礦山機(jī)電畢業(yè)論文（含外文翻譯）煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　DESIGN OF COAL MINE SAFETY PRODUCTION MONITORING SYSTEM</p><p>　

2、　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 礦山機(jī)電 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日

3、期 年 月 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 82 頁（其中：外文文獻(xiàn)及譯文 15 頁）圖紙共 2 張</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　煤炭是我們國家發(fā)展最主要的能源，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，同時(shí)我們國家也是當(dāng)今世界上最大的煤炭生產(chǎn)國之一，所以煤炭的安全生產(chǎn)

4、就顯得尤為重要，而在這過程中，煤礦的安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)就是煤礦安全生產(chǎn)的最重要的保障。</p><p>　　本論文主要研究設(shè)計(jì)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)的主要途徑。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括井上中心站設(shè)計(jì)和井下監(jiān)控分站設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是井下監(jiān)控分站的設(shè)計(jì)，有發(fā)數(shù)據(jù)輸入通道、控制輸出通道、鍵盤操作和液晶顯示模塊。本次設(shè)計(jì)采用8051單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)對(duì)輸入通道采集的開關(guān)量和模擬量信息進(jìn)行

5、分析處理后，經(jīng)輸出通道控制執(zhí)行器動(dòng)作。當(dāng)輸入信號(hào)超過預(yù)設(shè)定的報(bào)警值或斷電動(dòng)作值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警或斷電處理。鍵盤操作和液晶顯示則可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。這樣就可以構(gòu)成一個(gè)典型集中管理分散控制系統(tǒng)。</p><p>　　最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的分站可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、風(fēng)電瓦斯閉鎖、鍵盤操作和液晶顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，滿足煤礦井下井下安全生產(chǎn)的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞 ：監(jiān)測監(jiān)

6、控系統(tǒng)；中心站；監(jiān)控分站；安全</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Coal is the major energy of our country,occupies an important position in national economy,and our country is one of the world's

7、 largest producers of coal, therefore, the safety of coal production is particularly important, in this process, the coal mine safety monitoring system is the most important safeguards. </p><p>　　This thesis

8、 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 mon

9、itoring substation design.In this 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

10、 data input channel, output channel , keyboard an</p><p>　　Finally, the experimental verification of the designed sub-station can realize data acquisition, control output wind power gas locking, keyboard and

11、 LCD display and so on, Achieving real-time monitoring and control and meeting safety requirements of underground coal mine production. </p><p>　　Key words ：Monitoring system ；Central station；Monitoring sub-

12、station ；Safety</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.1 監(jiān)測系統(tǒng)歷史發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2

13、 我國目前監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2 目前安全監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題2</p><p>　　1.3 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的組成3</p><p>　　1.3.1 地面中心站4</p><p>　　1.3.2 井下分站 5</p><p>　　1.3.3 傳感器與控制器6</p&g

14、t;<p>　　1.4 安全監(jiān)測監(jiān)控的相關(guān)規(guī)定6</p><p>　　2 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案 8</p><p>　　2.1 煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)8</p><p>　　2.1.1 監(jiān)控主機(jī)9</p><p>　　2.1.2 礦用監(jiān)控系統(tǒng)傳感器9</p><p>　　2.1.3 監(jiān)控

15、分站10</p><p>　　2.1.4 礦用現(xiàn)場總線12</p><p>　　2.2 井下監(jiān)控分站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和目標(biāo) 14</p><p>　　2.3 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容15</p><p>　　3 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型16</p><p>　　3.1 井上監(jiān)控主站硬件選型1

16、6</p><p>　　3.1.1 地面監(jiān)控中心要求16</p><p>　　3.1.2 地面監(jiān)控中心設(shè)備配置17</p><p>　　3.2 井下監(jiān)控分站設(shè)備選型 18</p><p>　　3.2.1 單片機(jī)選型 18</p><p>　　3.2.2 傳感器選型22</p><p>

17、　　3.3 井下監(jiān)控分站硬件模塊設(shè)計(jì)31</p><p>　　3.3.1 主控制電路31</p><p>　　3.3.2 電源模塊32</p><p>　　3.3.3 傳感器開關(guān)量輸入通道模塊34</p><p>　　3.3.4 模擬量壓頻轉(zhuǎn)換模塊37</p><p>　　3.3.5 控制輸出模塊38<

18、;/p><p>　　3.3.6 撥碼地址模塊39</p><p>　　3.3.7 聲光報(bào)警模塊40</p><p>　　3.3.8 按鍵控制模塊40</p><p>　　3.3.9 液晶顯示電路41</p><p>　　3.4 礦用現(xiàn)場總線選型42</p><p>　　3.4.1 現(xiàn)場總線

