煤矿安全监控系统领域中十一项重大技术难题的破解

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序 号:73501 (监控技术探讨)
标 题:煤矿安全监控系统领域中十一项重大技术难题的破解 (27750字)
发信人:cs
时 间:2010/11/8 15:00:00
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煤矿安全监控系统的十一项重大技术难题的破解(代发河边草文章)

    看了这个题目您可能会认为又是一场广告炒作而不以为然,的确当前浮躁的市场经济严重毒害了人们洁净的心灵,植入式行销、伪科学论文、明星代言……充斥着每一个角落,即使在技术领域也难觅出一块纯净的领地,正是这个原因,在这篇文章发表之前犹豫和困惑了许久,最终还是鼓起勇气把它奉献给在安全监控行业孜孜奉献的人们。

    一、监控主机双机热备难题的新突破
磁盘阵列式的双机热备能否提高监控主机运行的可靠性?
在相关的调查表明,在监控服务器中的故障里,硬盘机械故障占52%;其次是内存占故障23%;电源故障占到6%。三者之和占到故障的80%,引入磁盘阵列后是不能避免自身硬件故障的,由于增加了磁盘数量,与原本单磁盘相比,增加了数倍之多,所有的磁盘阵列是不可以有故障单元存在的,加上磁盘阵列软件协调监控自身故障,那么系统的总体可靠性不是增加了,反而使系统的总故障率大幅上升,大量现场实践已经证明这个推算,安装有磁盘阵列的监控系统都非常脆弱,很难保证长期连续可靠运行,磁盘阵列的系统的软件平台都很复杂,一旦发生宕机,全系统都会崩溃,恢复系统需要专业人员操作,且需很长时间方能建立起新的平台,有些用户不得不甩开磁盘阵列重新回到原始的单机运行状态。

上面的分析结果的确令人伤心绝望,磁盘阵列不但不能提高系统的无故障运行时间,恰恰相反,会大幅增加宕机的几率,那么一定有人要问,为什么大型服务器,譬如银行、资源数据库等等都用磁盘阵列作为数据保存?关键的问题就出在这里,对于磁盘阵列的设计,是以保存数据为目的,系统中无论发生什么故障,首要目标是保障数据不被破坏,所以它的运行条件十分苛刻,一组数据分别保存在多组磁盘单元中,写入和读出层层校验反复比较,出现任何一组磁盘中的微小差错都会锁死通道,以防数据遭到破坏。在最坏的情况下也要保障数据能人工修复,这样的系统并不关心宕机的问题。

我们的监控系统情况与银行不同,数据保存并没有那么一丝不苟的要求,甚至规程要求数据因死机丢失在五分钟之内是被允许的,唯独不同的是不可以连续停机!日常生活中银行因死机暂停营业经常发生,人们并不担心网络故障会把你的个人存款数据搞丢了,只要耐心等上一个上午银行服务器故障总会排除。安全监控系统不能说停就停,否则矿工的生命安全则失去了保障。
分析一次又一次的现场结果,我们不得不心中忐忑地说:磁盘阵列不适用于煤矿安全监控计算机中,这样的设计存在着致命的缺陷,尤其是采集计算机兼作服务器的系统里,要提高系统无故障运行时间,还是要另辟奇境来探索双机热备的新途径,我们的确不想挑战权威,可现实就是这样残酷无情。

镇江中煤电子人经过多年的探索实践,终于研发出了一款与所有双机热备都不相同的新方案,它没有复杂的磁盘阵列,甚至不需要设置专用服务器。二台监控主机并列工作,主备角色自动适应,监控软件中赋予了自动识别主备的功能,开机后可以设定主备角色,也可以自动生成主备角色。机内数据库通过局域网连成同步模式,主备机的心跳监控由自行研制的专用通信接口担任,软硬件相结合的双机热备方法是一次前无古人的大胆尝试,当系统主机出现异常后,接口能立刻切除网络中的故障主机,几秒钟后备机自动接续工作。

这款双机热备最大的优点是运行可靠稳定,由于没有增加计算机的硬件设施,系统故障率与传统的磁盘阵列服务器相比得到了极大的改善,主机发生故障后切换备机只需几秒即可完成,二组数据库冗余存储保障了系统的可靠运行,这样的模式还有个优点,备机不仅仅是热备份,由于它自身数据库与主机同步,它还能分担诸如数据检索、网络上传、图形显示、图表打印等任务,经过几年的现场应用,得到了用户的高度赞誉。

    二、电场感应式馈电传感器测不准的难题
非接触测量式馈电传感器用作被控设备的供电状态检测,是一个非常有效的方法,已被国家AQ6201规程列入了强制执行标准,然而由于其工作原理的特殊性,在现场应用时遇到了很大技术困难。技术困难不是来自传感器本身,而是来自煤矿井下悬浮接地的特殊环境。众所周知煤矿井下为了人员安全,所有矿井的动力电源中性点不允许接地,也就是说煤矿井下的660V动力线是悬浮的,这样势必会造成大地电位与三相电源之间没有一个固定的电位关系。悬浮的三相电在远处看去它的电场矢量和为0,很难检测到微弱的感应信号,时至今日,非接触测量式馈电状态传感器普遍存在测不准的难题,成了监控系统闭锁性能的一大瑕疵。

馈电传感器的工作原理是依靠检测动力电缆外围的电场存在与否来判断线路中是否“有电”判断的原理是:测量感应电极与参比电极的电位差,它必须依靠一个参考点,通常的参考点是参照大地,没有参考点是无论如何不可以的,譬如试电笔的参考点是人体,你必须手压笔帽才会看到氖气管发光。

实际工作中馈电传感器的电位参照点是本安电路公共端,也是悬浮的电源,没有真正连接大地,这样测量电的结果是可想而知的,只有将传感器的公共端强制“接地”才有希望能正常工作,然而井下分站和传感器大都是本安电路,安全规程中不允许本安电路“接地”就造成难以破解的难题。

初始的解决方案是不用电场感应传感器,我公司研发出了光电感应式馈电传感器,安装在小型金属隔爆壳中,将被控开关负荷侧电源并连接入馈电传感器,用380V-1140V动力电源直接驱动光电耦合器,可以有效可靠地检测设备的供电状态,这种方法的最大缺点是需要粗大的动力电缆连接,防爆开关负荷侧喇叭口少,引出时还必须增设防爆三通,给现场施工增加许多麻烦。

为了破解煤矿井下安全监控的难题,中煤电子人一刻也没有停下探索的脚步,在后来的产品研发中,将馈电传感器设计在了断电箱中,这其中包含了三个回传部分,一组高压光电馈电回传,设有独立的二个高压接线柱,将被测电源引入到隔爆腔中;另一组线圈激磁电流检测,用高灵敏微型电流互感检测磁力开关流经“断电接点”的电流来判断开关的送电状态;还有一组接点电位检测回传,主要用于馈电开关OK线圈式控制,这三种功能并存,用户根据需要进行选择.。产品如下图

    带有激磁电流检测的远程断电箱








 

  KJ101系统在不断摸索过程中,研发出了内置于断电箱中的馈电状态传感器,是根据判断磁力开关有无激磁电流来确定负荷电缆中是否有电,方法很独特,将断电控制接点

引线穿绕电流互感器,当磁力开关吸合时,停止按钮线路中肯定会有自保持激磁电流,激磁电流的有无就代表了开关的分合状态,也就代表了负荷侧供电状态,请看图:

               

激磁电流检测法是我公司发明的专利技术,设备简单工作可靠,无需另加电缆和传感器设备,一根四芯电缆就能完成断电控制和馈电状态回传,深受用户欢迎,

此项技术的缺陷是被控开关的操作线路必须是交流信号,目前许多真空开关都改用了直流操作按钮,流过停止按钮的信号为直流电流,电流互感器无法检测直流,也就

限制了这项技术的大量推广使用。

    采取光电耦合或者互感器耦合的馈电状态传感器虽然可靠,但是现场需要将负荷侧660V高压引入到隔爆接线盒中,既不方便又不安全,此外井下磁力开关引线喇叭口不够,

负荷侧多加引线必须另加隔爆分线盒,给现场带来许多不便。本公司将断电箱与光电式馈电传感器做在了一个产品中,下图是带有光电隔离式馈电回传的断电箱:



                     带有馈电回传的远程断电箱


 

