張 玉 郭紅丹

傳感器在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張 玉 郭紅丹

（永城職業(yè)學(xué)院，永城 476600）

本文針對(duì)安全生產(chǎn)及工人的生命安全這一問(wèn)題介紹了幾種常用的礦用傳感器，著重探討了傳感器在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

傳感器 煤礦 監(jiān)測(cè)監(jiān)控

引言

傳感器是一種檢測(cè)裝置，它的作用就是感受信息、傳遞信息，它可以將檢測(cè)到的被測(cè)信息傳遞給其他裝置或系統(tǒng)，而傳感器是實(shí)現(xiàn)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控的首要環(huán)節(jié)，近年來(lái)，隨著研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，各種礦用傳感器應(yīng)運(yùn)而生，并且將這些傳感器應(yīng)用于煤礦的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，在一定程度上確保了該系統(tǒng)工作的可靠性和有效性。監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦能夠安全生產(chǎn)的重要保障，使管理方式發(fā)生了根本性的改變，提高了安全監(jiān)管的技術(shù)水平。目前應(yīng)用在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中主要的礦用傳感器有：甲烷傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、風(fēng)速傳感器等。

1 煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的組成

如圖1所示為煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)主要組成部分有：中心站（包括監(jiān)測(cè)主機(jī)和監(jiān)測(cè)備機(jī)）、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、數(shù)據(jù)接口裝置、井下監(jiān)控分站、各種礦用傳感器組成。

煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是“環(huán)境監(jiān)測(cè)”和“生產(chǎn)監(jiān)控”，即該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)各種環(huán)境安全參數(shù)及機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況，例如：甲烷氣體的濃度、溫度、風(fēng)速、煙霧等環(huán)境參數(shù)，同時(shí)也可監(jiān)測(cè)到煤倉(cāng)煤位、水倉(cāng)水位、各種機(jī)電設(shè)備開(kāi)停等參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的各種參數(shù)去控制生產(chǎn)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、安全裝置、報(bào)警裝置等，例如：供電電壓和電流、煤倉(cāng)煤位、水泵、提升機(jī)以及其他機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀況。

圖1　煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的組成

（1）地面?zhèn)鞲衅鞯牟贾?。主扇風(fēng)硐設(shè)置負(fù)壓傳感器：一級(jí)和二級(jí)主扇電機(jī)設(shè)置開(kāi)停傳感器，安全出口風(fēng)門(mén)處設(shè)置風(fēng)門(mén)傳感器，設(shè)置CO傳感器和煙霧傳感器的主要位置有：主斜井膠帶輸送機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)、原煤轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)筒、大塊上倉(cāng)帶式輸送機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)，中塊上倉(cāng)帶式輸送機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)以及末煤上倉(cāng)帶式輸送機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)。

（2）井下傳感器的布置。中央變電所主要設(shè)置了溫度傳感器，中央水泵房設(shè)置開(kāi)停傳感器，上倉(cāng)斜巷皮帶機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)設(shè)置CO傳感器和煙霧傳感器，井下總回風(fēng)大巷設(shè)置甲烷傳感器、CO傳感器和煙霧傳感器?；夭晒ぷ髅嫔嫌缃恰⒒仫L(fēng)順槽設(shè)置CO傳感器，回采工作面設(shè)置溫度傳感器，回采工作面刮板機(jī)回路動(dòng)力開(kāi)關(guān)和工作面采煤機(jī)回路動(dòng)力開(kāi)關(guān)設(shè)置饋電傳感器，工作一采區(qū)軌道巷與工作面回風(fēng)順槽聯(lián)絡(luò)風(fēng)門(mén)處設(shè)置風(fēng)門(mén)傳感器。井底煤倉(cāng)上方設(shè)置甲烷傳感器，各類(lèi)運(yùn)煤設(shè)備動(dòng)力開(kāi)關(guān)設(shè)置饋電傳感器，井下一采區(qū)回風(fēng)大巷測(cè)風(fēng)站設(shè)置甲烷傳感器、CO傳感器和風(fēng)速傳感器。

另外，順槽掘進(jìn)工作面主要設(shè)置的傳感器有：甲烷傳感器、風(fēng)筒傳感器、開(kāi)停傳感器、CO傳感器和煙霧傳感器。

2 甲烷傳感器在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

瓦斯是煤礦井下以甲烷（CH4）為主的混合性氣體的總稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)甲烷，如果甲烷在空氣中的含量為5%～16%時(shí)，就有可能發(fā)生爆炸，因此，瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)監(jiān)控是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，前些年，我國(guó)煤礦上使用較為普遍的是催化燃燒型瓦斯傳感器和電化學(xué)瓦斯傳感器，但是這兩種類(lèi)型的傳感器工作穩(wěn)定性差，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，需要定期（一般是7～15天）調(diào)校，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了煤礦瓦斯?jié)舛鹊恼１O(jiān)測(cè)監(jiān)控。因此目前已經(jīng)被紅外甲烷傳感器所取代，該傳感器能夠利用甲烷氣體對(duì)傳感器中紅外光譜的吸收性能來(lái)測(cè)定瓦斯?jié)舛?，基本不受現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的影響。同時(shí)紅外甲烷傳感器采用了雙通道采樣技術(shù)，具有抑制零點(diǎn)漂移的功能；用橫向漫反射紅外甲烷測(cè)量技術(shù)，將光通路縮小到一個(gè)直徑只有20毫米的空間里，無(wú)衰減的鍍金鏡面反折射可以增加光通路的長(zhǎng)度，同時(shí)使得檢測(cè)氣體與光源能夠很好的接觸。

