专利名称：一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪，按国际专利分类 表(IPC)划分属于固定建筑物部，钻进采矿分部，矿井或隧道中或其自身的安全装置，运 输、充填、救护、通风或排水的技术领域。
背景技术：
目前，现有的和曾有的钻进采矿分部，矿井或隧道中或其自身的安全装置，运输、 充填、救护、通风或排水的技术领域对矿山安全生产的监测方面做过很有成效的研究，也曾 设计出了许多优秀的方案。如2005年中国专利局公告的由辽宁工程技术大学付华、王传 英、杜晓坤发明的，授权公开号为CN1664312A，名称是《矿井自然发火监测装置及其监测方 法》的发明专利，所采用的技术方案矿井或隧道中或其自身的安全装置，运输、充填、救护、 通风或排水的技术方面是一例很有价值的发明，它在克服以往技术不足的情况下，提供了 一种结构简单、扩展方便、抗干扰性强的矿井自然发火监测装置及其监测方法，为保证矿山 特别是煤矿的安全生产提供了保障。随着我国矿产资源的日渐枯竭，高原采矿逐渐被提上 了日程。然而，高寒、高海拔、低压、缺氧等恶劣的工作环境给矿山工作人员的身体安全与 健康造成了极大地危害，因此，有必要对高原矿山井下空气环境参数进行监测并及时预警， 以保证工作人员的身体安全与健康，进一步提高工作效率。而在矿井或隧道中或其自身的 安全装置，运输、充填、救护、通风或排水这一技术领域对上述问题尚未进行深入的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪， 以实现高原环境下对非煤矿山井下空气环境参数进行实时监测并通过软件进行远程控制、 从硬件和软件两方面解决在高原缺氧环境下，监测系统的数据失真和系统的稳定性下降等 一系列技术问题。本发明要解决的上述技术问题所采用的新的技术方案是这样实现的一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪，包括系统采集控制终端、通讯 组网和控制主机三部分；所述系统采集控制终端包括智能型可编程数采模块、传感器模块、显示屏及辅助 设备；所述智能型可编程数采模块具有多个通讯口，与传感器模块连接，并连接至通讯 组网实现与控制主机的通信；所述传感器模块包括A浓度传感器、co浓度传感器，CO2浓度 传感器，NO2浓度传感器，温度传感器及湿度传感器，所述传感器模块均采用CYBER工业级气 体传感器模块；所述通讯组网包括CAN总线及转换模块；智能型可编程数采模块及控制主机分别 与转换模块相连接，再通过CAN总线实现通信；
所述控制主机连接有一液晶显示器，控制主机对系统采集控制终端采集的数据进 行处理并输出至液晶显示屏进行显示；其特征在于所述监测仪采用系统采集控制终端与控制主机一体化的架构，所述 系统采集控制终端采用全钢机箱，全钢机箱上设计有风道、滤网及风扇，传感器模块安装在 风道中；所述控制主机采用研华工业控制计算机，所述研华工业控制计算机采用全钢机 箱、进气过滤网以及机箱正压技术。进一步的，上述技术方案中，所述研华工业控制计算机具有ISA标准主板。进一步的，上述技术方案中，所述智能型可编程数采模采用ZT-300系列多通道智 能型可编程数采模块。进一步的，上述技术方案中，所述控制主机连接有指示灯，所述控制主机对系统采 集控制终端采集的空气环境参数设定安全值时，超过安全值时，指示灯进行报警。进一步的，上述技术方案中，所述传感器模块采用即插式传感器设计，可针对不同 监测地点的要求选择不同的传感器。进一步的，上述技术方案中，所述传感器模块对采集的传感器信号进行了防交叉 干扰优化，采用反演算法。进一步的，上述技术方案中，还包括一备份主机，所述备份主机与控制主机相连接 通信，在控制主机正常工作时，对上位机数据进行备份；在控制主机出现故障时，备份主机 接替控制主机的任务保证用户数据的可靠性和系统的持续运行。随着我国矿产资源的日渐枯竭，高原采矿逐渐被提上日程。然而高海拔、高寒、缺 氧的恶劣环境为高原采矿提出了一系列的工作难题。本发明是目前国内首个针对高原非煤 矿山开发研制的监测系统，它对于改善井下工作环境、保证井下工作人员的安全与健康以 及提高工作效率具有重要的实际意义。