  断电箱的内部电路镶嵌在一个聚碳酸酯总成上,馈电回传检测电路封装在密闭的空间里,二只粗大的接线柱联接负荷660V电源,引入到密封空间的光电器件上,

检测馈电状态信号转换成本安型,这样的设计具有耐高压、防尘、防水、安全等功能,图中环氧树脂胶封的部分就是光电隔离馈电回传电路。这个产品最大的问题

就是前面说的要将高压电缆引进隔爆壳中,使用中存在着安全隐患。

    本公司为此还研发出一种模块式微型光电隔离式馈电状态传感器,将光电耦合器封装于一个特制的模块中,能有效隔离高压电,输出为本质安全型信号送给分站。

经过煤矿现场使用,效果非常好,使用一根4芯电缆,其中2芯用于断电控制,另2芯用于馈电状态回传。这种结构的产品也有不足之处,它必须借助隔爆开关的防护,











为了减少现场使用的麻烦,我公司又研制出了第二代光电馈电传感器,原理与第一代相同,只是没有防爆外壳,绝缘模块结构,可将其置于防爆开关的接线腔内,这种结构简化了外围设备,660V高压信号直接被转换成本安信号回传分站,这种传感器造价低廉工作可靠,其外形如(图二)

(图二)光电隔离式馈电传感器



 
模块式传感器经用户使用取得了非常好的效果,只是安标申请时遇到了标准困难,由于没有固定的防护外壳,工作时寄生在其他隔爆电器中,这给发证带来了不确定的因素,以往类似结构的电压传感器、电流传感器等虽然已经沿用多年,在AQ6201推广中也都被取消了安标。










归结所有的馈电回传方案,找不出不是十全十美的技术途径来,人们习惯非接触测量方式的检测方法,现场安装使用非常方便,能否重拾电场传感器的技术方案?这是广大煤矿安全监测工程师们期待已久的愿望,2010年中煤电子再一次突破技术瓶颈,研发出适用于动力线悬浮接地的产品来,将这一古老的话题划上了圆满的句号。新型馈电传感器如图
 





    三、机械式风筒风量传感器使用中可靠性差的难题破解
难点之一、目前矿井中使用的风筒风量传感器是金属机械翅膀式的,使用中极易锈蚀,铁锈塞死转轴后,转轴便会失去转动的功能,常常不能跟随风筒状态分合,也就不能正确反映风筒的真实状态,常常造成误断电,误报警。此外依靠风筒外皮鼓胀动作按压机械开关本身就存在不可靠因素,安装时的压力很难调准,这种传感器已成为拖累监控系统的顽疾。

难点之二、风量传感器是卡在软风筒上的,风筒直径有好多种直径规格,不同的风筒直径要配不同长度的蝶形机械臂,这给设计、采购、安装、使用带来不少的麻烦。用户期待有一种全功能的传感器,能适应所有尺寸的风筒,可这样的产品始终没有出现,估计是越是简单的困难越不容易突破。

难点之三、在风筒距离长的掘进面,由于末端风压小,不能可靠地支撑机械臂张开,即使勉强地张开,也极容易回弹,常常造成虚假动作导致误断电,如果调弱弹簧压力,则很容易造成回弹无力,造成检测失效。无奈,人们只能忍受这个苦恼,每天往机械臂转轴中注油、耐心调试弹簧压力,用最大的努力来争取最少次数的误断电。

     风筒风量传感器在煤矿安全监控中的作用是无可替代的,长距离送风的风筒极易被压扁、撕裂破损、甚至断裂,难道真的找不到一种高可靠的风筒状态传感器吗?镇江中煤电子有限公司的科研人员,经过长期悉心钻研,终于研发成功了新型GFT5型风通风量开关传感器,经焦作、鹤壁、山西等许多煤矿试用,取得了令人兴奋的好效果。

新传感器彻底摒弃了传统的机械臂式检测方法,将传感器用一条宽编制带捆扎在风筒上,通过检测风筒表面压力来判断风量状况,此种传感器不同于机械臂开合动作,也就没有锈蚀问题,且没有风筒直径大小改变机械臂长短的烦恼,只要调节一下束带长短就可以适用各种规格的风筒。由于新型传感器工作及其稳定可靠,得到用户高度赞誉。

  GFT5型风通风量开关传感器已经取得了防爆手续和安标证,且与多家监控系统办理了联检手续,可以直接配接使用,请看照片如下:



 













    四、远程断电的变革――数字编码“多路无源”断电功能的探索
常规井下远程断电控制都是由远程断电箱来完成,它的应用有几项非常不便的缺陷:
第一是断电逻辑要在分站上做错综复杂的跳线连接,用来设定传感器的控制范围,一台设备一个跳线图,输入端口越多的分站,跳线就越复杂,不方便现场使用也不容易记住跳线关系。
第二是每台断电控制设备都要独立连接一根控制电缆到分站,这些电缆呈放射线状连接,现场电缆多缺一不可。

第三断电箱在现场必另行提供660V动力电源供给继电箱,按AQ6201规程要求,断电器也必须装有2小时以上的不间断电源,如果每只断电箱都按要求加装不间断电源,那么现场设备将会变得更加复杂。

KJ101N型矿井监控系统应用自主创新的专利技术-供电与编码信号叠加技术,信号与供电合用一对芯线,实现了开关量传感器、远程断电箱、遥控分路器等设备的二线制连接。

全分站的断电信号集中在一对电缆上同时传输,在一对控制线上挂接多只继电器箱,断电控制器不必再外接动力电源,实现多路遥控即方便又简捷。继电箱设备的供电和信号传输公用一对芯线,简化了现场接线,特别是远程断电控制方式与传统的有很大不同, 每个受控设备用拨码开关选定,操作简单明了。

KJ101N的断电模式最大不同在于分站输出的不是断电命令,而是超限的全息信号,至于怎样控制断电,则变得非常简单,只要断电点箱上拨下对应的开关,断电逻辑就设置完成了。











   


    五、瓦斯抽放高浓传感器抗湿难题的突破
在煤矿安全监控领域中,瓦斯抽放监控行业里始终存在个不大不小的技术难题,那就是热导元件抗湿性能差的问题。抽放管路中湿气通常都达到饱和程度,尤其是负压端由于气体在水环真空泵作用下,其体积过度膨胀后温度迅速下降,相对湿度大幅上升到饱和结露的程度,管路中瓦斯检测元件就是在这样的恶劣环境下工作的。

管道瓦斯的传感元件大都使用一种热导器件,工作时类似于催化原件,用铂丝加热到400度左右,利用气体导热的热阻来推算甲烷含量。潮湿的气体对检测精度倒没有太大的影响,但湿气能侵蚀元件导线的周围环境,尤其是通有直流电位的引脚,露水浸在二个电极之间,等效一个电镀电解槽,结露的水气相当于电解液,铜质导线表面在电场的推动下,会以原子游离的方式离开电极,这就是通常所说的“电蚀”现象,久而久之,导线电极最终将被啃食干净发生断裂而损坏。




为了克服元件的电场电蚀现象,人们采取过许多措施,譬如:水气分离器、抽吸式自动放水阀、湿气滤纸……都因种种原因而没有取得预期效果,至今困扰抽放监控领域。通常的热导元件使用寿命多则一个月,少则不到一周就损坏,虽然如今应用了一种红外甲烷传感技术,但湿气依旧会侵蚀光学反射体和检测气室,使得老问题更加棘手。

喜欢啃硬骨头的镇江中煤人一刻也没停止过对新技术的探索,在最新一款管道高浓传感器中应用了几项新专利技术,让以上的难题终于划上了休止符,更细节的技术问题暂时不宜在此描述。新型管道高浓传感器分热导和红外二款,都有非常优异的性能表现,可与各种监控系统配套使用,下面请欣赏几幅新传感器的照片:
   



















    六、监控分站的红外遥控电源开关设计难点与实践
难点之一,受隔爆体积的限制,井下隔爆电器产品的电源开关设计是个非常棘手的问题,一台监控分站用的隔爆兼本安电源,体积不可能设计很大,如果在隔爆腔中再设计一个可外部操作的机械开关,需要很大的空间以及很长的转轴防爆间隙,这样一来整个体积和重量将会成倍增加,仅仅隔爆开关部分恐怕要超过电源箱,这是无法承受的成本。

难点之二,带有内置式蓄电池的仪器不能没有电源开关,煤矿安全规程AQ6201中明确要求,监控分站必须带有2小时以上的不间断后备电源,试想一下,这样的仪器如果没有电源开关,它的后备电源将永远开启着,产品出厂后不用很久就将耗尽电池的全部能量,被放空的电池只需很短时间的放置就将报废,为此厂家不得不在隔爆腔内安装一只手动开关,在仪器到达井下现场后,打开隔爆盖板,徒手接通电源开关。

