2020/1/10 山东科技大学 ? 煤岩支撑应力监测传感器又称钻孔应力传感器，其结构见 图 6-12 所示。钻孔应力传感器配套总线变送器工作，固定设 置变送器编码，传感器输出标准的电压信号。变送器由 CPU 控制监测传感器输出信号，变送器内置总线接口连接到 RS- 485 总线，变送器收到总线请求发送数据指令时，自动将数 据发送到总线。 1 2 3 4 A B C D 4 3 2 1 D C B A 变 送 器 板 导向锥 应变体 F 应变计 变送器 信号电缆炉、缆 2020/1/10 山东科技大学 5 、采空区充填体应力监测 ? 充填体应力传感器采用标准电压信号输出，考虑到使用的环 境，与变送器集散式连接，每个传感器使用一条通讯线路连 接到变送器，变送器与通迅分站总线连接，变送器固定设置 编码，变送器内置总线接口连接到 RS-485 总线，变送器收 到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。 2020/1/10 山东科技大学 6 、井下数据通讯系统 ? 通讯主站与多台通讯分站构成上下位主从关系，主站与分 站之间通过一级总线连接。

通讯分站固定设置地址编码，主 站依次巡测每个分站，分站接收巡测指令后，将分站已经存 储的数据帧发送到通讯主站。通讯主站将每次巡测的数据通 过主传输系统发送到井上接收主机。主传输系统有三种接口： 方式 1 ， RDS-100 有线电缆通讯方式（电话线）；方式 2 ，单 模光纤专线通讯方式；方式 3 ，符合 TCP/IP 协议的以太环网 通讯方式。以上传送方式均支持串行异步透明传送。 2020/1/10 山东科技大学 7 、井上接收及数据处理系统 ? 接收主机以以上三种方式之一接收到井下传送的数据，容错 后直接发送到监测服务器，监测服务器安装 监测分 析软件，将数据存储到数据库，并根据用户的要求进行不同 的数据分析和报警。 ? 局域网用户可安装或下载客户端软件，实现在线同步监测。 若监测局域网 Web 服务器，可安装 B/S 监测软件，局域网或 互联网用户可通过浏览器方式共享监测信息。 2020/1/10 山东科技大学 第二节胶带输送机集散控制系统 ? 胶带输送机的自动控制系统实现了“有煤则开、无煤则停” 自动化控制。胶带输送机有多种保护功能和监控方式，如低 速保护功能、温度保护、跑偏保护、烟雾保护、煤仓煤位保 护、堆煤保护、断电自动洒水、急停闭锁及显示故障报警等， 系统框图如图 6-13 所示。

下面介绍其各组成部分。 2020/1/10 山东科技大学 2020/1/10 山东科技大学 一、系统简介 ? 集散式计算机控制系统是由一台集中单片机控制系统（主 机系统）和多个分散区域单片机控制系统（从机系统）所构 成。该系统是以单片机为核心，以 RS-485 串行接口为远距 离通信等组成的集中和多分散区域为一体的计算机控制系统。 ? 每一个区域单片机控制系统，可以分接多个故障检测传感 器，完成从机对各个检测点进行巡回检测，而集中控制单片 机系统也同样可以挂接多个单片机系统，它们之间由地址编 码来实现集中单片机控制系统对各个区域的胶带输送机进行 巡回检测，以完成对胶带机全部系统运行状态的监控。 2020/1/10 山东科技大学 二、数据采集部分 ? 本系统采用的数据采集电路是利用传感器采集现场数据，所 用的传感器有温度传感器，速度传感器，烟雾传感器，跑偏 传感器，堆煤传感器、煤位传感器等。 ? 温度传感器采集的数据为模拟量，其它传感器采集的数据均 为开关量，开关量输出是利用控制设备处于“开”或“关” 状态的时间来运行控制的。 ? 开关量采集是按单片机 89C51 的要求，把其可采集的开关量 信号送给 。

