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1、10申请公布号CN102053136A43申请公布日20110511CN102053136ACN102053136A21申请号201010550062122申请日20101118G01N33/00200601G01K1/02200601E21F17/1820060171申请人北京科技大学地址100083北京市海淀区学院路30号申请人北京联合大学72发明人杨鹏董宪伟蔡嗣经吕文生唐志新陈赞成于跟波门瑞营黄萍74专利代理机构北京东方汇众知识产权代理事务所普通合伙11296代理人刘淑芬54发明名称一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪57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。
2、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。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图5页CN102053143。
3、A1/1页21一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。
4、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。
5、测仪，其特征在于所述智能型可编程数采模采用ZT300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。
6、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。权利要求书CN102053136ACN102053143A1/6页3一种高原非煤矿山井下空气环境参数实时监测仪技术领域0001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0002目前，现有的和曾有的钻进采矿分部。
7、，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。
8、提上了日程。0003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0004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。0005本发。
9、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0006一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；0007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；0008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；0009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。
10、，再通过CAN总线实现通信；说明书CN102053136ACN102053143A2/6页40010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；0011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；0012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。0013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。0014进一步的，上述技术方案中，所述智能型可编。
11、程数采模采用ZT300系列多通道智能型可编程数采模块。0015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。0016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。0017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。0018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。
12、证用户数据的可靠性和系统的持续运行。0019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。附图说明0020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0021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；0022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；0023图3本发明高原非煤矿山井下空气环境参数多功能实。
13、时监测仪通讯方式示意图；0024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；0025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；0026图6传感器温度的漂移曲线；0027示意图中标号说明00281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交流电源说明书CN102053136ACN102053143A3/6页5具体实施方式0029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。
14、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RS232，RS485网络及支持RS232，RS485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。0030下位采集控制终端以采用ZT300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，ZT300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。
15、，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POPHMI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O2，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。
16、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。0031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K7110智能通讯总线转换模块。K7110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。K7110智能通讯总线转换模块支持CAN20A和CAN20B协议，接口规范符合ISO/IS11898。它的网络拓扑结构为线型、星型、树型。
17、，传输速率为RS232/RS485/RS422120057600BPSCAN5K1MBPS，传输介质采用屏蔽或非屏蔽双绞线。0032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。。
18、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。0033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说明书CN102053136ACN102053143A4/6页6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00341T20/。
19、10000035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。2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。0036表1实验测得传感器交叉干扰数据表00370038设各气体实际浓度为Y，输出信号为X，则00390040设0041004。
20、2则0043YA1X0044在MATLAB中求解得到说明书CN102053136ACN102053143A5/6页700450046则根据YA1X可以得到实际的浓度。0047由于本系统在组网过程中根据节点设备的分布情况选用中继器，因此，在进行节点间通信考虑端端差错控制，用以提高系统通信的可靠性。通信协议采用“ID命令命令类型数据校验”的形式。其中ID为网络设备的标识符，采用ID0ID20共21位。标识符ID21ID28固定作为命令，其中ID21ID23作为命令类型识别符，根据命令类型的不同被赋予不同的优先级别，须参考验收滤波；ID24ID28作为具体的命令信息，不参与验收滤波。数据则表示通信的。
21、基本内容，反映系统网络中采集控制终端接收到的现场通风环境参数状况。为了提高数据通信的可靠性，本系统采用端端差错控制的办法，即在系统上位机与系统采集控制终端之间建立差错控制。0048下面将对本发明所采取的技术方案的优选方式做进一步说明传感器或者仪表数据经由防议转换设备将数据转换为CAN数据报文，传送至USBCANII设备后，计算机通过USB接口读取，然后对CAN数据报文进行解包，识别设备类型和编号，将CAN数据报文中的数据信息与数据库中的设定值进行比较，判断是否超过设定的安全限。若超过设定的安全限，则发出报警信号，或者根据设定的控制功能将控制命令发送回原设备，并保存至数据库的报警记录，否则，处理。
22、下一CAN数据报文。模块之间的调用关系主要由相互之间的数据传递关系决定。程序设计主要采用主/从设计模式，其中用户的操作是主要任务，但是还是要区分用户操作的目的是什么，如果是要完成数据打印等不是急需处理的任务，其响应的优先程度会低于数据采集和数据处理模块；如果用户需要处理的是控制设备动作这一类型任务，其数据报文会被优先发送，以满足实时处理的要求。其操作界面包括00491主界面窗体0050主界面主要包括传感器数据的显示，系统的启动及停止，各种状态的选择以及各功能键的使用。主界面窗体如图6所示。主界面窗体包括以下5个功能区域00511功能键区域包括系统检测、参数设置、历史查询、报表、评价分析、系统信。
23、息这6个按钮。系统检测主要用来重新强制检测系统的工作情况，包括传感器和通信系统；参数设置主要用来设置通讯的波特率、报警的范围以及传感器交叉干扰数据；历史查询用来查询系统存储的监测数据；报表功能用来自动生成数据报表、分析报表、异常报表，报警报表；评价分析功能是对现有监测数据进行评价；系统信息用来显示系统各组件的信息及各种参数。00522操作区域用来进行系统的重启和停止，通信线路的切换。00533指示灯区域用来显示各传感器的工作状态，以及超限报警。00544监测数据显示用数字显示方式实时显示所监测的各个参数。00555趋势线区域用趋势线显示方式来直观的显示监测数据的变化情况。00562报表0057。
24、数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式，说明书CN102053136ACN102053143A6/6页8是数据记录过程必不可少的一部分。它既能反应系统实时的环境情况，也能对长期的数据进行统计、分析，使研究人员能够实时掌握和分析研究井下的实时情况。本系统主要有数据报表、分析报表、异常报表，报警报表。00583报警0059报警是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应的警告信息，在井下采集控制终端和上位监控主机上同时发出语音报警信号，表明该量的值已经超限。在语音报警同时，报警按纽变为红色，提示故障位置，并做历史记录。0060实现本发明的最佳方案是购置相应的传感器、转换模块、主控制器等系统原件、根据监测需要定制全钢机箱以及通讯材料，利用矿山基本的工具即可采区小批量生产，以供矿山安全生产的需要，这样就能更好的实现本发明的实用价值和经济价值。说明书CN102053136ACN102053143A1/5页9图1说明书附图CN102053136ACN102053143A2/5页10图2图3说明书附图CN102053136ACN102053143A3/5页11图4说明书附图CN102053136ACN102053143A4/5页12图5说明书附图CN102053136ACN102053143A5/5页13图6说明书附图CN102053136A。