问题是,这个开关必须在煤矿井下爆炸性气体环境下开盖操作,接通电池的瞬间,所有非安电器元件都暴露在危险的环境中,虽然盖板上有断电联动装置,但在合盖过程中电源自动接通,直到上紧全部隔爆盖上的螺栓后,才能具有防爆性能,井下大量使用的分站电源都是以这样危险模式工作着,在高突瓦斯矿井中这样设计有严重的安全隐患。

难点之三,电池过放电的损坏问题,由于电源箱没有外控电源开关,在工作面搬移时就无法及时关闭电源,当交流电中断后机内电池必然接续供电,有限的能量在短短几个小时内就将耗尽,并且不可能得到及时充电,等到设备重新安装到新的工作面时,机内的蓄电池十有八九早已损坏报废,这就是后备电源大量失效的原因。

难点四,改用红外遥控开关的技术难点,这个看似简单方案实施起来更是困难重重,假如改用红外遥控开关,红外接收管与解码CPU必须长期通电工作,假如接在电池端,关机状态下有十几个毫安电流,电池很快就会放光电能,如果把红外接收管接到交流电侧,那么在停电状态下就无法启动分站电源。

难点五,这是一个更为棘手的问题,电源的通断状态在交流电停电后就会丢失记忆,和我们使用的电脑一样,当矿井动力电源发生闪断后,尽管电源全部恢复了供应,但所有的分站将回到起始的关闭状态,需要人为逐台去开启,这是绝对接受不了瑕疵。就是说仪器的通/断状态必须可靠记忆,在交流电恢复供电后应能保持原来状态,问题是交流中断后,蓄电池放电终了,CPU也将处于关闭状态,这时交流电恢复后怎样读取以前的记忆状态呢?

功夫不负有心人,镇江中煤人经过几年的努力,攻克了所有的技术难题,探索出一条全新概念的产品。至此KJ101N的二款分站拥有无与伦比的红外遥控功能,性能上几乎不存在任何瑕疵。什么是研发?它不是简单的模仿或包装前人的成果来获得知识产权,真正的研发是跳出常人思维的藩篱,探索出一条别人不能想象的方法和路径。


七、监控系统冒大数、误报警、误断电难题的终极解决方案
目前使用的监控系统普遍存在着假数干扰问题,尽管有些矿井使用了光纤传输,依旧没有解决冒大数的顽疾,传感器信号向分站传输大都采用200-1000Hz频率制式,分站采用脉冲计数方式工作,抗干扰防卫能力很差,极容易在此环节上引入干扰,现场的干扰源有以下3个来源:

  (1)煤矿井下特殊狭小的现场环境,传感器连线与动力电缆很难分开铺设,有些地方干脆就是挂在同一个电缆挂钩上,大型电器设备启动和停止时,磁力开关触头抖动会释放出极其强烈的电磁脉冲辐射,强干扰脉冲能在瞬间完全淹没传感器信号,结果就造成了没有规律的异常“冒大数”现象。

  (2)遇有线路接触不良,譬如接线盒压线螺栓松动,传感器接插件氧化、连接电缆接头氧化等等,就会造成线路连接虚抖,致使一个规整的矩形脉冲被“切割”成许多杂散尖脉冲信号,监控分站是以脉冲计数方式采集信息的,计数结果造成了许多无法解释的大数假象。

  (3)井下变频设备工作时会释放强烈的电磁干扰,高强度的电磁辐射严重污染了电源环境,干扰信号往往通过电源线路窜入分站,如果仪器与变频设备连接在同一动力变压器上将会造成灾难性后果,如有沿动力线架设的传感器电缆,干扰信号可以轻易耦合进分站的传感器端口,轻则造成假数干扰,严重会阻塞分站通信,甚至造成分站CPU频繁死机或重启。

    井下分站和地面计算机无法识别这些比常规信号还是强烈的干扰,分站将这些干扰信号作为数据处理,就造成了难以克服的“大数干扰”,干扰问题普遍存在于目前使用的各种系统中,据用户反应,山东某大型矿井使用的进口监控系统,在一个月内发生一千多次误报警,极大损害了监控设备的可信度。

为了克服脉冲干扰,许多系统都采用软件干扰滤除方法,即把传感器多次采集结果进行比较,经过多个采集周期后才能确认超限信息的“有效性”,为了加强滤除干扰能力,需要反复进行多次过滤,结果带来的是系统反应迟钝,断电闭锁动作缓慢,使真实超限的数据迟迟不能正确反映上来,无法达到煤矿安全监控标准30秒的最低要求。

  KJ101N系统是怎样实现高抗干扰性能的?
    人们寄希望于新的光纤传输技术引入监控系统能解决干扰难题,由此诞生了光纤以太环网在煤矿的推广,几年时间过去了,人们不得不承认:简单的将监控系统干线换成光纤网络是解决不了大数干扰问题的,此前人们所付出的努力全部付之流水,一切问题又重新回到了起点。

井下干扰源来自分站以下的信号采集环节,只改造上面的通信干线显然是头痛医脚的错误,那么KJ101N系统是通什么方法根治干扰的呢?下面我用稍微专业一点的语言来汇报一下新系统的技术路径。

  (1)干扰过滤技术最困扰人们的是:在“抗干扰性能”和“快速反应性能”二者之间找不到折中点,这二项性能都是非常关键的指标,特别对于那些高突瓦斯矿井,使用带有严重缺陷的监控系统的后果是难以想象的。KJ101N系统分站到传感器采用的是全数字化容错传输方式,具有优异的智能侦错功能,能够有效地剔除随机干扰信号,打个比方:传感器信号不再是计数脉冲,改换成了高速串行数据包,每个数据包都带有侦测错误的“卫兵” 能够准确无误地抓捕虚假信号,即使在极强的干扰环境下,在动力电源工频归零瞬间的毫秒级休止时间里,也能乘机将信号送到到分站,真正彻底根除了误报警、冒大数的顽疾。

    实现传感器到分站的全数字化升级不是简单小改小革的工作,分站和全系列传感器全部都要推倒传统标准,重新设计出一整套全新的通信协议,考虑到用户升级是渐进式,不能全部采取休克疗法换代,所以还要顾及新老产品的兼容问题,在分站与传感器中加入了多重兼容制式,用户可以通过红外遥控器进行选择设定。

多重兼容在硬件设计上有很大困难,传感器上不可能装有太多太复杂的模拟芯片,现有标准又必须顾及传统制式,譬如:1-5mA;4-20mA;200-1000HZ;200-2000HZ;5-15HZ;0-5000HZ;串行数据等等,就如同彩电制式一样,早前的彩电全世界都不能通用,原因很简单,脉冲数据口处理不了模拟量信号,也处理不了串行协议码,它们之间是风马牛不相及的专用芯片。

我们需要一个能输出D/A转换的模拟信号来实现对PLC的连接,还需要能输出V/F变换器一样的压控振荡器,来适用当前大量应用的标准制式,最终还要能输出类似计算机端口一样的高速串行数据码来达到高抗干扰目标,并且它们制式之间因该随手可转换。说句心里话,把世界上的芯片工程师搞死也未必能做出来这样的接口芯片来,原因是这样的要求不符合常理。

这样看似不可能的电路还是被我们攻克了,最终得以全面推广应用获得了极大成功,并于2010年10月工公示期满,最终获准得到了世界发明专利,这项技术的成功为电磁兼容打下了坚实的基础,它的成功秘笈在于我们成功地将硬件技术与软件技术高度融合,相互替代才有今天的成果和产品。如果说它是电路设计和编程技巧高度结合的典范一点也不为过,使用者用遥控器可以轻易地在十几个输出制式中选择。

     (2)监控分站担负着信号采集、测值计算与换算、数字显示驱动、逻辑关系判别、报警伐值识别、远近程断电控制、与地面网络通信等多重任务,要实现全分站2秒快速断电控制,就必须改革现有的单CPU处理模式,改为多CPU并行处理模式工作,多CPU之间需要良好协调才能正确工作,这是此项技术的关键所在。

    (3)KJ101N系统的本安电源有很大不同,它没有使用触发保护式安全栅,而是采用一种高速低压差恒流技术,因此具有良好的抗浪涌性能,奠定了电磁兼容的基础性能。常规的产品都是采用触发关断方式安全栅,遇有强冲击信号时,本安电源会迅速保护关断,致使仪器发生间歇性供电中断、设备重启,严重会发生死机现象,甚至击毁传感器。


    (4)KJ101N系统通信方式不同于常规产品,它采用SDLC同步协议,据有良好的抗干扰性能,同时采用智能锁相技术,可以有效虑除不同相位的随机干扰,仅此一点就使系统占领了技术制高点,另外系统还采用了一种冗余校验的容错技术,使系统具有极强的抗干扰性能。