电路的核心就是一片 16 通道单端模拟 开关芯片 4067 。开关量信号是检测传感器把检测的结果信号 接至光耦，再由光耦接至 4067 的输入通道端。 2020/1/10 山东科技大学 1 、开机信号 ? 开机信号用开机传感器 KJ 来采集。开机传感器选用霍尔传感 器，霍尔传感器是基于霍尔效应原理，利用霍尔元件将被测 量转换成电势输出的一种传感器，其核心部件是霍尔元件。 ? 传感器输出低电平信号就表明有煤流出，把此低电平信号作 为开机信号传给控制系统，控制系统得到此信号后作开机处 理。当无煤流出时，控制系统检测输出为高电平，控制系统 便作停机处理。 2020/1/10 山东科技大学 2 、堆煤信号 ? 煤仓中堆煤信号的检测采用光电式物位传感器，传感器输出 低电平信号作为堆煤发生的信号，堆煤信号传给控制系统， 控制系统依据堆煤系统信号是高电平还是低电平作出相应的 堆煤保护处理。 3 、跑偏信号检测跑偏信号使用的是磁电式传感器，该传感器安装在皮带 边缘的旁边。当皮带跑偏时，皮带就会碰触其旁边的铁杆， 使铁杆偏离磁场，铁杆是磁路的组成部分之一，当铁杆偏 离磁场时，传感器输出信号由高电平变为低电平。

把低电平 信号作为皮带跑偏的信号传给监控系统，监控系统从信号是 高电平还是低电平来作出相应的跑偏保护处理。 2020/1/10 山东科技大学 4 、烟雾信号 ? 烟雾信号由烟雾传感器来采集，烟雾传感器选用半导体气敏 传感器，对可燃气体、烟雾等均有较高的灵敏度。气敏传感 器检测后，使其输出信号由高电平变为低电平。把此低电平 信号传给控制系统，控制系统根据烟雾信号作出相应烟雾保 护处理。 5 、速度信号速度传感器选用霍尔转速表，霍尔转速表的主要工作原理是 利用霍尔元件在控制电流恒定情况下，当它感受的磁场 B 变化 时，霍尔输出电势值也要发生相应的变化 2020/1/10 山东科技大学 第六章 自动检测系统应用举例 2020/1/10 山东科技大学 第六章 自动检测系统应用举例 ? 第一节 KJ216 顶板动态（矿压）监测系统 ? 第二节胶带输送机集散控制系统 ? 第三节高速公路车辆自动计数装置2020/1/10 山东科技大学 第一节 KJ216 顶板动态（矿压）监测系统 ? 一、煤矿顶板安全监测系统结构与组成 ?煤矿顶板安全网络监测系统是以山东省尤洛卡自动化 仪表有限公司研制的“ KJ216 煤矿顶板动态监测系统”为基 础组建开发的。

主要特点是采用两级总线树型结构，每个采 区可构建相对独立的监测子系统。系统通讯部分以时分制数 字基带传输为主要通讯形式。数据传输兼容电话线、单模光 纤、以太环网三种通讯方式。 ? 系统组成从功能上分：工作面支架作阻力检测、围岩离层运 动检测、锚杆载荷应力检测、煤岩支撑应力检测四个组成部 分。 2020/1/10 山东科技大学 监测计算机网络系 统 工 作 阻 力 监测 顶 板 离 层 监测 锚 杆 应 力 监测 围 岩 应 力 监测 井上 井下 2020/1/10 山东科技大学 1 ．系统的监测功能组成 ? 监测系统由井下和井上两大部分组成，如图 6-1 所示。监测 系统有 4 个不同监测功能的子系统， 4 个监测子系统从功能上 加以区分，硬件结构使用统一的总线地址编码，系统的实际 布置上分站可以混合排列，监测服务器通过通讯协议区分数 据类型。井上检测服务器（计算机）可接入矿区局域网络， 支持网络在线监测和信息共享。 2 ．井上监测信息与报警网络 井上监测信息与报警网络如图 6-2 所示，包括：数据接收单元、 监测服务器；矿井办公局域网和客户端； GPRS 数据收发单元 和图文短信手机用户群。

