煤矿自动化监控技术实训指导书

煤矿自动化监控技术实训指导书
平顶山工业职业技术学院
自动化系
目录
实验实训一：矿用传感器的功能测试与应用 (2)
实训二KJ4-2000分站的测试与维护 (6)
实训三KJ4-2000软件的参数设置、数据处理及测试 (9)
实验实训四KJ4-2000电源的使用、维护 (15)
实训五矿用输送机的控制软件使用及近控、远控操作 (19)
实验实训六矿用输送机故障判断与处理 (26)
实验实训七PLC外围模块的故障判断与检测 (33)
实验实训八组态软件的使用与控制界面设计 (36)
实验实训一：矿用传感器的功能测试与应用
一、实训任务
矿井监控系统中所需监测的物理量如甲烷、CO等大多数是非电量，而这些物理量是不宜直接进行远距离传输的。

本实训主要了解相关物理量变换成便于传输、存储和处理的电信号的原理和变换过程。

二、实训原理
（一）传感器的基本参数
1、量程
量程是指传感器所允许测量被测物理量的量值范围。

一般用传感器允许测量的物理量的上、下极限来表示，其中上限值又称为满量程值。

如甲烷传感器的量程为0 ～4.0 ％CH4，风速传感器的量程为0.3～15m/s 等。

2、精度
任何传感器的测量结果都是被测物理量的近似表示，为表示传感器的测量结果与被测物理量的近似程度引人了精度的概念。

精度表示传感器的测量结果与被测实际值的接近程度。

（二）CO传感器
1、结构及安装
传感器主机的机壳采用不锈钢材料制造，整机防尘、防水。

敏感元件采用限制扩散式气室，报警灯采用高亮度红色发光管。

仪器正面为四位红色数码管显示测量值。

传感器的管道探头通过传感器焊接座与瓦斯抽放管道相连，通过配套的电缆将传感器管道探头与传感器主机连接，电源接通后，即可正常工作。

传感器电源信号电缆接线颇色规则如下：
红色线——电源正极（电缆插头1脚）
蓝色线——电源负极（电缆插头2 脚）
白色线——频率（电流）信号输出「485A ] （电缆插头3 脚）
绿色线——〔 485B〕（电缆插头4 脚）
2、主要技术指标：
测量范围：oppm ～500ppm
基本测量误差：0.00ppm ～19.0ppm≤±2ppm
20.0ppm～99.0ppm ≤±4ppm
100ppm～ 500ppm ≤±5.0 % （相对误差）
（三）甲烷传感器
甲烷（CH4）浓度监测是矿井安全监控的首要内容。

当环境中甲烷浓度大于
或等于报警浓度时，发出声光报警信号；当环境中甲烷浓度大于或等于断电浓度
时，切断被控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁，当甲烷浓度低于
复电浓度时解锁。

甲烷空气混合物浓度在5 ％～15％范围内，又遇到6500C～7500C的高温热
源就会发生引爆，甲烷浓度为 9.5%时爆炸压力最大。

爆炸界限不是恒定不变的，
它随着气体的初始压力等参数的变化而变化。

在爆炸下限，甲烷不足氧气过剩，
甲烷分子间的距离较大，甲烷与空气中的氧气反应生成的反应热被多余的氧气和
惰性气体吸收，不能激活其他的甲烷分子。

在爆炸上限，甲烷过剩，氧气不足，
甲烷与空气中的氧气反应生成的热量较低，不足以引起其他的甲烷分子与氧分子
反应。

1、结构
载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件（俗称黑元件）和一个不带催
化剂的补偿元件（俗称白元件）组成，白元件与黑元件的结构尺寸完全相同。

但
白元件表面没有催化剂，仅起环境温度补偿作用
2、工作原理
在传感元件（含敏感元件，以下同）表面的甲烷（或可燃性气体），在催化剂的催化作用下，发生无焰燃烧，放出热量，使传感元件升温，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件电阻变化就可测出甲烷气体的浓度。

黑元件由铂丝线圈、A1203 载体和表面的催化剂组成。

其中铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需要的温度，白元件表面没有催化剂，因此甲烷不会在白元件表面燃烧，白元件铂丝线圈的电阻变化仅与环境温度有关，黑元件R1与白元件R2处于电桥的同一侧，通过的电流相等（不考虑电压测量电路的漏电流）。