總之，紅外甲烷傳感器具有標(biāo)定周期長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、高精度、高可靠性和使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了0%～100%全量程甲烷濃度的測(cè)試，而且還具備防水功能，可以防止水汽對(duì)傳感器造成影響，這樣傳感器就能在高水汽環(huán)境下正常工作。因此，紅外甲烷傳感器的投入使用不僅有效提高了甲烷事故的預(yù)警防范能力，同時(shí)也提高了煤礦安全生產(chǎn)的水平。

3 溫度傳感器在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了保證煤礦的安全生產(chǎn)，需要對(duì)煤礦的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和采煤工作面的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，而且煤礦井下要用到超聲波測(cè)距，為了保證距離測(cè)量的準(zhǔn)確度，也要求準(zhǔn)確測(cè)量礦井內(nèi)的溫度。采用熱電偶測(cè)量溫度是傳統(tǒng)的測(cè)溫方法，但是熱電偶測(cè)溫反映速度慢、測(cè)量誤差大，安裝調(diào)試復(fù)雜，且不便于遠(yuǎn)距離傳輸。后來(lái)出現(xiàn)的光纖溫度傳感器逐漸取代了熱電偶，圖2為光纖溫度傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)圖。

圖2　光纖溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)圖

與熱電偶測(cè)溫相比，光纖溫度傳感器抗電磁干擾能力強(qiáng)，工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大、成本低、耐腐蝕性強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線(xiàn)各點(diǎn)的溫度，適用于大范圍多點(diǎn)測(cè)量的場(chǎng)合。因此，在煤礦井下這樣工作環(huán)境較為惡劣、監(jiān)控距離較長(zhǎng)的施工環(huán)境中，光纖溫度傳感器顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，在皮帶輸送設(shè)備上，皮帶運(yùn)輸機(jī)因滾筒摩擦，容易引起溫度過(guò)高，因此需要安裝溫度傳感器對(duì)其進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。正常工作時(shí)，溫度傳感器的“溫度”端輸出為高電平，當(dāng)被測(cè)溫度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，輸出為低電平，自動(dòng)斷電，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)溫保護(hù)。

各種礦用傳感器的使用不僅保證了煤礦生產(chǎn)的安全，同時(shí)也節(jié)約了人力和成本，例如：永城新橋煤礦的主通風(fēng)機(jī)采用1＃、2＃兩套FBCDZ-10-NO29型對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)對(duì)礦井進(jìn)行抽風(fēng)，兩套風(fēng)機(jī)互為備用。其中電動(dòng)機(jī)功率2×355KW，轉(zhuǎn)速590r/min，電壓等級(jí)6KV。系統(tǒng)采用溫度傳感器和壓力傳感器取代溫度計(jì)和壓力皮托管，利用PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，通過(guò)通訊端口在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、生成數(shù)據(jù)表格與數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。如圖3所示為新橋礦主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)經(jīng)安裝運(yùn)行，不僅安全可靠，而且實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)投資共45萬(wàn)元，每年可節(jié)約人工費(fèi)5萬(wàn)元×8人＝40萬(wàn)元，系統(tǒng)還為管理部門(mén)提供了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，可有效地幫助值班人員及時(shí)了解設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)管理。避免風(fēng)機(jī)故障造成礦井停風(fēng)，保障了礦井的生產(chǎn)安全。

圖3　新橋礦主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

4 礦用傳感器的研究方向探討

本文主要介紹了傳感器在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，闡述了煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的組成及功能，重點(diǎn)介紹了甲烷傳感器和溫度傳感器的應(yīng)用，針對(duì)目前傳感器在煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控中的實(shí)際應(yīng)用情況，結(jié)合自己在煤礦頂崗實(shí)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，建議礦用傳感器在開(kāi)發(fā)過(guò)程中增加以下內(nèi)容：

（1）進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)光纖激光甲烷傳感器，可解決長(zhǎng)距離傳輸及傳感器免調(diào)校等實(shí)際問(wèn)題。

（2）對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化設(shè)計(jì)，提高傳感器的可靠性。

（3）開(kāi)發(fā)多參數(shù)采集傳感器，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行各類(lèi)參數(shù)的檢測(cè)。

（4）規(guī)范通信協(xié)議，使系統(tǒng)能夠相互兼容。

[1]郭玉彪.煤礦用傳感器現(xiàn)狀及研究方向探討[J].電子世界，2014.

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The Application of Sensorin Monitoring and Controlling System of Coal mine

ZHANG Yu, GUO Hongdan
(Yong cheng vocational college,Yongcheng 476600)

Coal industry is one of the pillar industries of our country, is also the energy power of other industries. There are some problems in the process of coal mining. For example: Monitoring and controlling of Coal mine gas concentration, monitoring and controlling of coal mine environment etc . These problems directly threaten the safety of coal mine production and safety of workers. For these problems, this paper describes several commonly used mine sensors, emphatically discussed the application of sensor in monitoring and controlling system of coal mine.

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