1、本科毕业论文（20 届）煤矿安全生产监测系统设计DESIGN OF COAL MINE SAFETY PRODUCTION MONITORING SYSTEM所在学院 专业班级 矿山机电 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I毕业设计（论文）共 82 页（其中：外文文献及译文 15 页）图纸共 2 张摘 要煤炭是我们国家发展最主要的能源，在国民经济中占有重要的地位，同时我们国家也是当今世界上最大的煤炭生产国之一，所以煤炭的安全生产就显得尤为重要，而在这过程中，煤矿的安全生产监测监控系统就是煤矿安全生产的最重要的保障。本论文主要研究设计的煤矿安全生产监测系统是保障煤矿安全生产的主要
2、途径。该系统设计主要包括井上中心站设计和井下监控分站设计。在本次设计中，设计的重点是井下监控分站的设计，有发数据输入通道、控制输出通道、键盘操作和液晶显示模块。本次设计采用 8051 单片机作为控制器。单片机对输入通道采集的开关量和模拟量信息进行分析处理后，经输出通道控制执行器动作。当输入信号超过预设定的报警值或断电动作值时，进行声光报警或断电处理。键盘操作和液晶显示则可以实现人机交互。这样就可以构成一个典型集中管理分散控制系统。最后，通过实验验证所设计的分站可以实现数据采集、风电瓦斯闭锁、键盘操作和液晶显示等功能，从而实现实时监测与控制，满足煤矿井下井下安全生产的要求。关键词 ：监测监控系统
3、；中心站；监控分站；安全IIAbstractCoal is the major energy of our country,occupies an important position in national economy,and our country is one of the worlds largest producers of coal, therefore, the safety of coal production is particularly important, in this process, the coal mine safety monitoring system
4、 is the most important safeguards. This thesis mainly design of coal mine safety production monitoring system is the guarantee and the principal way of coal mine safety production.The system design mainly includes the central station design and inoue underground monitoring substation design.In this
5、design, the focus of the design is the design of the underground monitoring substation, some data input channels, the control output channel, keyboard and LCD display module. It includes data input channel, output channel , keyboard and LCD display . This design uses 8051 SCM as the controller. SCM
6、analyzes and processes digital and analog information acquired by input channel, and then control actuator movement through the output channel .When the input information exceeds a preset alarm value or power action value, sound alarming or power handling. Keyboard and LCD are an important part of h
7、uman-computer interaction. This can constitute a typical centralized management and decentralized control system.Finally, the experimental verification of the designed sub-station can realize data acquisition, control output wind power gas locking, keyboard and LCD display and so on, Achieving real-