因此，在甲烷（可燃性气体）浓度为0 的新鲜空气中，其电阻相等（不考虑由于制造过程中的结构差异），即R1 = R2，这时，电桥处于平衡状态，输出电压UAB 为0 。

若环境温度发生变化或通过黑白元件的电流发生变化，使黑白元件电阻发生变
化，但由于变化后的黑白元件电阻仍相等，不会使电桥失衡，故白元件起温度补偿的作用。

三、实训内容
1、传感器的典型故障处理：
1）当仪器显示LLL 时，一氧化碳检测元件可能损坏，请测量判断后予以更换。

2）当仪器显示HHH 时，表示传感器进入超限保护状态。

3）若传感器接受不到遥控信号，首先检查遥控器电池是否有电，确认有电后在更换传感器线路板数码管旁的红外接收头（SFH ）。

若数码管功能位数字乱跳而无法控制，也可更换SFH 。

4） 若传感器显示时分／月日与标准时间有误差或显示乱码（一般是时钟芯图1.2 催化元件检测电路
片内部寄存器未正确初始化）时，需重新设置时间即可恢复正常。

5）当供电电压显示值、温度显示值与实际值偏差较大时，主要原因是其灵敏度偏差之故，只需重新标校后即可。

标校方法：
打开传感器后盖，先按下CPU 板上的K1 键再同时按摇控板上功能键（最前面一位数码管显示“1”后即可松开Kl键），使仪器的最前面一位数码管显示为“9 "，通过上升键或下降键调节电压测量灵敏度使其显示与实际值相符即可；按动功能键使最前面一位数码管显示为“C”，通过上升键或下降键调节温度测量灵敏度使其显示与实际值相符即可。

2、任务考评
评分标准见表1-1
四、思考题
1、传感器由哪几部分组成？
2、传感器的静态指标有哪几个？各有何要求？
实训二KJ4-2000分站的测试与维护
一、实训任务
煤矿井下是一个特殊的工作环境，有瓦斯（主要成份是甲烷）等易燃、易爆性气体，有硫化氢等腐蚀性气体，有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大，电磁干扰严重、电网电压波动大、工作场所分散且距离远。

因此，要求矿井监控系统传输距离远、电网电压波动适应能力强、抗干扰能力强、抗故障能力强、设备外壳防护性能要求高等方面。

二、实训原理
1、智能传感器
智能传感器传输的串行数字信号除数据（模拟量传感器）或状态（开关量传感器）外，还有报警、断电等控制信号。

接在同一条总线上的执行机构（如声光报警和断电设备）根据收到的控制信号（如：报警和断电信号），执行相应的操作（如：发出声光报警和断电控制）。

传感器直接控制执行机构，较经分站控制执行机构具有执行速度快、可靠性高等优点，当分站发生故障时，仍可执行一些基本的控制。

2、智能监控站
智能监控站是全矿井综合监控系统智能现场设备，其功能类似于现有系统分站，具有信号采集、控制、与主站（或上级智能控制站）双向数据传输等功能，但又不同于现有系统分站，这主要体现在以下几个方面：
(l）与传感器（含执行机构）信号传输采用数字传输，多路复用，其优点前面已介绍，这里不再赘述。

同时，也解决了模拟量输人、模拟量输出、开关量输人、开关量输出4 种监控量互换的问题，适用于各种监控。

(2）采用组态软件技术，解决了分站软件通用问题。

用户只需要根据不同的监控对象和目的，象搭积木一样，利用分站本身提供的传输、数据处理、控制等模块，组成相应的监控软件，实现环境安全、轨道运输、胶带运输、供电等监控，而用户不需学习繁杂的编程方法。

(3）采用现场总线技术，解决通信协议不通用、不同的分站难以接人同一系统，主从式通信等问题，提高系统的可靠性。

3、调度管理网络
调度和管理人员是通过调度管理网络与系统进行信息交换的，其功能类似于现有系统的中心站和远程终端，具有系统初始化、显示、打印、存储、控制干预等功能，但又不同于现有中心站与远程终端，这主要体现在以下几个方面：
(l）采用计算机网络将工作在生产调度室、通风调度室、矿长办公室和总工办公室等许多工作站联系在一起，较采用终端方式更加灵活方便，信息利用率高。

