專利名稱：一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實時監(jiān)測儀，按國際專利分類表(IPC)劃分屬于固定建筑物部，鉆進采礦分部，礦井或隧道中或其自身的安全裝置， 運輸、充填、救護、通風或排水的技術領域。
背景技術：
目前，現(xiàn)有的和曾有的鉆進采礦分部，礦井或隧道中或其自身的安全裝置，運輸、 充填、救護、通風或排水的技術領域?qū)ΦV山安全生產(chǎn)的監(jiān)測方面做過很有成效的研究，也曾設計出了許多優(yōu)秀的方案。如2005年中國專利局公告的由遼寧工程技術大學付華、王傳英、杜曉坤實用新型的，授權公開號為CN1664312A，名稱是《礦井自然發(fā)火監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法》的實用新型專利，所采用的技術方案礦井或隧道中或其自身的安全裝置，運輸、 充填、救護、通風或排水的技術方面是一例很有價值的實用新型，它在克服以往技術不足的情況下，提供了一種結構簡單、擴展方便、抗干擾性強的礦井自然發(fā)火監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法，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，有必要對高原礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測并及時預警， 以保證工作人員的身體安全與健康，進一步提高工作效率。而在礦井或隧道中或其自身的安全裝置，運輸、充填、救護、通風或排水這一技術領域?qū)ι鲜鰡栴}尚未進行深入的研究。

實用新型內(nèi)容本實用新型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)多功能實時監(jiān)測儀，以實現(xiàn)高原環(huán)境下對非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測并通過軟件進行遠程控制、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問題。本實用新型要解決的上述技術問題所采用的新的技術方案是這樣實現(xiàn)的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測儀，包括系統(tǒng)采集控制終端、通訊組網(wǎng)和控制主機三部分所述智能型可編程數(shù)采模塊具有多個通訊口，與傳感器模塊連接，并連接至通訊組網(wǎng)實現(xiàn)與控制主機的通信；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)采模塊及控制主機分別與轉(zhuǎn)換模塊相連接，再通過CAN總線實現(xiàn)通信；所述控制主機連接有一液晶顯示器，控制主機對系統(tǒng)采集控制終端采集的數(shù)據(jù)進行處理并輸出至液晶顯示屏進行顯示；[0010]其特征在于所述監(jiān)測儀采用系統(tǒng)采集控制終端與控制主機一體化的架構，所述系統(tǒng)采集控制終端采用全鋼機箱，全鋼機箱上設計有風道、濾網(wǎng)及風扇，傳感器模塊安裝在風道中；所述控制主機采用全鋼機箱、進氣過濾網(wǎng)以及機箱正壓技術。進一步的，上述技術方案中，所述控制主機具有ISA標準主板。進一步的，上述技術方案中，所述控制主機連接有指示燈，所述控制主機對系統(tǒng)采集控制終端采集的空氣環(huán)境參數(shù)設定安全值時，超過安全值時，指示燈進行報警。進一步的，上述技術方案中，所述傳感器模塊采用即插式傳感器設計，可針對不同監(jiān)測地點的要求選擇不同的傳感器。進一步的，上述技術方案中，所述傳感器模塊對采集的傳感器信號進行了防交叉干擾優(yōu)化，采用反演算法。隨著我國礦產(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。本實用新型是目前國內(nèi)首個針對高原非煤礦山開發(fā)研制的監(jiān)測系統(tǒng)，它對于改善井下工作環(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際意義。

附圖給出本實用新型的高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖圖1 本實用新型高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實時監(jiān)測儀整體結構示意圖；圖2 本實用新型高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實時監(jiān)測儀下位機外觀示意圖；圖3本實用新型高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實時監(jiān)測儀通訊方式示意圖；圖4 高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實時監(jiān)測儀下位機工作原理示意圖；圖5 本實用新型高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實時監(jiān)測儀控制系統(tǒng)主界面；圖6 傳感器溫度的漂移曲線；示意圖中標號說明1風道；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
具體實施方式
該高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實時監(jiān)測儀主要由下位機(也叫系統(tǒng)采集控制終端)、通訊部分和上位機(即控制主機)三大部分構成，其整體結構如圖1所示。 其中，下位機包括PLC主控制器、相應的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備等，1-風道兩端各有一個風向相反的微型風機，有助于井下風流順
4利通過下位機風道。下位機外觀結構示意圖見圖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)絡及支持RS-232，RS-485協(xié)議的儀器儀表進行通信的CAN 總線作為系統(tǒng)各部分的通信網(wǎng)絡，通訊原理示意圖見圖3 ；上位機選用臺灣研華系列工業(yè)控制計算機。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備，ZT-300型PLC采用模塊化設計，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)實時處理、光電隔離抗干擾性好等特點，具備多通訊口，可同時驅(qū)動液晶顯示(Ρ0Ρ-ΗΜΙ人機界面)和通訊組網(wǎng)，使用方便。根據(jù)高原非煤礦山實地測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、測量量程以及精度，選擇了 CYBER工業(yè)級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)換成可供測量的信號。