[论文] 高可靠可编程自动控制器（PAC）及其在煤矿安全监测中的应用研究

1、.重庆市科技计划项目 立 项 申 请 书专项名称： 电子信息关键技术及产业化(重大) 项目名称：高可靠可编程自动控制器（PAC）及其在煤矿安全监测中的应用研究计划类别： 科技攻关项目 申报单位： 重庆大学自动化学院 (公章) 项目负责人： 张从力 联系电话： 65106188 组织部门： 重庆大学 起止年限： 2005 年 6 月2007 年 12 月 填报时间： 2005 年 2 月 20 日 重庆市科委编制二00四年一月填写说明1、凡申报重庆市科委科技攻关、成果推广、火炬、星火、产业化、科技合作、院士专项和科研院所转制计划的项目，都须填写此立项申请书。2、立项申请书由项目的主承担单位填写，

2、经项目组织部门或区、县（自治县、市）科委审查同意后一式三份（重大、重点项目八份）并附申报软盘一张报送重庆市科委。3、立项申请书所列内容都要据实填写，表达应明确、完整、严谨、扼要（外文名词要同时用中文表达）。4、立项申请书一律要求用A4纸张打印，否则不予受理。重庆市科技计划项目基本信息简表专项名称电子信息关键技术及产业化(重大)项目名称高可靠可编程自动控制器（PAC）及其在煤矿安全监测中的应用研究承担单位重庆大学自动化学院组织部门重庆大学单位地址沙坪坝区（县、市）沙正街174号邮 编400030单位性质11.高等院校 2.科研院所 3.企业 4.其它工商注册登记类型11.国有 2.集体 3.股份

3、合作 4.联营企业 5.有限责任公司 6.股份有限公司7.私营企业 8.港澳台商投资企业 9.外资企业 10.其它企业单位法定代表姓 名李晓红联系电话65102316手 机单位传真65104905项目负责人姓 名张从力联系电话65106188手 -mailzcl项目主要合作单位计划类别21.自然科学基金 2.攻关 3.推广 4.科技合作 5.火炬 6.星火 8.院士专项 8.创新能力建设 9.软科学 10.科研院所转制项目主要服务行业91.农、林、牧、渔业 2.制造业 3.信息传输、计算机服务和软件业 4.科学研究和综合技术服务业 5.建筑业 6.卫生、社会保障和社会

4、福利业 7.水利、环境和公共设施管理业 8.公共管理和社会组织 9.其它行业项目所属技术领域71.电子信息 2.生物医药 3.现代农业 4.环境保护 5.新材料 6.光机电 7.交通、能源 8.社会事业 9.其它项目研究所属主要学科一级学科代码及名称二级学科代码及名称三级学科代码及名称代码：620名称： 安全科学技术代码：30名称：安全科学技术基础学科代码：99名称：安全科学技术基础学科其他学科起止时间2005年6月至2007年12月总投资20万元申请资助15万元主要研究内容(限100字)研究高可靠煤矿安全监测用可编程自动控制器（PAC）的实现方法和技术途径；研究基于嵌入技术的高可靠工业控制模

5、块技术(SOM)；研究基于PAC、SOM的多传感器数据融合技术；研究新型煤矿安全监测网络技术。预期成果形式或达到的目标(限100字)预期成果：提供高可靠可编程自动控制器（PAC）技术；提供实用化的系统（硬件与软件）产品；申请国家专利1项。研究目标：研究基于PAC、SOM的多传感器数据融合技术，提供新型的高可靠网络化煤矿安全监测系统产品。注：此简表的选择项均为单选项。学科代码及名称按国家标准（可在市科委网站上查询）至少填至二级学科， 一、目的意义、国内外水平、发展趋势和市场需求我国具有丰富的煤炭资源，而煤田往往同时赋存有多种有毒、有害气体，一旦发生煤尘、瓦斯爆炸，将对矿工生命财产造成极大的危害，

6、并对生态环境造成巨大的损害，同时，也造成不可估量的资源损失和巨大的经济损失。因此，煤矿井下是非常重要且极具危险性的工业场所。由于煤矿井下通常区域较大，巷道及附属设施较多，且往往地形复杂，给生产工况监测和安全监控带来巨大困难。同时，由于我国大多数煤矿都是地下开采，因此，一旦发生灾害，由于无法及时、有效地展开救护、救援工作，导致损失惨重。近5年来，几乎每个月我们都能见到有关重大矿难的事故报道。因此，研究新型的煤矿安全监测技术和装备就显得极其重要和十分迫切。高可靠的煤矿安全监测技术是国内外同行长期研究的难题。美国在矿井安全监测和井下作业人员跟踪技术方面进行了大量的研究工作，对减少人员伤亡起到了积极的