    通过我公司以上诸多项专利技术,获得了国内唯一能通过3级以上电磁兼容的检验测试产品,实现了完全没有假数误报警的高可靠系统,它是一个企业综合实力的体现,也是用户翘首期待已久的目标。


    八、矿用监控分站小型化、高可靠设计突围之路

国内绝大部分产品都是分体式分站,这是受国外产品影响形成的流派,电源与分站以及变送器、匹配器、断电器等设备分开设计,井下设备繁杂且不方便管理与维护,显然与我国国情不相适应,一体化分站的设计难点在于电源隔爆外壳与本安分站外壳技术要求不一样,加工材质要求也不相同,如果把分站与电源全部做在隔爆的钢板外壳中,那么整体重量将超过一百公斤,现场安装需要多人抬运,欲实现一体化结构必须从材质上另辟途径。

煤矿井下机电设备受隔爆外壳制约,体积重量无法继续做小,各厂家挖空心思改进设计,已经达到了体积性能的极限,继续沿着传统金属外壳的老路走难有突破,必须另辟途径。应用非金属材料加工隔爆外壳,可以大幅降低重量改善性能,但有一道很难逾越的技术障碍,GB3836规定,非金属隔爆外壳材料必须通过2万小时的稳定性模材料在自然界中严酷条件下数十年的自然老化过程,实验后其物理化学性能不能有明显改变。 

材料老化实验在我国只有桂林机电研究所具有此项资质,连续2万小时的实验意味着什么?就是把送检材料加工出7000片样片,一齐放进高低温试验箱中,每2小时交替变换一次升温180摄氏度和降温零下20摄氏度的循环中,每周抽取一片样片进行全面的物理化学性能检验,总累计时间需要近2年半。高昂的试验费抛开不说,谁都还吃不准哪种材料能够过关,普通的塑料根本过不了多久就会被淘汰,只有在高分子聚合物中筛选性能稳定的材料才有希望。

在2万小时的全程检验中,送样厂家的心情时刻都是紧绷着,任何一项指标劣化都将全面被否决,检验部门要求凡参加实验的单位,必须首先交付全额试验费才开炉,并且拒绝做任何结果承诺,从这些规矩上猜想,被淘汰的材料不在少数。这好比是一项耗时长、高风险大、代价高的赌博,众多厂家对此都望洋兴叹不敢问津。

鲁迅说过:世间本来没有路,走的人多了,就成了路,为了探索矿用隔爆仪表结构新领域,镇江中煤终于迈出了开创性一步,2006年镇江中煤首创高分子材料制造隔爆外壳的先河,成为我国唯一获得非金属材料制造资质的企业,为煤矿电器设备小型化开辟了一条崭新的路径。详见专题报道:《煤矿安全监控技术的新突破》纵观101N系统产品结构有个共同的特征,它的外壳几乎全部模具化生产,保障了产品的一致性和品质优良的性能,内部结构几乎全部免维护和易维护结构,被用户称赞为:军品的内在品质、工艺品的外观设计,下面请看如下具体设计案例:

   KJ101N-F2一体化分站采用了最新一代嵌入式微处理机术,大规模集电路芯片将CPU、接口全部集成在一块芯片中,大大简化了仪器的外围电路,使整体结构性能得到进一步优化,分站全部电路设计在一块电路板上,传感器引线直接由电路板上引出,使可靠性大大提高。该仪器采用新型高分子复合材料压铸外壳,强度高、耐腐蚀、优雅流畅的,外形设计加上精湛的工艺使其具有脱俗不凡的身形。

仪器显示视角水平和垂大于130度,为使用者提供了方便的观察空间。仪器不仅外形美观大方,更具有无以论比的超小型体积和超轻型重量,包括本安电源在内整机重量仅16公斤,加装大容量后备电池后总重量也不超过20公斤,是目前国内外体积最小,重量最轻的监控分站。

新仪器参考人体负重特点进行了人性化设计,箱体尽可能减小厚度,这样可以更方便携带和吊挂安装。仪器的四周棱角全部设计成大R圆角,光滑的表面加上浑圆的机身增强了与人体的亲和力。仪器上方安装了一只提握舒适的宽提梁,用户提在手中犹如携带一只小型密码箱。

F2分站采用前后开盖结构,前盖属于本质安全结沟设计,易改传统的四壁围绕模式,仪器的盖子与四壁设计为一体,打开门字形前盖后,仪器的一块控制电路板全部暴露在外面,非常方便接线和维修。后盖系隔爆腔型设计,打开隔爆后盖,交流电源接线柱、断电接线柱都充分暴露在外面,十路电源设计在一块电源板上,旋下四颗螺钉就可以方便的拆下检修。

F2分站的后备电源安装在隔爆腔中,电池模块镶嵌在压铸模架上,用四颗粗大的内六角螺栓紧固着,拧下螺栓后电池就可以方便的拆下来更换。新电池模块改用了性能更为安全的镍氢电池组,电源板中设计有专业级的自动充放电管理电路,性能优良的后背电源保证了交流电源中断后的可靠切换,更不必担心电池记忆效应的发生,大容量的后备时间可长达4小时以上(满负荷)。

F2分站传承了F1监分站的数字编码远程控制技术、开关量串行扩展技术外,还增加了开关量三态输入、红外线遥控参数设定、传感器串行码输入、交流电源供电状态监测、传感器远程启动、四位精度显示等新功能。

F2型设计有16输入端口,外壳采用玻璃钢材料压铸后,体积变得小巧轻盈,壳体呈高性能绝缘体,净重只有 17公斤 ,加上后备电池后也不超过 20公斤 ,是目前一体化分站中体积重量最小的产品。常规产品外壳大都采用薄铁皮冲压,或钢板焊接,电路板与变压器直接固定在金属壳体上,各电路用飞线相互连接,可靠性差维修不方便。

F2分站具有更为灵活的传感器输入选择,可以配接任意满度值的传感器和任意物理量的参数。输入制式设置灵活,具有广泛的兼容性。该仪器用于瓦斯监控时,机内带有二路独立的本地继电器控制断电输出,同时还设有二组远程数字编码驱动输出,每路可驱动四路高压断电箱可实现最多八路远程及二路本地断电控制。断电接点均能方便的转换常开长闭方式。

KJ101N-F2监控分站的优异性能是汇集了当今煤矿安全监控仪表全部精华之技术,经中煤人在创业 创新 创优,求诚 求精 求强精神鼓舞下不断的雕琢开发出来的,它的问世必将为煤矿安全监控领域里开辟出一条崭新的道路。


纵观镇江中煤的二款分站,KJ101N—F1和KJ101N—F2型分站均采用一体化设计,它们分别采用不同的材料和技术,使其兼有:监控分站、断电仪、本安电源箱、后备电池、风电瓦斯闭锁仪等五项功能,体积纤巧重量轻盈浑然一体,全部仪器重量均在20公斤左右,提在手中如同携带一只公文箱;一体化结构减少了设备之间的电缆连线,可靠性远远好于分体式结构;使用现场不需要占用很大的空间,减少了设备之间的连接电缆,无论安装和维护都变得轻松和方便

人们习惯称:KJ101N系统部件外壳采用二钢材料,即:不锈钢和玻璃钢加工制造,它们都有良好的耐腐蚀、抗冲击性能。模具压铸的产品具有造型美观、内外尺寸精准、批量一致性好等许多优点,是焊接钢板外壳无法比拟的。与众不同的工艺保障了产品的优良性能,内部结构全部免维护和易维护结构,被用户称赞为:军品的内在品质、工艺品的外观设计。例如:KJ101N-F1型监控仪外壳采用不锈钢(1铬18镍9钛)精密铸造而成,造型精美坚固耐用,仪器内装有模压玻璃钢总承,将电路主板、电源副板、变压器、接线柱等部件全部牢牢地紧固在总承上,不仅结构紧凑、整体稳定性良好、方便拆卸,而且绝缘安全 。
 
产品的性能已不单单是电路设计水平的唯一表现,它是一种理念追求和目标定位的表达,在当今机电一体化时代,这种卓越的创新对于防爆产品小型化树立了划时代的里程碑,因此您完全可以相信,这些改进能极大提高监控产品的内在品质,它的结构设计及工艺水平更凸显了一个企业的综合实力水平。详见《非金属防爆外壳》





















 


  
    九、二线制开关量传感器三态识别的难点与突破
开关量传感器需要传递的测值只有二个(逻辑1和逻辑0),还有一个故障状态容易与“0”态相混淆,譬如馈电传感器需要检测“有电”和“停电”,如果发生传感器断线或者故障,系统分站很难识别是故障还是停电状态,并且这种故障状态运行具有潜在的危险,如果把传感器故障当作了“设备停电”处理就有可能酿成灾害。