2020/1/10 山东科技大学 井上 井下 矿井局域网 GPRS 公 用 数 据 网井下顶板监测网络 矿区广域网 监测服务器 GPRS 收发器 /1/10 山东科技大学 ? 监测系统接入矿井以太环网时，监测服务器须接入环网段， 监测服务器配置了双网口。监测服务器接入局域网的方式有 两种，第一种方式通过微软公司提供 OPC 接口连接到局域网 （外网），如图 6-3 所示，局域网的客户端和 Web 服务器可 安装 C/S 和 B/S 版监测软件，通过操作系统底层链接获取矿井 环网（内网）的监测数据。另一种方式是将通讯接口接入到 矿井环网内，如图 6-4 所示，通讯接口内置 NPORT 模块，通 过 NPORT 模块转化为 RS-232/485 接口信号连接到监测服务 器，监测服务器直接接入局域网中。 2020/1/10 山东科技大学 外网 以太环网 监测服务器 OPC RJ45 局域网 2020/1/10 山东科技大学 监测主机 RS232 以太环网 外网 监测服务器 RJ45 局域网 图 6-4井上联网方案二2020/1/10 山东科技大学 ? 3 ．井下部分硬件组成? KJ216 顶板动态监测系统井下部分包括：通讯主站、测区通 讯分站、测区压力监测分机、顶板离层监测传感器、锚杆 / 锚 索应力监测传感器、钻孔应力传感器以及防爆型供电电源和 通讯电缆组成。

如图 6-5 ， 6-6 所示。 2020/1/10 山东科技大学 2020/1/10 山东科技大学 2020/1/10 山东科技大学 二 、系统实现功能 1 ．井上计算机动态模拟显示监测参数、报警监测服务器和客户端可实时显示监测点的数据和直方图，当监测 数据超限时能自动声音报警并记录报警事件。 2 ．井下现场显示数据和报警 井下的压力监测分站、离层传感器可实时监测数据，能根据 设定报警参数报警指示，通讯分站可实时显示每个测点的 数据并有报警状态指示。 2020/1/10 山东科技大学 3 ．监测数据自动记录存储 井上监测服务器能根据设置记录周期将数据存储到数据库， 形成历史数据。 4 ．连续监测曲线显示、分析 软件支持服务器端和客户端的历史曲线和测线加权数据分析。 5 ．监测数据综合专业化分析 监测分析软件综合了矿压理论数学模型，支 持综合专业化数据分析。 （ 1 ）工作面支架循环工作阻力分析 （ 2 ）测线（或上、中、下部）顶板运动规律分析 （ 3 ）工作面顶板压力分布分析 2020/1/10 山东科技大学 （ 4 ）支架液压系统故障诊断 （ 5 ）工作面周期来压步距、强度分析等 （ 6 ）巷道顶板及围岩运动分析 （ 7 ）巷道支护应力变化分析 （ 8 ）监测段顶板冒落综合预警 （ 9 ）多元参数关联分析及预警 6 ．历史数据查询及报表输出 历史数据时间区间查询，历史曲线查询和输出，统计分析， 输出标准综合分析报表。