在工作站上，可利用网上的生产、安全、销售、财会等多方面信息。

当然，也可通过授权限制某些用户对信息资源的利用。

(2）采用组态软件技术，解决了中心站软件通用问题。

用户只需要根据不同的监控对象和目的，利用智能工作站提供的模块，组成相应的监控软件，实现综合监控。

(3）网络设备由工作站（含多屏幕工作站、多媒体工作站）和服务器等组成。

一般采用以太网、快速以太网、交换式以太网和ATM 。

三、实训内容
1、为防止甲烷超限断电，切断安全监控设备的供电电源，安全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。

为保证局部通风机的供电可靠性，严禁与局部通风机共享电缆、变压器或开关。

2、与安全监控设备关联的电气设备，电源线及控制线在拆除或改线时，必须与安全监控管理部门共同处理。

检修与安全监控设备关联的电气设备，需要安全监控设备停止运行时，须经矿调度室同意，并制定安全措施后方可进行。

3、在使用安全监控设备前，必须按产品使用说明书的要求，调试合格后方可使用。

4、模拟量传感器应设置在能正确反映被测物理量的位置。

开关量传感器应设置在能正确反映被监测状态的位置。

声光报警器应设置在经常有人工作便于观察的地点。

井下主站或分站，应设置在便于人员观察、调试、检验及支护良好、无滴水、无杂物的进风巷道或铜室中，安设时应垫支架，使其距巷道底板不小于300mm ，或吊挂在巷道中。

四、使用与维护
安全监测员必须24 小时值班，每天检查安全监控设备及电缆，使用便携式光学瓦斯检测仪、或便携式甲烷检测报警仪与甲烷传感器进行对照，并将记录和
检查结果报监测值班员。

当两者读数误差大于允许误差时，先以读数较大者为依据，采取安全措施，并必须在8h 内对两种设备进行调校完毕。

分站、传感器、声光报警器、断电器及电缆等安全监控设备，由所在采掘区的区队长、班组长负责保管和使用，如有损坏应及时向安全监控管理机构汇报。

五、思考题
组态控制技术在安全监控设备中有何作用？
实训三KJ4-2000软件的参数设置、数据处理及测试
一、实训任务
矿井安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主要通风机开停、工作电压、工作电流等，并实现甲烷超限声光报警和断电、甲烷风电闭锁控制、断电命令与馈电状态不符声光报警等，具有可靠性高、漏报概率小、功能强等优点。

因此，了解矿井安全监控系统的安装和维护对煤矿安全生产具有重要意义。

二、实训内容
1、系统的安装方法：
把KJ4-2000安装光盘放入光驱将自动进入安装界面，或进入光盘运行
AutoRun.exe启动安装界面。

安装KJ2000终端软件：
在安装向导中选择安装KJ2000终端软件，自动进入安装界面。

（图1）（图2）在出现如（图1）界面时，单击确定，选择继续安装。

出现（图2）画面暂时不必输入信息，等待出现以下画面。

选择Next进行安装，待安装完成后，输入（图2）所要输入的信息。

单位名输入本处的矿名即可，应用服务器名需要输入数据中心所安装的计算机名，一般为kjdata。

这个软件需要在服务器、主机和终端上进行安装。

2、安装KJ2000采集软件：
在安装向导中选则安装KJ2000采集软件，自动进入安装界面。

选择Next进
行安装即可。

该软件只需在主机上安装，作用是采集井下各测点数据。

3、安装KJ2000数据中心：
在安装向导中选则安装KJ2000数据中心，自动进入安装界面。

在出现如（图3）界面时，单击确定，选择继续安装。

出现（图4）画面暂时不必输入信息，等待出现（图5）画面。

（图3）（图4）
（图5）
选择Next进行安装，待安装完成后，输入（图4）所要输入的信息。

应用服务器名需要输入数据中心所安装的计算机名，一般为kjdata。

该软件只需在服务器上安装。

三、数据库的备份和还原方法：
1、建立数据库：
单击开始，选择程序在Microsoft SQL Server选项中选择企业管理器。

如
下图右键单击数据库选择新建数据库。

出现以下画面。

在常规选项下在名称中输入所建立的数据库名称，一般为KJ2000。

在数据文件选项中位置选项默认为“C:\Program Files\Microsoft SQL Server\MSSQL\data\kj2000-Data.MDF”。