附图给出本发明的高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测系统结构示意图图1 本发明高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪整体结构示意 图；图2 本发明高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪下位机外观示意 图；图3本发明高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪通讯方式示意图；图4 高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪下位机工作原理示意 图；图5 本发明高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪控制系统主界 面；图6 传感器温度的漂移曲线；示意图中标号说明1风道；2显示器；3电源线；4通讯线；5传感器；6控制器；7通讯转换器8变压 器；9交流电源
具体实施例方式该高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪主要由下位机(也叫系统 采集控制终端)、通讯部分和上位机(即控制主机)三大部分构成，其整体结构如图1所示。 其中，下位机包括PLC主控制器、相应的I/O和模拟量模块、通信接口模块、传感器模块、液 晶显示屏以及辅助设备等，1-风道两端各有一个风向相反的微型风机，有助于井下风流顺 利通过下位机风道。下位机外观结构示意图见图2 ；通讯选用能够兼容Modbus防议、且很 好的与现存的RS-232，RS-485网络及支持RS-232，RS-485协议的仪器仪表进行通信的CAN 总线作为系统各部分的通信网络，通讯原理示意图见图3 ；上位机选用台湾研华系列工业 控制计算机。下位采集控制终端以采用ZT-300系列多通道智能型可编程数采模块(PLC)做为 本系统采集控制终端的核心设备，ZT-300型PLC采用模块化设计，包括了电源系统、I/O系 统、通讯系统、CPU系统等，集成度高，配置灵活，具有高速采集、数据实时处理、光电隔离抗 干扰性好等特点，具备多通讯口，可同时驱动液晶显示(Ρ0Ρ-ΗΜΙ人机界面)和通讯组网，使 用方便。根据高原非煤矿山实地测量得到的井下空气参数的大致范围以及充分考虑井下的 具体环境、测量量程以及精度，选择了 CYBER工业级气体传感器模块作为下为采集控制终 端的传感器，它将输入变量转换成可供测量的信号。通过现场传感器模块采集井下的02， CO，NO2，温度，湿度等数据信息，数据经处理后，通过采集控制终端LCD液晶显示屏可以在工 作现场随时查看井下空气环境参数的变化情况，同时通过CAN总线传输到上位监控主机， 其工作原理示意图见图4。在系统运行中，采集控制终端能够保存一段时间的历史数据，因 此即使通讯网络或上位机发生故障，系统采集控制终端仍然可以照常运行，保证现场数据 不会丢失。由于本系统所选的PLC主控制器只支持RS485/RS232通信总线，不支持CAN总线， 所以在通信网络中用RS485/RS232转CAN总线的转换模块来实现数据通信。本系统选择了 北京科瑞兴业科技有限公司的K-7110智能通讯总线转换模块。K-7110智能通讯总线转换 模块连接RS232/RS485/RS422和CAN网络，延长通讯距离，扩展总线节点数。K-7110智能通 讯总线转换模块支持CAN2. OA和CAN2. OB协议，接口规范符合IS0/IS11898。它的网络拓扑 结构为线型、星型、树型，传输速率为RS232/RS485/RS422 :1200 57600BPS CAN :5K IM BPS，传输介质采用屏蔽或非屏蔽双绞线。上位机设置一台工业控制计算机，负责对整个系统进行管理，控制主机通过CAN 总线与采集控制终端进行通信。选用的研华工业控制计算机采用了全钢机箱、进气过滤网 以及机箱正压技术，有效防止了粉尘进入机箱内部和发生碰撞等导致计算机损坏以及计算 机不稳定的因素。主板采用ISA标准，可以方便地进行内部模块扩充，使其在维修和升级换 代方面具有极大的优势。键盘锁以及前置键盘插孔的设置，有效保证了操作安全以及防止 误操作。为了提高可靠性，关键部件采用了工业级的产品，保证系统能够连续稳定地运行。 上位机采用采用冗余设计，配置一台备份主机，当控制主机正常工作时，备份主机只是一个 普通的节点，仅对上位机数据进行备份。一旦控制主机出现故障时，备份主机及时接替控制 主机的任务，以保证用户数据的可靠性和系统的持续运行。传感器是检测信号的产生装置的，它的可靠性直接决定了信号的准确性和稳定性。(1)温湿度等环境因素的影响温湿度能对传感器的输出造成微小影响，在精度要求比 较大的情况下，需要对影响的值进行补偿。图5是试验测得的温度对氧气传感器的影响示 意图，使用软件对温湿度进行了补偿，根据温度参数对氧气浓度进行修正，修正系数为λ = l+(t-20)/1000温湿度对毒气传感器(电化学)也有影响，传感器的输出会随温度和湿度的变化 而微弱变化，但影响较小，可以不予考虑。从矿山实地测量的情况看，湿度范围在工作范围 内，所以不需要采取特殊措施。( 交叉干扰及传感器选择对气敏传感器来说，其他气体 会对目标气体的信号输出造成一定影响，现在一般采取硬件措施弱化干扰，或者用软件进 行补偿修正。毒气传感器的反应机理大致相同，所以干扰较大，故在测得气体之间的相互干 扰数据后，可以在软件中进行修正。表1是实验测得的5种气体传感器的交叉干扰数据。表1实验测得传感器交叉干扰数据表