7 ．局、矿顶板动态监测网络功能 软件采用 C/S +B/S 结构，支持局域网、广域网客户端监测 模式和 Web 用户浏览器模式数据共享。 2020/1/10 山东科技大学 三、 KJ216 顶板动态（矿压）监测系统 ? （一）系统的组成 ? 由计算机、防雷器、 KJ216-J 矿用数据通讯接口等及其他必要设备组成。 如图 6-7 所示。 ? （二）系统供电电源 ? 与系统配套提供的供电电源为 KDW22 、 KDW28 两种隔爆兼 本安型电源。 KDW22 为普通非延时型供电电源， KDW28 为 带后备延时的供电电源。对于经常性短时停电的使用场合， 采用 KDW28 电源供电。 KDW28 电源内置免维护电池，它与 其他充电电池的特性一样，新电池在使用时需经 2 ～ 3 个充电 循环才能达到额定输出容量，长期浮充电造成的电池记忆效 应可能会使延时输出变短。 2020/1/10 山东科技大学 计算机 KJ216-J 矿用 数据通讯接口 KJ216-Z 矿用本 安型监测主站 矿用 本安 型分 站 顶板 压力 监测 分站 顶板 压力 监测 分站 顶板 压力 监测 分站 锚 杆 索 应 力 传 感 器 围 岩 移 动 传 感 器 围 岩 应 力 传 感 器 围 岩 移 动 传 感 器 锚 杆 索 应 力 传 感 器 围 岩 应 力 传 感 器 打印机 网络设备 矿用 本安 型分 站 锚 杆 索 应 力 传 感 器 围 岩 移 动 传 感 器 围 岩 应 力 传 感 器 围 岩 移 动 传 感 器 锚 杆 索 应 力 传 感 器 围 岩 应 力 传 感 器 KDW22/28 电源 KDW22/28 电源 KDW22/28 电源 KDW22/28 电源 KDW22/28 电源 矿 用 电 缆 矿用电缆 矿用电缆 矿用电缆 矿用电缆 防雷器 防雷器 井上 井下 2020/1/10 山东科技大学 （三）矿压参数的检测方法 ? 1 、工作阻力监测及工作过程工作面顶板支护的基本手段是液压支架或单体液压支柱， 乳化液为压力传递介质，支架或支柱对顶板的支撑能力 称为支护阻力，支护阻力反映了顶板对支护设备的作用 强度，顶板的压力作用可通过支架或支柱内腔的介质压 力显现出来。

液压压力的测量是很经典的测量方式， 方法也很多，本系统采用了电阻应变式测量 方法实现。 2020/1/10 山东科技大学 ? 电阻应变式传感器具有结构简单、体积小、响应频率高、易 进行结构设计等优点，基本原理是应变计（圆膜片）由一个 电桥组成，当电桥的桥臂电阻改变时电桥失去平衡，输出一 个不平衡电压，其输出电压的大小与桥臂的电阻的改变量成 比例关系。电桥输出的微弱（毫伏级）电压信号，经过运算 放大器放大输出给 A/D 电路转换后由计算机采集并进行处理。综采压力监测分站采用了传感器、数据采集电路、显示电路 和数据通讯接口一体化，能自动采集数据并自动判断初撑力、 最大工作阻力，显示各通道的数据。每台监测分站包含三个 压力监测通道，支架的高压腔由管路连接到压力通道。压力 监测分站在供电状态独立工作，每 1S 监测一次三个通道的压 力数据，由程序自动判断初撑力、最大工作阻力， LCD 显示器 显示三个通道的数据，通过面板控制键可启动背光显示。当 压力监测分站收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送 到总线。 2020/1/10 山东科技大学 2 、顶板离层监测过程 ? （ 1 ）离层传感器的原理和结构 顶板离层传感器采用基点位移测量方法，在顶板上打一钻孔， 在钻孔内布置两组基点，当顶板发生运动时，基点的位置也 发生变化，基点由钢丝绳牵引传感器内的机械部件运动，传 递出电压信号。

基点的运动属直线位移的变化，传感器的机 械结构将位移的运动转换成角位移的旋转运动，旋转部件连 接角位移传感器，角位移传感器输出与角度比例对应的电压 信号。电压信号被单片电路采集转换，显示数据并通过总线 接口将数据发送到上位分站。离层传感器的结构如图 6-8 所示。 2020/1/10 山东科技大学 1 — 锚爪（基点）， 2 — 固定管， 3 — 托盘， 4 — 钢丝绳紧固螺丝， 5 — 壳体， 6 — 铭牌， 7 — 刻度尺， 8 — 变送器 图 6-8 离层传感器结构图 2020/1/10 山东科技大学 ? （ 2 ）离层传感器的安装 ? 离层传感器采用顶板钻孔安装，钻孔的直径 Ф27 ～ 29mm ， 两个基点分别安装在不同的深度，基点的安装深度由用户根 据现场条件确定。安装方法如图 6-9 所示。 2020/1/10 山东科技大学 ? 安装时应注意尽量避开淋水处。其安装步骤为： ? 1 ）在顶板上打钻孔，一般用风动锚杆钻机打孔，打孔钻头 选 Ф28mm 为宜。 ? 2 ）用安装杆将 A 、 B 两个基点的锚爪推到所需的深度。

