MA煤矿安全许可证，已投入到各个矿物局使用，并取得了很好的口碑。

参考文献

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关键词：安全监控；传感器布置；安全评价

中图分类号：TK414.3+5　文献标识码：B　文章编号：1009--9166(2009)023(c)--0096--01

新安矿位于河南省新安县城北1 5km，东距洛阳市33km，西距三门峡市108km。井田走向长为15.5km，倾斜宽为3.5km，面积约54km2。矿井原设计生产能力为1，5Mt／a。井田含煤6组，共计28层，其中山西组含煤为主采煤层，其它属不可采或局部可采煤层。井田西部煤层倾角为9°-11°，东部为7°-8°，属于缓倾斜煤层。煤层绝对瓦斯涌出量为19.36m3／t，相对瓦斯涌出量为18.93m3／t，属于高瓦斯矿井。煤层有自然发火倾向性，发火期一般为6个月。并且煤尘具有爆炸性。新安矿将其安全监测系统升级到了KJ90安全监测系统，使得井下的检测工作准确而完备。为了达到煤矿安全监察的目的，不断改进煤矿的安全监测监控系统成为煤炭企业的共识。煤矿自然灾害严重，煤矿安全问题一直是我国的一个非常突出问题，如何更好的对煤矿井下的危险进行监控已经成为了研究的热点课题。

一、新安矿监控系统

新安矿目前采用的是KJ90监控系统；K J90型监控系统是以工业控制计算机为中心多种子系统为一体的新型煤矿综合监控系统，因此我们结合该矿的实际情况对安全监测系统进行了分析。(一)KJ90系统概述。KJ90监控系统主要用于煤矿安全监测和实时控制。此系统能根据程序设定或地面中心站主机控制，对矿井采掘工作面、机电峒室、进尺巷、回风巷和采区的环境参数及矿井机电设备的开序状态和风门开闭状态进行连续自动地监测，并自动报警及断电；能对煤矿井下环境、火灾参数、通风设施、运输安全状况及各种机电设备的开停状态等安全生产信息进行实时采集和数据处理，实现对工业现场的闭环控制。(二)采煤工作面瓦斯传感器设置。因为本矿井为高瓦斯矿井，且煤层为易自燃煤层，高瓦斯采煤工作面的回风系统中设置四个瓦斯传感器，一氧化碳，风速，温度传感器各一个。

采煤工作面的上隅角瓦斯传感器TO的安装在上行风的采空区上隅角。瓦斯报警浓度为1.0％，断电浓度1.5％，复电浓度1.5％，断电范围为工作面及其回风巷内的全部非本质安全型电器设备。

采煤工作面回风流中的瓦斯传感器T1的安设在工作面瓦斯浓度较大的回风流中至采煤工作面10m范围内。瓦斯报警浓度1％，断电浓度1.5％，复电浓小于1.0％。断电范围为工作面及其回风巷内的全部非本质安全型电器设备。

采煤工作面回风巷中的瓦斯传感器T2的安设在工作面回风巷距离回风大巷10-15m范围内。瓦斯报警浓度1％，断电浓度1％，复电浓度不小1.0％，断电范围为工作面，回风巷道内的全部非本质安全型电气设备。

采煤工作面进风巷中的瓦斯传感器T3的安设在工作面进风巷距离工作面10m范围内。瓦斯报警浓度0.5％，断电浓度0.5％，复电浓度不小0.5％，断电范围为工作面进风巷道内的全部非本质安全型电气设备。

采煤工作面回风巷中的一氧化碳传感器CO的安装在工作面回风巷距离回风大巷10-15m范围内。报警浓度为0.0024％。

风速传感器应设置在巷道前后10m内无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化、能准确计算测风断面的地点，报警值为风速小于0.25m每秒或大于4m每秒。

温度传感器应垂直悬挂于采煤工作面，距顶板不得大于300mm，距巷道侧壁不小于200mm处，报警值为30℃。

二、系统安装及维护

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关键词关键词：单片机；煤矿安全监控系统；课程改革

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。

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【关键词】星型网络;树型网络;环型网络;复合网络

1.引言

安全监控系统为煤矿安全生产保驾护航、是井下“六大系统”的重要组成部分，系统一般由传感器、执行器、分站、隔爆电源、主站或传输接口等井下设备组成。监控系统信息传输应符合MT/T899《煤矿用信息传输装置》的要求，系统网络是指系统中的分站与分站之间、分站与中心站之间、分站与传感器（含执行机构）之间的相互连接关系。监控系统的网络形式同一般的数字通信和计算机通信网络相比，具有本质安全的特殊要求。为保证系统的安全可靠运行，网络结构应满足如下条件：取得安标及防爆认证，在传感器分散分布的情况下，通过与适当的复用方式配合，使系统的传输电缆用量最少、抗电磁干扰能力强、抗故障能力强，当系统中某些分站发生故障时，力求不影响系统中其余分站的正常工作;当传输电缆发生故障时，不影响整个系统的正常工作;当主站及主干电缆发生故障时，保证甲烷断电及甲烷风电闭锁等功能。安全监控系统传输网络结构主要有星形网络结构、树形网络结构、环形网络结构、复合网络结构等。