7、作用；而日本在井下人员位置管理方面也进行了大量的研究工作，建立了先进的安全监测系统，对于降低矿井灾害的危害程度和减少人员伤亡具有十分积极的意义。国内同行经过“六.五”至“十.五”的科技攻关研究，使我们在长期的煤矿安全监测科研工作中积累了大量的经验，在灾害检测和防治方面取得了较多的成果，因此能够采用相关的技术手段对煤矿井下存在的重大安全隐患进行监测。但是，国内目前煤矿安全监测技术仍然停留在分布式监控技术的层面上，技术比较落后。从目前通信技术、检测技术和自动控制技术的现状和发展来看，实现高可靠的、网络化的煤矿安全监测是可行的，也是先进的；从经济适用性来看，利用先进的网络技术，实现“三网合一”（安全

8、监测网络、生产调度电话网络和视频监控网络）具有明显的技术优势，因此有较大的推广应用价值和可观的产业化前景。但是，“三网合一”的全面监测技术依赖于高可靠的可编程自动控制器（PAC）技术。为此，提出展开本项目研究工作，对于促进煤矿安全监测自动化技术的发展、确保井下作业的安全生产和保护矿工生命财产安全，具有十分重要的意义。我们在“六.五”至“九.五”期间进行的安全工程科研项目为本项目的开展作好了前期研究工作。据此，申请本项目加以研究。利用我们在安全工程和自动化技术方面的研究成果和技术优势，开展对高可靠煤矿安全监测用可编程自动控制器（PAC）及相关技术的研究，以便获得防治和减轻矿井重大灾害、安全事故等

9、危害的实用化技术。建立一种新型的网络化的安全监测技术途径，对实现煤矿的安全监控，保障矿工生命财产安全，保护环境与生态安全，有效利用矿产资源是十分必要的，也是可行的。本项目的成果针对煤矿的生产安全与重大事故隐患进行监测，具有推广应用价值。该技术与产品还可应用于大型石化企业、非煤矿山等，具有显著的社会经济效益，应用前景良好。二、研究目标、主要研究内容和技术关键、特色研究目标：研究基于PAC、SOM的多传感器数据融合技术，提供新型高可靠网络化煤矿安全监测系统产品。主要研究内容：（1） 研究高可靠可编程自动控制器（PAC）的实现方法和技术途径；（2） 研究基于嵌入技术的高可靠工业控制模块技术(SOM)

10、；（3） 研究基于PAC、SOM的多传感器数据融合技术；（4） 研究上述技术在煤矿安全监测系统中的应用，并达到实用化。技术关键：(1) 可编程自动控制器（PAC）实现高可靠的技术方法；(2) 嵌入式模块系统(SOM)的研制。特色：本项目的研究利用高可靠可编程自动控制器（PAC）与多传感器数据融合技术、以太网络技术等，来达到远程、大范围网络化监测控制的目的，实现煤矿高可靠的安全监测，具有实用性、创新性。应用前景： 本项目针对煤矿井下的生产安全与重大事故隐患进行监测，将安全监测与自动化新技术结合起来，具有推广应用价值。该技术与装备还可应用于其它大型石化企业、非煤矿山等，具有显著的社会经济效益，应用

11、前景良好。三、拟采取的研究方法、技术路线和工艺流程（含可行性分析）本项目拟采取的研究方法：（1） 以现有研究工作为基础，充分利用前期研究工作所获得的技术资料，借鉴国内外已有的成果，研究高可靠的可编程自动控制器（PAC）技术在其它学科的最新进展，以确保研究工作立足于较高的技术起点上进行；（2） 采用嵌入式技术方法实现高可靠可编程自动控制器（PAC）的模块化（SOM）设计；（3） 采用与煤矿现场密切合作的方法，利用PAC技术提高煤矿现有安全监测网络的性能；（4） 采用与其它矿用传感器供应商合作的方法，实现前端数据采集设备的全面配套；（5） 通过试验结果分析，对研制的PAC进行完善与推广应用。技术路