为此AQ6201新标准初稿中有一项开关量三态识别输入的要求,目前常规分站尚未解决开关量三态识别技术问题,譬如一个触点状态的“接通”/“断开”很容易与传感器线路中断相混淆,开关量失效与逻辑0无法区分,这项看似简单的问题解决起来却有非常的难度,贯标过程中不得不暂时取消了此项要求,对安全设备检测存在的漏洞被遗留了下来。

在二线制信号基础上要区别三态信号,在技术上有很大困难,普通的TTL器件是无法定量判断输入信号幅度的,它只能读取逻辑0和1, 在信号输入电路上KJ101系统自己开创了独特的智能运放输入模式,它有别于普通电平读入电路,具有读取速度快、鉴别精度高、抗干扰等多项优点。

此外传感器到分站信号传输必须做本安隔离,通常是用光电耦合器连接,0、1、5mA都是很精准的模拟量信息,经过光电耦合器非线性器件后注定变得面目全非了,KJ101N系统的分站经过几年的技术攻关,终于结出了硕果,成功地解决了诸多项技术难关,模拟量和开关量全部实现了三态输入功能,即逻辑1;逻辑0;故障,能有效区别逻辑0与故障的不确定性,判断速度可以在毫秒级完成,它对灾害性故障识别具有重大意义,此项技术的突破使KJ101N系统在传感器信息传输技术上处于遥遥领先位置。


    十、热催化式甲烷传感器的抗冲击难题的破解过程
1、问题的提出
1957年,英国人发明了载体催化元件的专利,并在可燃气体检测领域得到成功的应用,我国六十年代就已经形成了自己的以催化原理为基础的可燃气体检测仪器产品,在全国煤矿安全检测领域得到了大量推广。热催化可燃气体检测方法简单可靠、成本低廉、具有广谱特性,正是由于它诸多的优越的性能,在世界上已经运用五六十年的时间。行业内的人们都知道,由于技术原因,载体催化元件只能测量4%浓度以下的甲烷气体,绝对没有可能超越这个极限,也是由于它固有的这个技术瓶颈,在50年后的今天,为了扩大量程人们不得不无奈的放弃它,另去谋求光纤、红外等新的气体检测技术途径。

热催化是检测瓦斯最有效最经济的方法,使用催化剂氧化钯黑,涂布在测量元件表面做成测量元件,再配以物理性能相同的参比元件组成测量电桥,俗称黑白元件。二只元件用铂丝加热到摄氏400度,当空气中含有可燃气体时,测量元件在催化剂的作用下,在元件表面发生催化反映(无焰燃烧),使温度上升,参比元件没有催化剂不会发生反映温度不变,通过比对二个元件的温差就能判断出瓦斯的含量。

前面说过载体催化元件有个致命的缺陷,就是只能测量4%浓度以下的甲烷气体,当空气中的瓦斯浓度值超过4%后,元件就会发生“激活”现象造成永久损坏,使测量范围被局限在很有限的区间里,极大的限制了它的应用条件。煤矿井下因放炮、通风机停转、瓦斯突出等事件经常会出现高浓度瓦斯聚集,现场传感器常会遭遇高浓瓦斯冲击而损坏,现场使用人员对元件的如此“娇贵”性能怨声载道,几十年来只能望洋兴叹束手无策。

多年来人们想尽了各种办法去解决这个难题,50年过去了一直没有突破这个技术瓶颈,渐渐的使人们得出了伤心绝望的结论,认为载体催化元件没有可能逾越这道障碍了。

在50年后的今天,人们想要得到更宽的测量范围,不得不放弃催化方式另去谋求光纤、红外等新的气体检测技术途径。假如能够解决催化元件的激活问题,那将为煤矿安全带来一场重大的变革,将为我国几千万煤矿井下工人安全带来福址。

我公司科研人员早在二十多年前就被这个课题深深迷恋住了,就像当年陈景润迷恋歌德巴赫猜想一样痴迷,二十年多来从来没有放弃过攻克这道难关的念头,为了实现这个魂牵梦绕的念头,十五年前毅然下海组建了自己的研究企业——镇江中煤电子研究所(现在企业的前身)。

2、、催化元件保护方法的误区
解决催化元件的激活问题是一项长期的技术难点,单纯从改良催化剂配方或优化工艺结构的常规方法着手已到了山穷水尽的地步。根据大量文献记载,无论采取什么配方的催化剂,在元件表面温度>600℃后,催化剂氧化钯黑无法抵抗氧化还原反应的发生,结果造成检测元件不可逆转的损坏。

传统的检测原理是检测催化元件与参比元件的温差获得浓度信号,随着浓度上升元件温度必然上升,激活现象不可避免。当被测气体中甲烷浓度>4%之后,常规办法是切断元件的供电停止测量,然而实践证明,尽管有保护电路存在,还是不能有效保护传感器元件。

按道理说采用断电保护方法应该能够有效地杜绝元件的损伤,当瓦斯浓度值超过3%时仪器已经切断了桥路的加热电流,为什么还不能有效地保护元件?那些日子里我们不思茶饭地思考这个问题,连睡梦中都在进行研究,所有型号的传感器上都设有过量程保护电路,为什么催化元件照坏不误?是哪里来的能量损伤了元件?通过大量实验研究终于揭开了元件损坏的庐山真面目。

中煤实验室里做了这样一个试验,在黑暗的环境中,冒着被引发爆炸的危险将试验杯中通以10%浓度甲烷气样(9.5%浓度的瓦斯气体具有最强列的爆炸特性),接通测量桥路电源让元件升温,进入催化反映状态。

检测元件在铂丝加热下温度缓慢上升着,在铂丝加热和瓦斯氧气催化反应下,看到了人们不曾想象的奇异一幕现象。测量元件温度持续升温不止,那元件发出了明亮的光辉,就像一只手电筒中点亮的小电珠。这时立即切断了桥路电源,此刻奇怪现象发生了,催化反应并没有因中断加热而停止,无焰燃烧在继续,测量元件还在发出耀眼的光芒。

原来是催化反应产生的热量还会维持“自燃”状态, 这种“自燃”的能量来源于甲烷与氧气的反应,实验的结果让我们恍然大悟,终于揭开了断电保护不能有效杜绝激活的谜底,大家高兴得跳了起来。

这种现象与防风打火机的原理差不多,我们当即取了个明称为:“打火机效应”,当催化元件被点燃之后,再切断电源已经无法扑灭这种“自燃”反应的,元件会一直维持自燃状态,直到将其烧毁为止。在高浓甲烷环境下,很小的能量“触发”就会导致催化元件的灭顶之灾。而仪表检测又必须让元件在燃烧状态工作,就是在这样相互矛盾的条件打成一个无法解开的“死结”,怎样打开这个死结让我们又深深陷入了思考之中。

3、高低浓组合式甲烷传感器的困惑
催化元件测量高浓甲烷时,因甲烷挤占了空气中的氧气,使催化反应不但没有加强,反而随着浓度增加而下降,浓度越高测量值反而越小,它的特性曲线如下图:

此主题相关图片如下: 



实际应用中这种特性存在着极大危险,这就是长期困扰人们的二值性误测问题。 二值性的最大危害是测量假象,在没有氧气的环境中,催化反映不会发生,高浓度的瓦斯气体会被测成“无瓦斯”历史上曾经发生过许多惨痛的教训,原煤炭部为了解决这项技术难题曾拨下大量科研资金,时至今日尚没有研制出一台完全符合要求的传感起来。

解决二值性问题的关键技术是如何确定仪器的取值区间,不同的区间会得出不同的测量结果。人们采用催化元件与热导元件组合方式制造了高低浓组合式甲烷传感器,但由于热导元件在量程的高端和低端分辨率低,在两元件测量的相交点上无法吻合,不能准确切换。又由于两种元件工作机理不同,两参数的整定、

测量算法无法统一,再加上双元件、双供电、双零点、双精度、双补偿,使仪器的使用变得极其复杂,更无法接受的是两种元件交越切换时必须经过很长的停电/加热转换过程,这期间仪器是“休止”状态,在时间上和测量值上都是不连续的,这样就给产品的推广应用带来极大障碍。 

4、传感器研制过程 
归根结底解决催化元件的高浓冲击问题,就是解决催化元件高温的课题,二十年前就曾有人提出制造恒温黑白元件检测桥路的设想,并有许多人为此付诸实践,中国矿业大学的吴震春教授曾在《煤炭科学技术》上报到过他的试验成果,重庆煤科分院的谷守禄高工也从事过类似的课题研究,由于当时的技术条件和认识误区,都没有真正完成这项科研成果。
 