在事物日志选项中位置选项默认为“C:\Program Files\Microsoft SQL Server\MSSQL\data\kj2000-Log.LDF”。

数据文件和事物日志的这两个选项中一般不必改动。

数据库建立完成后选则所建的数据库点击右键，选择所有任务中的还原数据
库。

在常规选项中选则从设备，还原备份集选择完全。

点击设备选择找到所要还原的数据库文件（初始数据库文件名为kj2000-database）。

在选项中选择在现有数据库上强制还原。

确定后还原成功即可。

2、数据库的备份：
单击开始，选择程序在Microsoft SQL Server选项中选择企业管理器。

进入控制台根目录>SQL Server组>KJDATA>数据库，在数据库目录下选择所要备份
的数据库（一般为kj2000）单击右键选择所有任务下的备份数据库。

出现以上画面在常规选项中选择数据库完全备份，在目的选项中添加所要备份到的目录和文件名（一般为D盘下的DATA目录下，文件名为KJ2000备份），在调度中选择所要备份的时间（一般为每一周在星期日发生，在00:00）。

3、数据库的还原：
参照建立数据库中有关数据库的还原即可完成此项操作。

实验实训四KJ4-2000电源的使用、维护
一、实训任务
电源是矿井监控系统（含甲烷断电仪、甲烷风电闭锁装置）的重要设备之一。

矿用电源（指矿井监控系统电源、甲烷断电仪电源、甲烷风电闭锁电源，以下同）除向分站、传感器、声光报警器、断电器等提供本质安全防爆直流电源外，还必须保证井下交流电网停电后，维持系统正常工作时间不少2小时。

本实训主要研究矿井监控系统电源的使用与维护。

二、实训原理
1、矿井监控系统电源的特点：
(1) 本质安全型防爆输出。

本质安全型防爆电气设备具有体积小、重量轻、成本低，特别当电缆发生故障所产生的电火花，能量很低，不会引爆井下爆炸性气体混合物等优点。

因此，矿井监控设备应优先采用本质安全型或本质安全型其他防爆型式的复合型。

(2) 电网电压波动适应能力强。

采煤机、掘进机，输送机等井下电气设备功率大，直接启动，频繁启动，供电距离远等造成了井下交流电网电压波动范围大（75％～110 % ）。

因此，要求矿用电源电网电压波动适应能力强，在75％～110 ％的额定电压范围内正常工作。

(3) 效率高、体积小、重量轻。

井下空间狭小。

因此，要求矿用电源体积小，重量轻。

矿用电源电网电压波动范围大，负载变化大，为减小矿用电源的体积和重量，就必须提高电源效率，减小散热片面积。

因为散热片体积的增大，还会进一步导致隔爆外壳体积的增大和重量的增加。

(4) 保护功能强。

矿用电源工作在环境恶劣的煤矿井下，井下潮湿，有淋水和矿尘，顶板垮落，机械碰撞等，这些会造成负载或电缆短路。

因此，矿用电源要有短路保护，过流保护等功能，同时要防潮、防水、防尘、防霉、防腐。

(5) 输人电压范围宽。

煤矿井下交流电网电压等级较多。

36V 、127V 、380 V 、660v 、1140V 、3300V 等，矿用电源的输人电压一般选36V 、127V 、380V 和660V ，还应兼顾地面的220V 。

因此，要求矿用电源输人电压范围宽。

2、矿用电源的主要技术指标
矿用电源的主要技术指标有额定输入电压、允许输人电压范围等很多，其中最大输出电压、最大输出电流是本质安全防爆电源的必备安全参数。

(l) 额定输人电压Ui 是矿用电源标称输人电压，如：36v 、127v 、220V 、380V 等。

(2)允许输人电压范围是矿用电源允许输人电压范围，通常用额定输人电压的百分比表示（如：75％～110% Ui ) ，也可用允许输入电压的上限和下限表示（如95V ～140V ）。