12、线： 技术路线是以监测信号的采集、传输、处理和报警等信号流程的各个环节为线索。首先是利用嵌入式技术研制PAC模块，在此基础上实现对传感信号的采集与处理，并研究多传感器数据融合技术；其次是高可靠的信号远程传输方法研究，主要研究利用工业以太网络技术进行监控信号和报警信号的远程双向传输。可行性分析：嵌入式技术是当今发展最为迅速的新技术，我们可以利用嵌入式技术在自动化领域内的各种先进成果，进行多传感器数据融合与高可靠的信息传输，目的是实现煤矿灾害事故的早期监测和报警，技术上是可以实现的。拟采用多传感器数据融合方式是基于如下考虑：鉴于煤矿井下的恶劣工作环境条件的实际情况，采用的多传感器数据融合技术可以提

13、高安全监测系统的可靠性。利用嵌入式的PAC模块，在现场对检测数据进行处理分析，实现紧急情况的就地处理，提高系统的有效性和可靠性。充分利用现有工业以太网络技术的成果，来实现监测、控制与报警信号的传输，技术上是成熟的，方法也是可行的。将安全监测网络、生产调度电话网络和视频监控网络等与工业以太网络融合起来，可以实现无距离限制的信号远传，实现远距离安全监察。申请者对本项目中的一些研究内容已做了大量的前期工作，并且采用一些经过验证的技术手段，以提高所研制系统的可行性。申请者在实际工作中对嵌入式技术和工业以太网络技术进行了大量的试验研究，并具有研制相关产品的能力。课题组承担并已完成的相关研究项目为本项目的

14、研究打下了良好的基础。因此，开展本项目的研究工作从技术上和应用上都是可行的。四、进度安排及达到的技术和经济指标进度安排： 完成全部研究试验工作需2.5年时间。 2005年 6月12月： 前期研究技术总结，资料分析，煤矿安全隐患早期检测技术的研究，多传感器检测、信号融合技术研究，高可靠技术与影响系统有效性因素的分析； 2006年 1月12月：继续上年研究工作，嵌入式PAC模块研制、实验室试验、实验数据的分析比较，与工业以太网络的融合试验、远程监控试验；2007年1月12月： 继续上年研究工作，现场试验，考察实际应用效果，完善PAC设计，产品化及应用研究，整理技术资料，申请技术鉴定。主要性能与技术

15、指标： 1. 工作环境温度: -545； 2. 模拟PID控制循环速率: 100kS/s； 3. 数字控制循环速率: 1MS/s； 4. 布尔逻辑循环速率： 40M（25ns）；5. I/O 类型：0mA5mA电流量输入（煤矿用标准）200Hz1000Hz频率量输入（煤矿用标准）±80mV热电偶输入±10V同时采样模拟输入/输出24V工业数字I/O(1A驱动电流)差分/TTL数字输入250Vrms通用数字输入；6. 以太网接口：10/100Mb/s自适应； 7. I/O隔离电压： 1000V； 8. 抗冲击力: 50g；9. 认证：MA、EMC和环境认证； 10. 适应危险

16、环境等级：Class I, Division 2；11. 防爆类型：矿用本质安全型 12. 电源：12VDC24VDC。五、前期研究基础（可附相关证明或说明）及现有条件（含设备手段等）和优势前期研究基础：申请者长期从事煤矿井下安全监测、灾害检测与信号传输技术的研究工作。承担并完成了多项国家科技攻关项目和省部级科研项目的研究。对大型矿山的安全监控、生产工况监测等进行了大量的基础研究，同时对信号检测与嵌入式技术进行了前期研究，积累了大量的相关技术资料，获得了初步的研究成果。申请者积23年的安全工程科研经验，为本项目的顺利开展已作好了充分的技术准备。本课题组具有良好的试验条件和人员配备。已进行了包括

17、嵌入式模块研制、多传感器数据处理分析和工业以太网络传输的基本试验研究，能够确保安全监测信号的有效检测和传输。参加本项目研究的成员已发表数十篇与安全监测技术相关的研究文章。为本项目的研究进行了技术储备，并收集了大量的技术资料，做好了充分的前期研究工作。已完成的部分安全科学技术研究项目如下：国家“六.五”科技攻关项目：KG4003型矿井负压传感器的研制；国家“八.五”科技攻关项目：缓倾斜煤层采空区火源位置探测技术的研究；国家“九.五”科技攻关项目：无火花风机引排上隅角瓦斯技术及装备的研究；煤炭部重点项目：KHJ-1型矿井火灾监控系统及自动灭火装置的研究；煤炭部项目：无电源防火门自动启闭装置的研制；