他们没有成功的主要原因,还是在桥路平衡上的认识有误,在连续供电的检测桥路上,任何的辅助控制,都会成功地将失衡的桥路矫正,但是被外电路钳制成平衡的桥路不等于恒温的桥路,桥路的平衡条件是对边阻抗乘积等于另一边阻抗乘积,如下式:Z1*Z4=Z2*Z3 

此主题相关图片如下:

 
如果Z4是测量元件,Z3为参比元件,在高浓甲烷环境中Z4温度上升后对Z4加以分流控制,必将引起其并联阻抗下降,很小的分流控制就能够将桥路恢复到平衡状态,分流所产生的降温效果微不足道,不足以改善高温对测量元件的激活现象,并且闭合的控制环路需要二个元件的温差来维持补偿电流,在理论上就注定实现不了测量元件的“恒温”,此时测量元件与参比元件温差并没有减小多少,仅仅是维持了桥路的平衡,对元件的保护更无从谈起。由于以上原因,许多的探索者为此花费了大量心血,始终没有研制出来真正意义上的“恒温电桥”。 

早在1980年前我们就对此项研究课题作了大量的调研工作,曾深入研究过催化元件的损伤机理和保护方法,也探讨过恒温桥路的可行性,搞清楚了前人失败的原因根源。要想设计出真正的恒温检测桥路,就必须抛开连续电流供电的老路,必须在时序控制方面探索新路,以保证测量元件于参比元件温度永远相等,做出真正意义上的恒温桥路。 

当年还没有单片机技术,用硬件时序电路搭成了一套脉冲供电的检测桥路,那个控制电路做得十分复杂,但设计思想与现在的技术成果是完全一致的,在实验室中搭成的电路取得了令人振奋的效果。当时我们国家的科研项目都是由上级指定的,再说一个普通煤炭企业以生产为主要任务的,哪里会有科研经费,我们作为基层的一名技术人员的影响力十分有限,由于体制和经费等诸多原因,这项成果没有正式立项就被尘封起来二十多年,一直等到我们的企业——镇江中煤电子有限公司具有了相当规模之后,那多年的课题--恒温检测桥路才再一次被提到日程上来。
 
技术在发展时代在变迁,今天这项成果能够成功的问世,首先得益于现代电子技术成果,0.13微米的光刻工艺造就了超大规模集成电路芯片,闪存技术的发明开辟了单片机芯片的广阔前景,嵌入式控制技术得到了空前的发展,在20年后的今天,成功地把最新的微电子技术与古老的设计成果嫁接在了一起,成功的制造出了能够从0.00到100的超级甲烷传感器。
 
任何一个科研项目,几乎没有一帆风顺就能完成的,我们原计划用一个半月进行硬件电路布板设计;一个半月进行单片机编程;一个半月进行调试运行,一个半月进行工业性试验……研发的实际工作远远超过了当初的设想,工作每向前迈进一步都要遇到无计其数的难题。所谓的搞科研是干什么?就是不断的解决难题,那才是考验人们攻克难关的真才实学。在试验现场所遇到的那些难题往往都是你不曾预料的,所谓的创新就是走前人没有走过的道路,没有资料文献可供你参考。
 
一年后试验性能样机终于问世了,开始在开滦矿物局荆各庄矿现场工作不稳定,挂在煤帮上零点飘忽不定不能工作,挂在顶板上就没事,反反复复都是一个结果,那个现象让在场的人们无法理解,到后来几个硬件工程师全部到场,亲自上阵解决技术难题。经过反复摸索发现,顶子是木头的,煤帮是金属的,二者一个是导体一个是绝缘体,那为什么挂在导体上会使传感器零点不稳定呢?
 
综合推测推测一定是电路中有潜在有“寄生自激”,在外界环境的触发下作祟干扰了运算放大器,我们用100兆高频示波器终于扑捉到了寄生振荡发生在一个恒流源电路中。年轻的工程师们对消除自激束手无册,修改了几次电路都不行,越改越糟糕,到后来改出的样机还不如从前的稳定,零点上下不停的跳动,眼看着试验被这个棘手的难题阻隔无法进行。
 
总经理贾柏青对线性电路是最拿手的了,在部队中与高频电路打了许多年交道,精通电子电路,最善于处理放大器的自激振荡,最后老帅不得不赤膊上阵拿出了当年的看家本领。仔细分析电路后找出了寄生振荡环路,经过重新设计电路,调整运放极性、更换调整管参数,变换布线位置等方法,最终彻底根除了寄生自激。新样品的稳定性极好,试验结果几乎不能让人相信,零点连续几个小时纹丝不动,有时候都让人误认为是不是cpu死机了。
 
研发过程中一步一个砍,解决了零点稳定后又出现了电源干扰问题,传感器连线超过400米后,输出脉冲频率被叠加上了高频毛刺,严重干扰接受数据。解决了电源干扰问题又出现了非易失存储器数据丢失问题。解决了数据丢失问题后又出现了功耗过大的问题、启动浪涌问题…… 整个产品研发足足用了一年半的时间。原来那每一个半月的计划周期都是45天,为了纪念那个理想的计划周期,所以型号命名就叫45,加上系统的字冠就成了KJ101-45型(新标准推行后改为KJ101-45B型),和美国波音公司的707飞机型号命名颇为相似。 

5、传感器的创新点 
传统的催化传感器,都采用切断元件加热丝电源的保护方法,就是说要等到检测元温度上升到威胁元件安全后再采取保护措施,处在高浓甲烷气体中的测量元件一旦遇到能量的触发,便会跳过临界点进入自燃状态,如果继续沿着传统的保护方法向前探索,甲烷在测量元件表面无烟燃烧,通过桥路检出测量元件与参比元件的温差电位来输出信号,那将永远也摆脱不出温升“激活”的怪圈。要想彻底解决催化元件的激活难题,必须在检测机理上另辟新的途径! 

(1)载体催化元件抗冲击性能的突破  
KJ101-45B 传感器打破了载体催化方式的传统检测方法,采用我公司发明的“专利技术”——脉冲式恒温供电技术,通过一个微机处理芯片构成的闭环反馈系统,强迫检测元件与参比元件保持在平衡状态,使测量元件工作在恒温状态下。

这样的检测环路使测量元件的温度与参比元件进行温度比较,当环境中的甲烷气体在测量元件表面“助燃时”测量元件的温度将很快上升使电桥失去平衡发生偏移,微机处理芯片构成的闭环反馈系统监测到偏移信号后,输出控制脉冲信号,将已经偏移的桥路“矫正”回来,回路周而复始的工作在“偏移”/“校正”的往复震荡之中,测量元件的温度是以微小的锯齿波形状的轨迹在恒温区波动,这个波动的温差很小,只有零点几度的差别,基本上可以认为参比元件和测量元件的温度是相等的。传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性如下图: 

此主题相关图片如下:
 
空气中的甲烷浓度越高,从平衡到失衡的过渡时间就越短,通过检测这个升温时间,就能够得到与甲烷浓度成正比的测量参数。这种方法保证了在任何甲烷浓度下,测量元件温度不变,彻底有效地杜绝了高浓甲烷的自燃反应,大大延长了催化元件的使用寿命,也使仪器的零点稳定性、精度稳定性得到了意想不到的提高。 
应用单片机闭环恒温处理技术可使普通催化元件量程轻而易举的延伸到10%以上,在量程内线性良好,超越量程不会损伤元件。该技术是我公司自主开发的,经技术查新和权威专家评定属国际领先水平。它的推广应用彻底解决了载体催化传感器耐冲击性能的难题,为甲烷气体的检测方法开辟出一条崭新的道路。

此项技术与传统的检测方法区别在于,检测元件工作于间歇脉冲供电状态,检测元件不随甲烷温度变化,只有反馈环路中的脉冲频率与甲烷浓度呈正比关系。从微观的角度上看,单片机检测的是测量元件上温度的上升速率,而传统方法则是检测元件上的绝对温度,这二项差异造就了完全不同的二个产品。 

(2) 单元件全量程测量技术 
解决了催化元件的耐冲击问题,并不能解决全量程不间断测量问题和催化元件的二值性这另一个困扰人们的难题。载体催化元件工作时依赖于空气中的氧气。当被测气体浓度>13%后,氧气成分被甲烷挤占,催化反应随之下降,测量曲线呈非单调增加。全程中呈现大小两个峰值,2-4个同值点。