当输人电压超出输人电压范围，电源将损坏或工作不正常，或失去防爆性能。

(3）额定输出电压是矿用电源标称输出电压，如：5V 、6V 、9V 、12V 、15V 、18V 、24V等。

(4）输出电压范围是矿用电源在规定的输人电压范围内和输出电流不大于额定输出电流的清况下，输出电压变化范围。

输出电压的变化范围可以用输出电压的上、下限，如：4.75V ～5.25V 表示，也可以用额定输出电压的相对值来表示，如：土5％。

(5）最大输出电压是指矿用电源在开路等情况下所能输出的最大电压。

这是本质安全型防爆电源的一个重要指标。

若矿用电源的输出电压大于最大输出电压，将无法保证电源的防爆性能，这种电源严禁在井下爆炸性环境中使用。

(6）额定输出电流是矿用电源的标称电流。

当输出电流不大于额定输出电流，输人电压不超过允许输人电压范围时，电源的防爆性能和输出电压范围均可得到保证。

当电源的输出电流大于额定输出电流时，电源的一些技术指标将难以保证，但防爆性能必须保证。

(7）最大输出电流是指矿用电源在短路等情况所能输出的最大电流。

这是本质安全防爆电源的一个重要指标。

若矿用电源的输出电流大于最大输出电流，将无法保证电源的防爆性能，这种电源严禁在井下爆炸性环境中使用。

(8）稳压系数是指输人交流电压变化△Vi 所引起的输出直流变化△V。

的变化量。

稳压系数越小，说明输出越稳定。

(9）电压调整率是指负载为额定负载时，输人交流电压在额定值上下变化士10％时，稳压电源输出电压的相对变化量Sv =（△Vo/Vo) x 100％。

(10）电流调整率是指在额定交流输人电压条件下，负载电流从零变化到额定输出电流值时，输出电压变化△Vo 与输出额定电压Vo 的比值Si = ( △Vo/Vo )
x100 ％。

Si反映了电源对负载电流变化的适应能力，Si越小越好。

(11）输出电阻（内阻）是指在额定输人电压（△V= 0 ）情况下，负载电流变化△Io所引起的输出电压变化△V。

，Ro= △Vo/△Io ，Ro 越小越好。

(12）纹波电压是指在额定输出电压、额定输出电流、额定输人电压情况下，输出交流
分量电压的绝对值大小，通常用峰值或有效值表示。

(13）纹波系数是指在额定输出电压、额定输出电流、额定输人电压情况下，输出纹波电压的有效值VNms与输出直流电压Vo 的比值，即： =（VNms/Vo) x100％。

纹波系数越小，说明电源输出电压越平滑、越好。

三、实训内容
1、接断电控制电缆
断电为触点型输出。

断电电缆由外壳左边第二、三个喇叭口引入，剥开外皮，将电缆芯线拧在接线板右边两个端子排³4、³5上，根据需要接线。

接线排³4—1为常开点，³4—2为常闭点，³4—3为中心抽头，³5—1为常开点，³5—2为常闭点，³5—3为中心抽头；如不需要断电控制输出，须将断电喇叭口密封好，保证隔爆要求。

接线次序同上。

2、通电开机，检查各项功能是否完备，并给蓄电池充电。

另外，如货到后三个月未使用，应将电源箱取出，给蓄电池充电，以避免蓄电池长时间不使用而损坏。

3、电源箱指示灯
电源箱观察窗口有四个指示灯，红灯为交流供电指示灯，绿灯为电池供电指示灯，白灯为断电指示灯（两个）。

4、此电源箱本安输出插头接线兼容KJ2007D1分站和KJ2007F井下分站，使用时注意以下问题：
①当配接KJ2007D1分站时：
KJ2007D1分站只需要4路+21V本安电源，用第1、2、3、4、路（前两块+21V板），第5、6路不用，但必须将底板上的第5、6路的三个开关S1、S2、S3打到“接D1分站”位置，第5、6路即断开，否则可能烧坏D1分站与电源的接口电路，或者将第5、6路板取出做为备份板。