2.星型网络结构

星形（又称放射状）网络结构就是系统中的每一分站通过一根传输电缆与中心站相连，如图1所示。采用这种网络结构的监控系统具有发送和接收设备简单，传输阻抗易于匹配，各分站之间干扰小，抗故障能力强，可靠性高，并且可以由中心站向甲烷等传感器本质安全供电等优点。但是这种结构所需传输电缆用量大，特别是当系统监控容量大、使用分站多时，系统的造价高，且不便于安装和维护。因此，该网络系统仅用于小容量的监控系统，不宜用于中大型监控系统使用。

图1 星形网络结构

3.树形网络结构

树形（又称树状）网络结构是将系统中每一分站使用一根传输电缆就近接到系统传输电缆上，如图2所示。采用这种结构的监控系统所使用的传输电缆最少，但由于往往传输阻抗难以匹配，且多路分流，在信号发送功率一定的情况下信噪比较低，抗电磁干扰能力较差。在半双工传输系统中，分站的故障还会影响系统的正常工作。例如，当分站死机时，若分站处于发送状态，将会长时间占用信道，影响系统正常工作，直至故障排除或分站从系统中脱离。

图2 树形网络结构

采用该种结构的监控系统，其信号传输质量与分支多少、分支位置、线路长度、端接阻抗、分站发送电路截止时漏电流等因素有关，不确定因素太多，难以保证质量。

4.环形网络结构

环形网络结构就是系统中各分站与中心站用一根电缆串在一起，形成一个环，如图3所示。不难看出，环形系统需要电缆往复敷设。因此，使用电缆数量大于树形系统，小于星形系统。环形系统中各分站的工作状态是受中心站控制，具有如图3所示：

图3 环形网络结构

（1）由于传输电缆没有分支。因此，传输阻抗易于匹配，不存在过电压、过电流、电磁波反射严重等问题，系统抗电磁干扰能力强，利于防爆。

（2）由于上一分站的信号仅仅传给下一分站接收。因此，不存在多路分流问题，并且当分站误动作时，不会出现传输线上信号能量迭加问题，也不会因为发送电路漏电流较大而影响系统工作。

（3）由于环形系统中任一分站既是上一分站的接收机，又是下一分站的发送机，分站可对接收到的数字信号进行门限判决、整形、放大。因此，在数字传输方式下，抗干扰能力进一步加强。

（4）环形系统的致命问题是抗故障能力差，当系统电缆在任一处发生故障（短路或开路）或任一分站发生故障时，整个系统将无法正常工作。因为在故障点之前的分站虽能接收到同步信号，但信号不能传至中心站，而在故障点之后的分站，接收不到信号，无法正常工作。

5.复合网络结构

复合网络结构是环形和树形结构的复合改进。把井下划分几个大区域，区域间采用环形网络结构与中心站相连，区域内分站采用树型结构，如图4所示。

图4 复合网络结构

复合结构中传输通道一般由冗余工业以太环网和现场总线组成，如RS485和CAN总线等。工业以太环网具有通讯冗余功能，一侧线路故障时，因其自愈时间短，一般小于20ms，不影响系统正常运行，具有很高的可靠性能，同时复合网络结构中树形网络使用电缆少、成本低、使用维护方便的特点，适用于大中型监控系统中。

6.总结与展望

本文分别介绍安全监控系统网络传输中普遍应用的星型网络、树型网络、环型网络、复合网络的优缺点，近年来，随着科学技术的飞速发展，EPON、GEPON结构的试用，复合网络是指出了系统网络发展的重点方向。

参考文献

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[2]赵延明，高军.煤矿安全监控系统的现状与发展[J].煤矿机电，2007（06）：187-189.

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[4]范高贤.光纤工业以太网在煤矿监控系统中的应用[J].工矿自动化，2007（12）：15-18.

[5]桑海泉.煤矿安全监控系统研究计[J].中国安全生产科学技术，2009（12）：33-35.