单片机只能对单调的非线性进行校正,无法处理多峰值曲线。本课题的关键技术是如何解决仪器的取值区间及如何在无氧环境下检测甲烷浓度,单纯的依赖催化反应,无论如何也是做不出来全量程的传感器,催化元件的工作原理就决定了在缺氧环境下是无法检测的,也不是单片机的算法问题。据国外资料报道,最高的测量极限充其量也就是5%CH4,如果还在这个方法上继续打圈子,注定是死路一条,无数的探索者们为此付出了大量心血,殊途同归,我和前辈们得出了的是相同的结论。
 
催化元件的量呈扩展之路,是不是真的就无路可走了?许多的科研工作者忽略了催化元件的另一个可贵的物理特性,那就是它自身的热导特性,任何一个被加热的物体,暴露在空气中时,他的散热特性除了自身的表面积外,还有就是与周边的气体的温度和气体的导热系数直接相关,工作在催化状态的黑白元件表面温度都在400度以上,元件温度除了受表面无焰燃烧的催化反应影响外,还要受到气体对流的影响,

这个影响不利于检测桥路的稳定性,人们为了消除热不稳定性,才发明了补偿桥路——黑件与白件用以抵消热不稳定性造成的“漂移”, KJ101-45B型甲烷传感器就是巧妙的利用了黑白元件的“热导特性”,成功地在10——100范围内完成了连续测量,使本课题上再一次取得了突破性成果,彻底有效的解决了催化元件的二值性问题和单元件全量程测量问题。

仪器只用一对普通催化元件实现了从0.00到100的连续测量。使以往人们认为不可能的事情变成了现实。(更详细的技术细节介绍从略,希专家朋友们见谅) 

(3)动态扩程技术 
测量仪器的量程与绝对精度永远是相互矛盾的二个参数,找不到具有很高的检测精度同时还有很大的量程的仪器,就好比天平与汽车衡都是测量重物的仪器,但是无法将二台器具做在一起,既能能称量出毫克重量的仪器同时还能称量火车汽车百吨大件的仪表。井下瓦斯检测也是一个道理,

在常规的环境下为了安全,人们希望瓦斯检测仪器应具有很高的灵敏度,在瓦斯高突出矿井,人们又希望仪器应具有很宽的浓度测量范围,事实上这样的仪器一直是不存在的,只不过是个愿望而已,为了兼顾两者的矛盾,人们最常用的办法是,分别使用二种不同量程的仪器。煤矿现场非常需要一种二者兼顾的仪表,然而技术瓶颈使这个愿望只能束之高阁。在全量程传感器上要想做到0.01%的分辨率和100%的满量程兼顾,两者相差10000倍,仪器的数码显示只有三位。为了保障低浓端的精度,

将量程拆分成若干段进行处理,模仿数字万用表的自动挡位变换,在测量过程中自动变换挡位,全程自动非线性校正,这样就保证了低浓段的分辨率又兼顾了高浓段的动态范围。量程的划分按着自然数0.00%——10%为低浓段,10%——100%为高浓段,高低两端量程衔接连续,没有跳跃和中断,全量程频率输出完全连续,由单一根信号端子引出,到目前为止全世界尚未发现类似产品,是一台真正的全量程甲烷传感器。 

(4)红外遥控调校技术 
使用彩电的人都有这样的体会,冬日里当你躺在温暖的被窝里观赏电视节目时,手中的遥控器如果不见了,你若想更换节目频道就必须光着身子下床到电视机前象从前一样徒手操作,几乎百分之百的人都会觉得难以接受这样的技术倒退,为什么呢?那就是现代红外遥控技术给人们带来的便捷。
 
煤矿井下环境极端恶劣,远比上面举的例子要严酷,井下高温度、高湿度、高粉尘、低含氧、低照度,传统的传感器使用电位器调校,在井下调整起来相当的不方便,一是要开设电位器调整孔,仪器外壳无法实现良好密封,井下湿气与粉尘使产品寿命大减;二是用起子反反复复地调整电位器,极易造成机件损坏,具现场工人反映:许多产品不是使用坏的而是被调整坏的;三是徒手旋转调整精度差费时费力,带下井的气样是有限的,如果“零点” “精度” “报警”“ 断电”全部用电位器来整定的话,有时带到井下一袋子气(橡胶气囊携带标准气样)全部用完还没调好一台传感器。
 
红外遥调技术并不是什么尖端科技,但把它引入到矿用传感器上的调校却是由镇江中煤电子最早提出的概念,并成功用于矿用传感器、监控分站等产品中,对煤矿安全仪器是一场划时代的变革。 

彩电里的遥控芯片技术不能直接搬来应用,要实现仪表遥控调校,必须采用智能化CPU芯片,即嵌入式单片机技术植入传感器,同时还要结合传感技术、光电技术、数字处理技术、新型结构工艺等多项技术。 

KJ101-45B型甲烷传感器出色地实现了红外遥控调校技术研发,使新仪器整机未设任何调整孔,仪器的调零、精度、报警值、断电值设定;输出信号制式设定;参数显示及模拟量输出微调全部由红外遥控器操作。可以有效地避免调整时的机械损伤,提高整机密封性,延长仪器使用寿命。红外遥控器由专业人员把握,无关人员无法介入,增强了仪器的可靠性。红外遥控调校技术在矿用传感器推广应用在国际上也属于首开先河,是一项经典的创新范例,他引领了中国煤矿安全仪器的创新潮流。
 
(5) 突出的几项创新技术 
a.该传感器所采用的检测技术,与常规方法不同之处在于模数转换方法截然不同,常规方法是:在运算放大器后面连接A/D转换器,或者电流变送器,得到的检测数值是电桥差动值转换出的结果。本传感器电路中,没有使用A/D转换器,桥路输出连接的是“电压比较器”,输出结果送给单片机,产生2毫秒的“平衡校正”脉冲,迫使检测元件的温升下降,回到低于参比元件的温度水平。这种“平衡校正”脉冲,在本传感器中称其为:开槽脉冲,是改变测量元件供电占空比为目的,累计单位时间里的开槽脉冲数量,就能得到与甲烷浓度相关的数值。
 
b.常规的催化原理传感器,在检测到可燃气体时,带有催化剂的测量元件温度会上升,通过与桥路中参比元件的对照,捡出差动电压来判别可燃气体的浓度,测量元件温度始终是大于参比元件的。本传感器所不同之处是检测桥路中的测量元件温度是低于参比元件的,无论在什么气体浓度下,都是如此,所以它不需要关断保护。
 
c.常规电路设计有元件断电保护电路,它的保护是采用切断桥路供电的方法来实现的,一旦控制发生,电路就会长时间被关断,仪器停测。本传感器的控制晶体管是CPU发出2毫秒的“平衡校正”脉冲,(即开槽脉冲),仅仅使测量元件在2毫秒瞬间发生“分流”,这样的控制结果改变了测量元件的供电占空比,将测量元件的温度拉回到参比元件的温度以下,桥路整体供电没有间断,这样的方法在所有浓度下不停测。 

d.常规传感器有一种高低浓甲烷传感器,是采用一组热导元件和一组催化元件组成的高低量程传感器,在4%CH4处分界切换,无法实现不间断连续测量。本传感器是单元件,全量程连续测量。 

(6)长寿命元件、高稳定低漂移技术 
传感器的稳定性取决于传感元件、放大电路及供电电源。本仪器采用不同常规的恒温检测机理,使仪器的重复稳定性和元件寿命获均获得了极大的提高。仪器的零点长期漂移可达三个月不超标,这项指标具有非常重要的意义,最新颁布的AQ6201-2006国家标准中,稳定性要求由原来的7天增加到了15天,是一项强制性技术要求。 

凡是不能达到新标准要求的产品将在2008年强行退出市场。KJ101-45B型传感器在国家指定的抚顺安全仪表站检测过程中,专业测试人员给予了高度评价,已经成为了行业内的典范。
 
甲烷传感器的调校周期要达到15天,就是说仪器经过15天的井下环境模拟,它的零点和精度漂移不能超标,这是一项非常严酷的要求,也对生产厂提出了新的挑战。影响传感器稳定的因素很多,传感元件性能非常关键,说得具体些就是元件的零点稳定性(黑白元件的物理参数一致性)和精度衰变寿命(催化剂的表面活性)二项参数。

传感元件的稳定性和寿命与测量元件的等效表面积关系密切,过去的十几年里人们一味地追求传感器的低功耗,各家元件攀比着是越做越小,其结果忽视了最宝贵的技术性能。时至今天人们才关注到这个问题症结,如今众厂家只有无奈地重新回到技术起点,而镇江中煤电子在这个领域里早已把对手远远抛到了后面。
 