18、煤炭部项目：矿用测氡仪的研制；铁道部项目：长隧道消防常备技术措施的设计研究；煤炭部项目：KY1型矿用微气压计的研制；煤炭部项目：矿用氧气传感器的研制；煤炭基金项目：矿用胶带阻燃和抗静电性能影响因素的探讨的研究。现有条件：申请者可以利用重庆大学Rcokwell自动化实验室具有良好的试验、开发条件。优势：申请者目前承担的重庆大学高层次人才科研启动基金项目（项目编号：306411009）危险作业场所动目标跟踪与数据采集系统及其应用研究，已为本项目的开展进行了前期研究，其中一些技术可以应用于本项目中，因此申请本项目的研究工作的条件是充分的。由于我国煤矿安全问题比较严峻，重大灾害事故频繁，因此，开展本项

19、目的研究工作是非常必要的。六、主要研究人员情况姓名单位技术职称年龄近年所取得的主要科技成果情况（包括学术论文）联系电话张从力重庆大学研究员451 缓倾斜煤层采空区火源位置探测技术的研究，国家“八.五”科技攻关项目，第一完成人；2 无火花风机引排上隅角瓦斯技术及装备的研究，国家“九.五”科技攻关项目，第一完成人；1 Development of Intrinsically Safe Continuous Radon Detector for Mine, Proceedings of The International Mining Tech.98 Symposium.1998.102 The h

20、arm and preventing measures of the radon in coalmine. ISSST2002, Part A. 2002,3, 719-723. EI: 7280707, ISI:0001798718001343 Research of Fire Hazard Critical Guidelines of Mine Use Belt Conveyor and Automatic Fighting Fire System. WCICA2004. Hangzhou, China, 2004.64 Development of Gas Monitoring and

21、Control Integral Intelligent Device. 2004安全科学与技术国际会议，上海,2004.105 Research on Treatment Gas Accumulation on Upper Corner of Mining Working Face. 2004安全科学与技术国际会议，上海,2004.10 6 基于ControlNet的软测量技术及其在电梯故障预测中的应用. 仪器仪表学报，2004.47 矿用阻燃胶带安全性能的试验研究. 煤炭工程师. 1997.28 一种新型火灾检测定位技术的试验研究. 煤炭工程师. 1997.59 一种地下无线电技术的应用研

22、究. 煤炭工程师. 1998.110 煤矿氡气及防治. 煤炭工程师. 1998.311 KCD9618型矿用连续测氡仪的研制，煤炭工程师. 1998.增刊12 煤矿氡气及防治. 煤炭工程师. 1998.365106188其昌重庆大学教授5165102482 新重庆大学教授4365111647俊峰重庆大学助教硕士2465106188 刚重庆大学在读硕士研究生2366551656、准备工作情况和拟采取的主要措施准备工作情况：重庆大学自动化学院为了开展本项目的研究工作，充

23、实和完善了“嵌入技术实验室”的设备条件。成立了“嵌入式微模块研究所”，已组织开展对本项目研究中需要应用的嵌入式微模块的开发研究，技术准备已经成熟，研究条件已经具备。申请者对本项目中的一些研究内容已做了大量的前期工作，并采用一些经过验证的技术手段，以提高所研制系统的可行性。已在实验室完成信号远程传输的试验，且具有研制相关产品的能力。课题组承担并已完成的相关安全科学研究项目为本项目的研究打下了良好的基础。拟采取的主要措施：1 项目组织实施上充分利用重庆大学和自动化学院Rockwell自动化实验室的团队优势条件，确保项目研究人员配备、试验准备和各部门的相互协调配合；2 项目技术路线上采取应用嵌入式技

24、术方法，提高信号采集、传输、处理和报警等各个环节的可靠性；3 项目推广应用上充分利用重庆大学的技术优势，发挥研究人员长期从事煤矿安全工程技术项目研究的优势，使研究成果得到真正的推广应用。八、项目实现后的经济（社会）效益（单位：万元） 预期经济效益新增产值新增税金新增利润节约价值创 汇（万美元）完成后直接效益/成后间接效益/年300012080000经济和社会效益分析：直接经济效益以年产10套系统产品计，可新增产值1500万元。间接经济效益是该系统产品带动的上游企业和下游企业可增加的产值。应用该技术将极大地减少天然气井事故所导致的人民生命财产损失、资源损失和经济损失，确保环境与生态安全，促进安全生产和社会稳定，因此具有可观的社会效益。预期经济