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【关键词】CAN 总线技术；煤矿安全；监测系统

1 我国煤矿安全监控系统的发展现状

煤矿安全监控技术是随着煤炭工业和现代计算机和自动化技术的发展而发展起来的一门技术。煤矿安全监控技术为煤矿的安全生产提供了良好的技术保障。我国一直是全球最大的煤炭生产国，对煤矿安全监控也十分重视。从上世纪八十年代开始，我国开始从国外，如德国、美国、波兰等，引进安全监控系统。之后我国逐渐在消化国外技术的同时，结合我国煤矿的实际情况，自行研制了一批监控设备，代表性的国产监控系统有KJF2000、KJ66、WEBGIS，等等。这些设备为我国煤矿安全生产做出了重要贡献。随着安全监控技术的进一步发展，监控数据的传输逐渐成为各国竞相研究的重点领域。目前，我国在数据传输领域还处于比较落后的地位，主要存在的问题有以下几点：①传输速率慢；②非标准化；③高速传输时的传输距离短；④无中继连接的节点数少；⑤传输系统结构灵活性差。

2 CAN 总线技术概述及其在煤矿安全监控中的应用

CAN的全名是ControllerAreaNetwork，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的本行通信网络。CAN总线技术最早是在1986年由德国电气商博世公司开发的，当时主要用于汽车领域。此后不久，CAN的高性能和高可靠性获得了全世界的认同，并迅速在工业设备、工业自动化等众多领域得到了应用。到了上世纪九十年代末期，人们试着将其应用于煤矿安全监控中，结果迅速取得了成功，大大改善了煤矿安全状况。CAN具有下列主要特性：①多主站依据优先权进行总线访问；②无破坏性的基于优先权的仲裁；③借助接收滤波的多地址帧传送；④远程数据请求；⑤配置灵活性；⑥全系统数据相容性；⑦错误检测和出错信令；⑧发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；⑨暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。

CAN中的总线数值为两种互补逻辑数值：“显性”数值表示逻辑“0”，隐性表示逻辑“1”。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态，“显性”状态以大于最小阈值的差分电压表示。在“隐性”状态下，VCAN―H和VCAN-L被固定于平均电压电平，V近似为0。在“显性”份期间，“显性”状态改写“隐性”状态并发送。如图l所示。

图1 总线位的数值表示

基于CAN总线的煤矿井下安全监测系统由井上通信系统和井下通信系统（监测网络）组成。CAN总线包含2层通信网络：（1）数据接口和井下监测分站之间的通信；（2）井下监测分站与各种安全监测传感器之间的通信。

3 监测系统硬件设计

3.1 微处理器系统

根据煤矿井下环境的要求，这里选用了ATMEL公司的8位高性能嵌入式微处理器ATmega64作为通信管理机的CPU。首先，ATmega64的执行速度快，采用了单循环周期指令，而且性能稳定，完全可以满足通信管理机的要求；CAN总线上数据收发采用中断的方式，提高了通信管理机的实时性；ATmega64提供了2个串口，一个串口通过Max232提供RS-232串行通讯口，另一个串口备用，实现双机备份功能。

3.2 CAN总线模块接口

CAN总线模块的CPU通过CAN控制器SJA1000及CAN收发器MCP2551连接到CAN总线上，单片机的I/O口连接SJA1000的AD0～AD7以及ALE、CS、RST、RD和WR等引脚，进行数据传输和总线控制。SJA1000的TX0、RX0分别接CAN收发器MCP2551的TXD和RXD引脚，进行数据的收发。MCP2551是CAN协议控制器和物理总线的接口，提供了对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。

4 监测系统软件设计

煤矿井下监测是一项非常复杂的工作，检测系统需要监测的内容很多，有生产设备的运行状态，有井下温度、风速、风量、气压以及粉尘浓度的监测，还有气体成分中甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氧气浓度的监测。对于如此复杂的监测系统，一旦通信出现故障，后果将非常严重，根据以上分析，主通信选择CAN总线，所以，下面主要介绍一下CAN总线的工作流程，如图2所示。

图2 CAN总线工作流程示意图

5 CAN总线性能测试

测试采用BER误码率测试软件，上位机软件通过RS-232串口定时1s向数据接口发送80个随机数据，并将发送的数据显示在窗口，同时显示发送的数据个数。数据接口接收到数据后按CAN协议进行数据打包，然后发送给监测分站。在数据接口与监测分站之间连接一段长度为12 km的仿真线，监测分站将收到的数据原样传送给传感器。而后，传感器再将收到的数据返回给监测分站，分站将数据返回给数据接口，数据接口将收到的数据解包，通过RS-232送回上位机。上位机将收到的数据与发送的数据逐个比较，若80个数据完全吻合，则将显示收到的数据以及正确数据个数，并根据发送与收到正确数计算误码率。该软件可同时记录测试的时间。以上测试连续进行10天，共计240 h，传输数据5.6×108个，误码率为0。由此，CAN总线性能可靠、稳定，是一种理想的通信总线。

参考文献

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关键词：煤矿；瓦斯；监测系统

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

[1]王衍生，尹经梅，刘平.监测监控系统在矿井瓦斯管理中的应用[J].矿业安全与环保.2000(S1):71～72.