通過現(xiàn)場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，通過采集控制終端LCD液晶顯示屏可以在工作現(xiàn)場隨時查看井下空氣環(huán)境參數(shù)的變化情況，同時通過CAN總線傳輸?shù)缴衔槐O(jiān)控主機， 其工作原理示意圖見圖4。在系統(tǒng)運行中，采集控制終端能夠保存一段時間的歷史數(shù)據(jù)，因此即使通訊網(wǎng)絡或上位機發(fā)生故障，系統(tǒng)采集控制終端仍然可以照常運行，保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)不會丟失。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)絡中用RS485/RS232轉(zhuǎn)CAN總線的轉(zhuǎn)換模塊來實現(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，延長通訊距離，擴展總線節(jié)點數(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)絡拓撲結構為線型、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。上位機設置一臺工業(yè)控制計算機，負責對整個系統(tǒng)進行管理，控制主機通過CAN 總線與采集控制終端進行通信。選用的研華工業(yè)控制計算機采用了全鋼機箱、進氣過濾網(wǎng)以及機箱正壓技術，有效防止了粉塵進入機箱內(nèi)部和發(fā)生碰撞等導致計算機損壞以及計算機不穩(wěn)定的因素。主板采用ISA標準，可以方便地進行內(nèi)部模塊擴充，使其在維修和升級換代方面具有極大的優(yōu)勢。鍵盤鎖以及前置鍵盤插孔的設置，有效保證了操作安全以及防止誤操作。為了提高可靠性，關鍵部件采用了工業(yè)級的產(chǎn)品，保證系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定地運行。 上位機采用采用冗余設計，配置一臺備份主機，當控制主機正常工作時，備份主機只是一個普通的節(jié)點，僅對上位機數(shù)據(jù)進行備份。一旦控制主機出現(xiàn)故障時，備份主機及時接替控制主機的任務，以保證用戶數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的持續(xù)運行。傳感器是檢測信號的產(chǎn)生裝置的，它的可靠性直接決定了信號的準確性和穩(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，需要對影響的值進行補償。圖5是試驗測得的溫度對氧氣傳感器的影響示意圖，使用軟件對溫濕度進行了補償，根據(jù)溫度參數(shù)對氧氣濃度進行修正，修正系數(shù)為λ = l+(t-20)/1000溫濕度對毒氣傳感器(電化學)也有影響，傳感器的輸出會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。從礦山實地測量的情況看，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氣敏傳感器來說，其他氣體會對目標氣體的信號輸出造成一定影響，現(xiàn)在一般采取硬件措施弱化干擾，或者用軟件進行補償修正。毒氣傳感器的反應機理大致相同，所以干擾較大，故在測得氣體之間的相互干擾數(shù)據(jù)后，可以在軟件中進行修正。表1是實驗測得的5種氣體傳感器的交叉干擾數(shù)據(jù)。表1實驗測得傳感器交叉干擾數(shù)據(jù)表
權利要求1.一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測儀，包括系統(tǒng)采集控制終端、通訊組網(wǎng)和控制主機三部分；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、顯示屏及輔助設備；所述智能型可編程數(shù)采模塊具有多個通訊口，與傳感器模塊連接，并連接至通訊組網(wǎng)實現(xiàn)與控制主機的通信；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)采模塊及控制主機分別與轉(zhuǎn)換模塊相連接，再通過CAN總線實現(xiàn)通信；所述控制主機連接有一液晶顯示器，控制主機對系統(tǒng)采集控制終端采集的數(shù)據(jù)進行處理并輸出至液晶顯示屏進行顯示；其特征在于所述監(jiān)測儀采用系統(tǒng)采集控制終端與控制主機一體化的架構，所述系統(tǒng)采集控制終端采用全鋼機箱，全鋼機箱上設計有風道、濾網(wǎng)及風扇，傳感器模塊安裝在風道中；所述控制主機采用全鋼機箱、進氣過濾網(wǎng)以及機箱正壓技術。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測儀，其特征在于所述傳感器模塊可以設置有多個。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測儀，其特征在于所述控制主機具有ISA標準主板。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測儀，其特征在于所述控制主機連接有指示燈，所述控制主機對系統(tǒng)采集控制終端采集的空氣環(huán)境參數(shù)設定安全值時，超過安全值時，指示燈進行報警。
5.根據(jù)權利要求1的所述的高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)多功能實時監(jiān)測儀，其特征在于所述傳感器模塊采用即插式傳感器設計，可針對不同監(jiān)測地點的要求選擇不同的傳感器。
專利摘要本實用新型屬于礦井或隧道中或其自身的安全裝置，運輸、充填、救護、通風或排水的技術領域。一種高原非煤礦山井下空氣環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測儀，包括系統(tǒng)采集控制終端、通訊組網(wǎng)和控制主機三部分；所述監(jiān)測儀采用系統(tǒng)采集控制終端與控制主機一體化的架構，所述系統(tǒng)采集控制終端采用全鋼機箱，全鋼機箱上設計有風道、濾網(wǎng)及風扇，傳感器模塊安裝在風道中；所述控制主機采用全鋼機箱、進氣過濾網(wǎng)以及機箱正壓技術。本實用新型是針對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際意義。
文檔編號G01K1/02GK202101979SQ201020613679
公開日2012年1月4日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權日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, 陳贊成, 黃萍 申請人:北京科技大學, 北京聯(lián)合大學