KJ101-45B型甲烷传感器的特殊工作模式使检测元件具有极长的工作寿命,预期寿命可达三年,经现场使用证明河南义马煤业集团宜洛矿创造了元件连续达五年以上记录,许多元件更换不是因灵敏度衰减,而是气室粉末冶金罩日久被煤尘阻塞所致。KJ101-45B型甲烷传感器独创的稳零技术,可使传感器零点与精度具有超低漂移性能,现场有过100天不调校未超标的记录,远远超过国家新标准的15天。仪器在全量程下只设一个软件调零,由红外线遥控操作,使用非常方便。 


(8)仪器的综合性能水平 
本仪器的整体技术水平已经达到了国际先进水平,其中多项技术属于首创。江苏省科委于2000年7月组织了该产品的技术鉴定,聘请了国内本行业最高权威(中国矿大北京研究生院博士生导师、中国煤矿安全监控学会主任--孙继平教授;辽宁省煤矿安全监察局副局长,教授级高工,中国煤矿安全监控学会副主任--刘洪等专家十一名)。鉴定会期间由专家组成的测试组再次进行关键性技术参数测试。原计划现场测试2小时完成,而实际测试进行了6个多小时,使会议延长到晚上6点半。测试前到会的专家对资料所公布的性能参数全部持怀疑态度。

专家测试组由孙继平教授亲自点将,安排我国煤矿安全仪表行业中资深并具有丰富检验经验的宫世琨高工(淮南矿务局监测科主任)和陈克琳(上海电表厂科技部经理)高工担任组长。测试认真仔细并反复进行了三次复测,测试结果令在场专家们感到震惊,传感器的优异性能折服了所有到会的专家。

经技术答辩,十一位专家一致认同该项目具有国际领先水平,遗憾的是查新报告限于国内,最终评语只能降为国际先进水平。本产品当年经沈阳、铁法、开滦、芙蓉、焦作、南桐、中梁山 六枝、鸡西、鹤壁等矿务局试用,得到了用户的高度评价。 

KJ101N—45B型甲烷传感器在2000年获得了国家科技部中小企业创新基金80万元的资助之后,当年获得了国家专利局发明专利;2002年获得江苏省科技进步成果二等奖;2006年获得镇江市100万元科技项目推广基金资助。本传感器的成功开发证明了我公司在载体催化方式气体检测技术走在了世界的前列,它的推广应用将对煤矿安全监测监控、瓦斯治理等领域开拓出一条崭新的道。 

 




    十一、监控系统抗雷击的研究与实践
根据我公司历时十年多现场跟踪调查数据统计,地方小型煤矿遭雷击事故远远高于大型煤矿,用户反映十分强烈,经过深入细致调研发现,基层技术人员及管理者普遍存在许多认识误区,借助本次论坛下面浅析一下小型煤矿现场存在的技术问题和管理缺陷,希望能得到广大专家和领导们的关注。

  原因一是小型煤矿不合理的电网结构造成的。地方小型煤矿为了减少建设成本,绝大部分没有设采区变压器,380伏动力电源由地面直接引入井下,引入电缆的架空安装,将井下机电设备直接暴露在大气放电感应的威胁之下,它和大型矿井有采区变压器隔离的环境相比截然不同,大型矿井的6600伏隔爆变压器有良好的绝缘性能,还设有二氧化硅避雷器保护,雷电感应只作用于一次高压线上,二次很少能受到雷电打击。小型煤矿由于没有变压器隔离,雷电感应浪涌电压亟易从动力电源引入井下,多数击穿分站电源变压器。

  原因二是地方小型煤矿对线路避雷器的作用存在误区,认为雷击只是从传输线路引入的,还有人误认为线路避雷器是万能的,甚至将其与建筑物上的避雷针等同起来,错误的认为只要地面安装一台避雷器,就可以确保全矿系统平安无事,由此许多煤矿只在地面安装了线路避雷器,井下线路没有安装,电源进线没有安装,结果一旦矿区遇有雷暴天气,地面计算机保护住了,井下分站甚至传感器遭到严重损坏。

  原因三许多基层领导误认为只要设备接地线良好就是最好的防雷措施,施工中花费了大量财力和人力用以改善接地电阻,忽视了其他方面不安全的因素,实际上除了避雷器的地线要良好接地外,其他设备的接地均不能起到访雷击的作用,比如说地面计算机恰恰相反,它的外壳与大地连通反而会引来雷击。

  原因四除了大气放电造成的强电磁干扰外,还有一种来自矿井内部动力电源故障浪涌电流造成的破坏, 后者的破坏力往往远高于雷电的损坏力,特别在动力电源设备发生击穿短路、电缆短路放炮、电缆弧光短路等情况时,动力电源的相间会发生严重的不平衡。

击穿点对地短路,造成很高的跨步电压(不同位置的两点大地电位差),能造成井下现场接地点与地面机房接地点很高的电位差。信号传输线跨接在这个高电位差的两地之间,与仪器之间形成放电回路,能在很短的时间内烧焦电路板,并使其碳化击穿,会破坏整个网络。用户往往在没有发生雷雨的季节也发生了击穿损坏,这就是动力电源浪涌造成的破坏。


原因五是许多厂家对雷电浪涌的破坏能力估计不足,所设计的线路避雷器娇小,导致对瞬态高能量吸收容量有限,有些避雷器尺寸和火柴盒大小一样,其中的浪涌吸收元件热容量肯定大不了,往往设备还没有击毁而避雷器自身先牺牲掉了,雷雨季节造成系统雷击事故频频发生。镇江中煤总结了多年的抗雷击经验,制造出了性能可靠的第三代线路避雷器,经现场多年检验,效果非常明显,基本上杜绝了恶性雷击事故,避雷器见(图六)


现场雷击情况差异很大,除了必须加装可靠的避雷器以外,建议用户根据现场实际情况采取如下十二种措施, 可以更有效的根治闪电雷击和动力电缆浪涌感应造成的损坏。

1)传输干线全部更换屏蔽线,井筒电缆钢用丝凯装线,并且从井底到机房不要设接头,直达机房,电缆的屏蔽网(包括铠装钢丝)上下两头分别可靠接地,特别是地面干线尽可能避免架空走线,必须走明线时要用钢绞线吊挂,钢绞线两端可靠接地。

2)有条件的话地面线路可以考虑采取埋地走线方案,穿入钢管作防护外皮埋入地下能取得良好防雷性能。

3)如果实在没有条件使用屏蔽电缆,把四芯电缆中的二根剩余芯线,在井上井下分别良好接地,也可有效吸收感应能量获得明显的保护作用。

4)传输线终端的井上下分别加装避雷器,不可以只安装地面,忽略井下!选用镇江中煤电子现在生产线路避雷器(已取得了煤安标志),可以得到很好的保护效果,千万不要拆掉避雷器运行系统!

5)避雷器的保险管被击断后,要换上相同容量的备用保险管,切不可以用大容量的代换,一般不要用大于500毫安的保险管,绝对不要用导线替代融丝!

6)信号传输线不要同动力电缆挂在同一侧邦上,更不要挂在同一个电缆钩子上,否则动力电缆发生瞬间短路的浪涌电流会在传输线上感应出数千伏电压,能量非常强大。

7)避雷器的接地线要良好接地,特别是安装在井下的避雷器尤其重要。

8)雷电大作时,特别在机房附近落雷时,建议关闭地面主计算机,然后拔下主机和接口的电源插头,接有局域网的也要拔下网线插头,这样可以有效的保护计算机不被雷电击毁,但不能保护井下设备,只停电不拔下插头,主机照样容易被雷击毁。

9)计算机外壳接地不能改善防雷性能,恰恰相反,机器外壳悬空能有效阻断放电通路,更有利于防雷。建议电脑插座中的保护接地不要连接大地(品字形插座中间的插孔),但要保证外置接口的外壳和电脑的外壳地连接在一起就可以(插在同一电源插座上,或用导线将二个插座的“保护地”连在一起),千万不可以只有一台接地而另一台外壳悬空(指通信接口和电脑的外壳)。

10)动力变压器装在地面的小型矿井,井下尽可能改用采区变压器供电,一方面改善安全环境,还能提高电源输送效率,如果没有条件使用采区变压器的矿井,井下监控仪器的电源进线侧必须加装“电源避雷器”防止雷电沿动力线打进仪器。(镇江中煤电子有电源避雷器产品供应)。

11)在没有采区变压器的小煤矿中,雷击往往是从地面380V电源引入的,线路避雷器对其没有任何防护作用,建议这样的矿井在分站电源前面加入小功率干式变压器隔离。

12)改用光纤信号传输,或者改用光纤以太环网作为信号总线,可以彻底杜绝线路雷击损坏(镇江中煤电子已有光纤传输接口,矿用以太网交换机,可以直接代换使用)。



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