? 3 ）将传感器的固定管推入钻孔，分别拉紧两个基点的钢丝 绳并用紧固螺钉固定。 ? 4 ）将信号线与总线接线盒连接。 ? 5 ）接通电源后，用 FCH32/0.2 矿用本安型手持采集器进行 设置，将传感器进行校零。 2020/1/10 山东科技大学 （ 3 ）离层传感器的工作过程 ? 离层监测传感器采用一体化设计，在通电状态独立工作，自 动采样周期为 1S ，可通过上位通讯分站或编码器设置传感器 的参数。传感器由 CPU 控制监测顶板位移参数，矿灯照射时 通过 LED 显示器显示数据，当监测数据超过设置的报警值时 产生声光报警指示。传感器内置总线接口连接到 RS-485 总 线，传感器收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送 到总线。 2020/1/10 山东科技大学 ? 离层监测传感器上位连接到综合数据通讯分站，每台综合数 据通讯分站最大可连接 128 台顶板离层传感器（或 64 台离层 传感器 +64 台锚杆应力传感器） ，每台离层传感器有唯一的 地址编码，通讯分站按地址编码顺序巡测各离层传感器的数 据，循环显示各测点的数据。通讯分站可诊断并显示下位压 力监测的工作状态（正常 / 故障）。

2020/1/10 山东科技大学 3 、锚杆应力监测 ? （ 1 ）锚杆传感器的原理和结构锚杆应力传感器也采用了电阻应变载荷测量方法，首先设计 一个弹性元件，当力作用到弹性元件上时，弹性体产生形变， 在弹性体筒壁上 900 等分粘贴有 4 个单桥应变计， 4 个单桥组成 一个电阻全桥，当筒壁受力产生形变时，电桥失去原有的平衡 输出一个不平衡电压，电压信号经放大器放大后再经过 A/D 转 化，由单片计算机采集，通过接口输出到上位通讯分站。锚杆 应力传感器结构如图 6-10 所示。 2020/1/10 山东科技大学 1- 紧固螺钉， 2- 穿孔， 3- 出线咀， 4- 应变体， 5- 导向盘， 6- 外壳， 7- 信号电缆 图 6-10 传感器结构示意图 2020/1/10 山东科技大学 ? （ 2 ）锚杆传感器的安装 ?锚杆应力传感器采用穿孔固定安装，穿孔直径 Ф25mm ， 导向盘的穿孔直径依锚杆的直径确定。锚杆传感器安装在锚 杆的托盘和紧固螺母之间，传感器安装时要注意居中，偏离 中心安装时会造成一定的测量误差。

安装方法如图 6-11 所示。 2020/1/10 山东科技大学 ? 安装步骤为： ? 先放入托盘，将传感器穿入锚杆中，保持传感器居中，旋紧 锚杆的紧固螺母。 ? 将锚杆传感器的输出信号电缆按信号顺序接入到三通接线盒。 （ 3 ）锚杆传感器的工作过程 锚杆传感器配套总线变送器工作，固定设置变送器编码。 传感器输出标准的电压信号，变送器由 CPU 控制监测传 感器输出信号。传感器内置总线接口连接到 RS-485 总线， 传感器收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。 2020/1/10 山东科技大学 4 、钻孔应力监测 ? 钻孔应力监测是一种力的测量，准确地说是压力的测量。钻 孔应力的测量方法可以间接的测量煤岩深部的局部作用应力， 并作为分析采场应力分布和运动的重要依据。 ?具体实现方法是设计了一个压力形变转换弹性部件 —— 弹 性体，压力作用到弹性体的工作膜上，使弹性体的工作膜产 生形变，工作膜上粘贴有应变计（圆膜片），应变计电桥失 去平衡，输出微信号电压。