D1分站4路+21V本安电源分布示意图见图3。

②当配接KJ2007F井下分站时：
KJ2007F井下分站需要6路+21V本安电源，将底板上第5、6路的三个开关S1、S2、S3打到“接F分站”位置，否则第5、6路不工作。

6路+21V本安输出分布如下：F分站左侧插座频入1（³12）中为第1、2路，插座频入2（³13）中为第3、4路，插座频入3（³14）和插座频入4（³15）以并联方式共用第5、6路，应注意合理分配负载。

F分站6路+21V本安电源分布示意图见图4。

5、底板结构示意图见图5。

底板上³1为充电断电板插座，³2为+21V 第1、2路插座，³3为+21V第3、4路插座，³4为+21V第5、6路插座，³5为+12V板插座，³6为19芯本安输出插座，³7为第一路断电控制插座，³8为第二路断电控制插座，³9为充电断电板和+12V板交流输入插座，³10为电池输入插座，³11为6路+21V板交流插座。

S1为第5路+21V的输出控制开关，S2为第5、6路交流输入控制开关，S3为第6路+21V的输出控制开关。

四、思考题
1、井下电源箱的结构与地面电源箱有哪些不同之处？
2、电源箱都采取了哪些措施来达到防爆要求？
3、井下防爆电气的特点？
实训五矿用输送机的控制软件使用及近控、远控操作
一、实训任务
带式输送机是煤矿井下和地面生产系统中应用最多的一种连运输设备。

它具有运输能力大、工作阻力小、耗电量低、运输离长、使用寿命长，且对煤的破碎作用小、噪音低、安全可靠优点，得到了广泛使用。

因此，大家必须了解和掌握井下运输系统的结构和原理。

二、实训原理
(一) 带式输送机的结构及工作原理
1、带式输送机的组成
带式输送机的组成如图3 一1 和图3 一2 所示。

图3—1 滚筒驱动带式输送机
1----卸载滚筒 2----输送带 3----传动滚筒 4----导向滚筒
5----拉紧滚筒 6----拉紧装置 7----紧绳装置 8----上托辊
9----下托辊 10----机身钢丝绳 11----清扫器 12----机尾滚筒
图3---2 钢丝绳牵引带式输送机
1----传动轮 2---- 导绳轮 3----卸载漏斗 4----输送带导向滚筒5----输送带 6----牵引钢丝绳 7----给煤机 8----拖绳轮
10----钢绳张紧车 11、12----拉紧重锤
2、带式输送机的工作原理
（1）基本工作原理
输送带（或钢丝绳）连接成封闭环形，用张紧装置将它们张紧，在电动机的驱动下，靠输送带（或钢丝绳）与驱动滚筒（或驱动轮）之间的摩擦力，使输送带（或钢丝绳）连续运转，从而达到将货载由装载端运到卸载端的目的。

（2）提高摩擦牵引力的途径
带式输送机提高摩擦牵引力的途径有：
①增大输送带的初张力，在生产实际中通过拉紧装置适当地增大初张力，以提高牵引力。

②增大摩擦系数μ。

在主动滚筒表面上包覆一层摩擦系数大的木衬或橡胶等衬垫（包胶或铸胶），以增大摩擦系数。

③增大围包角α。

当所需的牵引力较大时，采用双滚筒传动，使其围包角可达480°左右。

3、带式输送机的结构
带式输送机的主要组成部分有：输送带、托架及机架、传动装置、拉紧装置、储带装置和清扫装置等。

（1）输送带
输送带既是承载机构，又是牵引机构。

常用的输送带有3 种类型，即普通输送带、钢丝绳芯输送带和钢丝绳牵引输送带。

在这里只介绍前两种输送带的结构。

（2）托辊和机架
托辊用来支承输送带，减少输送带阻力，并使输送带悬垂度不超过一定限度，以保证输送带运行平稳。

托辊安装在机架上。

托辊由轴、轴承和标准套筒等组成。

托辊按用途可分为槽型托辊、平型托辊、调心托辊和缓冲托辊4种，其结构如图3----4所示。