8、time monitoring and control and meeting safety requirements of underground coal mine production. Key words ：Monitoring system ；Central station； Monitoring sub-station ；S afety目 录1 绪论 .11.1 煤矿安全生产监测系统发展现状 .11.1.1 监测系统历史发展现状 .11.1.2 我国目前监测系统的现状 .21.2 目前安全监测系统存在的主要问题 .21.3 煤矿安全生产监测监控系统的组成 .31.3.1 地面中心站
9、 .41.3.2 井下分站 .51.3.3 传感器与控制器 .61.4 安全监测监控的相关规定 .62 煤矿安全生产监测系统设计的总体方案 .82.1 煤矿监测监控系统 .82.1.1 监控主机 .92.1.2 矿用监控系统传感器 .92.1.3 监控分站 .102.1.4 矿用现场总线 .122.2 井下监控分站的系统设计要求和目标 .142.3 煤矿安全生产监测监控系统设计的主要内容 .153 监测监控系统的硬件设计与选型 .163.1 井上监控主站硬件选型 .163.1.1 地面监控中心要求 .163.1.2 地面监控中心设备配置 .173.2 井下监控分站设备选型 .183.2.1 单
10、片机选型 .183.2.2 传感器选型 .223.3 井下监控分站硬件模块设计 .313.3.1 主控制电路 .313.3.2 电源模块 .323.3.3 传感器开关量输入通道模块 .343.3.4 模拟量压频转换模块 .373.3.5 控制输出模块 .383.3.6 拨码地址模块 .393.3.7 声光报警模块 .403.3.8 按键控制模块 .403.3.9 液晶显示电路 .413.4 矿用现场总线选型 .423.4.1 现场总线分类及选型 .423.4.2 现场总线智能节点 .433.4.3 CAN 总线通信建立过程 .444 监测监控系统的软件设计 .454.1 井下分站系统软件总体结
11、构设计 .454.2 软件抗干扰措施 .464.3 软件设计平台 .484.3.1 软件介绍 .484.3.2 新建工程 .494.4 监控分站程序设计 .494.4.1 初始化软件程序 .504.4.2 开关量输入检测程序 .514.4.3 开关量输出程序 .514.4.4 模拟量输入检测程序 .524.4.5 通讯程序 .534.4.6 显示器程序 .544.4.7 拨码开关程序 .544.4.8 CAN 总线智能节点程序 .555 技术经济分析 .566 结论与展望 .576.1 结论 .576.2 展望 .57致 谢 .59参考文献 .60附录 A 译文 .62附录 B 外文文献 .7
12、0辽宁工程技术大学毕业设计（论文）11 绪论1.1 煤矿安全生产监测系统发展现状煤炭产业在国民经济中占有重要的地位，是我国的支柱产业之一，而煤矿的安全生产是煤炭产业健康有序发展的重要保证。在煤矿安全生产中，影响煤矿安全生产的因素有很多，归结起来，主要包括：煤矿环境参数和用电设备的运行参数。无论环境参数或用电设备的运行参数任何一个出现异常，都会影响到煤矿的安全生产。为了对这些参数进行有效地监测和控制，需要采用煤矿安全生产监控系统。煤矿安全监测监控系统主要是监测甲烷浓度、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、温度、风门状态、风筒状态、风窗状态、局部通风机开停、主要通风机开停
13、、工作电流、工作电压等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等功能。1.1.1 监测系统历史发展现状煤矿最早关注的项目便是对煤矿井下的危险源进行实时监测和预警。国外研制煤矿安全生产监测监控系统始于上世纪 60 年代,随着信息和传输技术的进步,至今己经有四代产品。监控系统的发展阶段根据信息传输方式的不同，可划分:第一代为空分制传输方式,即用一对传输电缆来对一对测点之间的信息进行传输,例如上世纪 60 年代法国的CTT63/40 系统;第二代为频分制传输,即按频率来划分传输信道,传输电缆的芯线大大减少了,例如西德 H+F 公司研制的 TF-20O 系统;分布式微处理器技术的应用与时分制传
14、输方式是第三代系统的主要标志。由于时分制传输方式具有抗干扰能力强和通信规格比较严格的特点,使得煤矿安全生产监测监控技术的发展上了一个大台阶,英国的 MINOS 和美国的DAN640O 系统是这一代的典型产品;第四代煤矿安全生产监测监控系统，随着飞速发展的通信、网络和自动化技术,使得集成性、开放性和网络化成为的主要特征，其典型产品有加拿大渗透里昂 600 型、KJ90、KJ66 等系统。自上世纪末以来,一些采煤国家综合利用自动化及机电一体化技术,研发了煤矿井下综合监测监控系统,使监测、控制、通信融于一体,并且兼容多种专用监测监控系统的功能,对煤矿井下环境参数和用电设备运行参数进行自动化监测和控制
15、。同时也实现了对煤矿安全生产过程中的自动化和集约化,覆盖煤矿井下各生产环节及其辅助环节。21.1.2 我国目前监测系统的现状我国煤矿安全生产监测监控技术起步较晚，始于 20 世纪 80 年代初期。20 世纪 80 年代初，我国先后从美国、英国、德国、法国和加拿大等国引进了一批安全监控系统（如美国的 SCADA 系统、英国的 MINOS 系统、德国的 TF-200 系统、法国的 CTT63/40/系统、加拿大的森透里昂系统），装备了部分煤矿并在我国煤炭行业中发挥了巨大作用。我国在引进国外监测监控系统的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出 KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ
16、14、KJ19 、 KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92 等监控系统，并在我国煤矿已大量使用。比如常州自动化研究所研制的 KJ2 监测监控系统、北京航空部 634 所研制的 KJ14 系统等都于 20 世纪 80 年代末通过了鉴定。进入上世纪 90年代后,我国又一批具有世界先进水平的监测监控系统研制出来了,如煤炭科学研究总院重庆分院设计的 KJ90 系统、上海嘉利矿山电子公司开发的 KJ92 系统、煤炭科学研究总院常州自动化研究所的研发的 KJ95 系统等,其主要特点是将网络连接的功能加入了进去,进一步提高了煤矿井下监控分站的智能化水平等。随着电子技术、计算机软件和硬件技术的快速发
17、展，我们国家又相继推出KJ101、 KJF2000、KJG2000 等监测监控系统。同时在 “以风定产、先抽后采、监测监控”的方针及煤矿生产安全规程等有关规程的指导下，明确规定了我国所有瓦斯矿井必须安装煤矿监测监控系统。根据多年来的应用实践表明,煤矿安全生产监测监控系统对煤矿安全生产和管理起到了举足轻重的作用。事实证明，煤矿安全生产监测监控系统在煤矿的安全生产中是极其重要的应用。1.2 目前安全监测系统存在的主要问题煤矿安全监测监控系统满足了机械化采煤的需要，但这些系统存在着控制功能差、通用性差、性能价格比低等问题，这既不符合监测与控制并重、硬件通用、软件兼容、现场总线监控与多媒体技术应用的发
18、展趋势，又不满足煤炭高产、高效、安全生产的需要。这主要在如下几个方面：（1）目前的煤矿安全监测监控系统的监控软件大都仅停留在对被监测对象的实时采集、显示、存储、超限报警及控制设备起停的水平，而煤矿全矿区安全状况的综合监管和集中监控却难以实现。（2）现有的监测监控系统均没有将数据、图像、声音、文字等多种信息进行统一的3监测和传输，信息的利用率难以提高。（3）现有煤矿安全监测监控系统，井下监控分站大都采用各自的专用通信协议，使煤矿安全监测监控系统之间缺乏统一的物理层协议和通信协议标准,从而导致系统很难相互兼容，使系统的实用性和可靠性降低了，实时监控的要求难以满足。（4）现有煤矿安全监测监控系统，在
19、采集频率型传感器的信号时，大多采用周期测量法，即监测 1S 内的脉冲数量而计算得到信号的频率，但这种采集方法速度较慢。当一台井下智能分站负载多个频率型传感器时，如果某个传感器超限后，需要数秒才能被系统监测到，不符合 2S 内上传报警信号的要求。（5）现有煤矿安全监测监控系统，多用于对井下某一对象的监测控制（比如对井下环境参数的监测和设备起停状态的监控），而综合性的井下监控分站还比较少见。另外，由于缺乏统一标准，设备及其配件的互换性、系统扩展和升级能力均受到了限制。（6）现有煤矿安全监测监控系统均采用主从式传输。地面主站设备及主干电缆对这种传输方式的可靠性影响很大，存在信息传递的瓶颈问题，当地面
20、主站设备或主干电缆发生故障时会造成系统瘫痪。当该传输方式用于单一方面监控时（如带式输送、轨道运输、环境安全、供电系统等），一般不会出现传输瓶颈效应；当用于全矿井多方面综的合监控时，由于信息量的增加，信息传递的瓶颈效应必然会出现。瓶颈效应虽然可以通过提高传输速度的方法来避免或减少，但经过理论分析和试验表明：当系统采用矿用电缆，传输距离为 10km 时，最大传输速率为 800bps(在无中继条件下)。（7）现有传感器输出信号为模拟信号（频率型、电流型和电压型）和开关量信号，而采用模拟信号和开关量信号很难实现传感器及执行机构的电缆多路复用。1.3 煤矿安全生产监测监控系统的组成监控系统一般由中心站（
21、监控主机及外围设备）、监测监控软件、传输接口（或调制解调器）、避雷器（信号、动力电、网络等类型）、井下各种型号分站、井下供电动力电源和本安电源、各种类型模拟量传感器和开关量传感器、执行机构（声光报警、显示传输、断电控制设备）、稳压电源、UPS 电源、显示设备（模拟盘、投影仪、液晶屏、大屏幕、多屏幕、电视墙等）、网络设备、相关专用电缆等组成。监控系统基本组成结构如下图 1-1 所示：4图 1-1 井下各种分站图Fig. 1-1 Underground figure of various substation1.3.1 地面中心站 地面中心站能够实现各种监控数据的处理、显示、查询、存储、打印等功能
22、，另外，操作员发出的设备控制命令也是通过地面中心站完成的。环境监测。主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。生产监控。主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态参数，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器运行状态和参数等。中心站软件。具有测点定义功能；具有显示测量参数、数据报表、曲线显示、图形生成、数据存储、故障统计和报表、报告打印功能。其中，系统可实现局域网络连接功能，并采用国际通用的 TCP/IP 网络协议实现局域网络终端与中心站之间实时通信和实时数据查询等功能。