权利要求
1.一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪，包括系统采集控制终端、通讯组 网和控制主机三部分；所述系统采集控制终端包括智能型可编程数采模块、传感器模块、显示屏及辅助设备；所述智能型可编程数采模块具有多个通讯口，与传感器模块连接，并连接至通讯组网 实现与控制主机的通信；所述传感器模块包括O2浓度传感器、CO浓度传感器，CO2浓度传感 器，NO2浓度传感器，温度传感器及湿度传感器，所述传感器模块均采用CYBER工业级气体传 感器模块；所述通讯组网包括CAN总线及转换模块；智能型可编程数采模块及控制主机分别与转 换模块相连接，再通过CAN总线实现通信；所述控制主机连接有一液晶显示器，控制主机对系统采集控制终端采集的数据进行处 理并输出至液晶显示屏进行显示；其特征在于所述监测仪采用系统采集控制终端与控制主机一体化的架构，所述系统 采集控制终端采用全钢机箱，全钢机箱上设计有风道、滤网及风扇，传感器模块安装在风道 中；所述控制主机采用研华工业控制计算机，所述研华工业控制计算机采用全钢机箱、进 气过滤网以及机箱正压技术。
2.根据权利要求1所述的一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪，其特征在 于所述传感器模块可以设置有多个。
3.根据权利要求1所述的一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪，其特征在 于所述研华工业控制计算机具有ISA标准主板。
4.根据权利要求1所述的一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪，其特征在 于所述智能型可编程数采模采用ZT-300系列多通道智能型可编程数采模块。
5.根据权利要求1所述的一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪，其特征在 于所述控制主机连接有指示灯，所述控制主机对系统采集控制终端采集的空气环境参数 设定安全值时，超过安全值时，指示灯进行报警。
6.根据权利要求1的所述的高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪，其特 征在于所述传感器模块采用即插式传感器设计，可针对不同监测地点的要求选择不同的 传感器。
7.根据权利要求1所述的高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪，其特征 在于所述传感器模块对采集的传感器信号进行了防交叉干扰优化，采用反演算法。
8.根据权利要求1所述的一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪，其特征在 于还包括一备份主机，所述备份主机与控制主机相连接通信，在控制主机正常工作时，对 上位机数据进行备份；在控制主机出现故障时，备份主机接替控制主机的任务保证用户数 据的可靠性和系统的持续运行。
全文摘要
本发明按国际专利分类表(IPC)划分属于固定建筑物部，钻进采矿分部，矿井或隧道中或其自身的安全装置，运输、充填、救护、通风或排水的技术领域。本发明的高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实时监测仪主要由下位机(也叫系统采集控制终端)、通讯部分和上位机(即控制主机)三大部分构成，目的在于为矿山提供一种新型的监测系统，以解决高原环境下对非煤矿山井下空气环境参数进行实时监测并及时进行预警等一系列技术难题。本发明是针对高原非煤矿山高海拔、高寒、缺氧等恶劣工作条件而研制的，它对于改善井下工作环境、保证井下工作人员的安全与健康以及提高工作效率具有重要的实际意义。
文档编号E21F17/18GK102053136SQ20101055006
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者于跟波, 吕文生, 唐志新, 杨鹏, 董宪伟, 蔡嗣经, 门瑞营, 陈赞成, 黄萍 申请人:北京科技大学, 北京联合大学