19、分類及選型42</p><p>　　3.4.2 現(xiàn)場總線智能節(jié)點(diǎn)43</p><p>　　3.4.3 CAN總線通信建立過程44</p><p>　　4 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)45</p><p>　　4.1 井下分站系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)45</p><p>　　4.2 軟件抗干擾措施46</p>

20、;<p>　　4.3 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)48</p><p>　　4.3.1 軟件介紹48</p><p>　　4.3.2 新建工程49</p><p>　　4.4 監(jiān)控分站程序設(shè)計(jì)49</p><p>　　4.4.1 初始化軟件程序50</p><p>　　4.4.2 開關(guān)量輸入檢測程序51<

21、;/p><p>　　4.4.3 開關(guān)量輸出程序51</p><p>　　4.4.4 模擬量輸入檢測程序52</p><p>　　4.4.5 通訊程序53</p><p>　　4.4.6 顯示器程序54</p><p>　　4.4.7 撥碼開關(guān)程序54</p><p>　　4.4.8 CAN

22、總線智能節(jié)點(diǎn)程序55</p><p>　　5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析56</p><p>　　6 結(jié)論與展望57</p><p><b>　　6.1 結(jié)論57</b></p><p><b>　　6.2 展望57</b></p><p><b>　　致 謝59&l

23、t;/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)60</b></p><p><b>　　附錄A譯文62</b></p><p>　　附錄B外文文獻(xiàn) 70</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 煤礦安全生產(chǎn)

24、監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　煤炭產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而煤礦的安全生產(chǎn)是煤炭產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展的重要保證。在煤礦安全生產(chǎn)中，影響煤礦安全生產(chǎn)的因素有很多，歸結(jié)起來，主要包括：煤礦環(huán)境參數(shù)和用電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。無論環(huán)境參數(shù)或用電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)任何一個(gè)出現(xiàn)異常，都會(huì)影響到煤礦的安全生產(chǎn)。為了對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行有效地監(jiān)測和控制，需要采用煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要是

25、監(jiān)測甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、硫化氫濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、風(fēng)窗狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開停、主要通風(fēng)機(jī)開停、工作電流、工作電壓等，并實(shí)現(xiàn)甲烷超限聲光報(bào)警、斷電和甲烷風(fēng)電閉鎖控制等功能。</p><p>　　1.1.1 監(jiān)測系統(tǒng)歷史發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　煤礦最早關(guān)注的項(xiàng)目便是對(duì)煤礦井下的危險(xiǎn)源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。國外研制煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)始于

26、上世紀(jì)60年代,隨著信息和傳輸技術(shù)的進(jìn)步,至今己經(jīng)有四代產(chǎn)品。監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展階段根據(jù)信息傳輸方式的不同，可劃分:第一代為空分制傳輸方式,即用一對(duì)傳輸電纜來對(duì)一對(duì)測點(diǎn)之間的信息進(jìn)行傳輸,例如上世紀(jì)60年代法國的CTT63/40系統(tǒng);第二代為頻分制傳輸,即按頻率來劃分傳輸信道,傳輸電纜的芯線大大減少了,例如西德H+F公司研制的TF-20O系統(tǒng);分布式微處理器技術(shù)的應(yīng)用與時(shí)分制傳輸方式是第三代系統(tǒng)的主要標(biāo)志。由于時(shí)分制傳輸方式具有抗干擾能力強(qiáng)

27、和通信規(guī)格比較嚴(yán)格的特點(diǎn),使得煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展上了一個(gè)大臺(tái)階,英國的MINOS和美國的DAN640O系統(tǒng)是這一代的典型產(chǎn)品;第四代煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，隨著飛速發(fā)展的通信、網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化技術(shù),使得集成性、開放性和網(wǎng)絡(luò)化成為的主要特征，其典型產(chǎn)品有加拿大滲透里昂600型、KJ90、KJ66等系統(tǒng)。</p><p>　　自上世紀(jì)末以來,一些采煤國家綜合利用自動(dòng)化及機(jī)電一體化技術(shù),研發(fā)了煤礦井下綜合監(jiān)測

28、監(jiān)控系統(tǒng),使監(jiān)測、控制、通信融于一體,并且兼容多種專用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的功能,對(duì)煤礦井下環(huán)境參數(shù)和用電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測和控制。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦安全生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化和集約化,覆蓋煤礦井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)及其輔助環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.1.2 我國目前監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀</p><p>　　我國煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)起步較晚，始于20世紀(jì)80年代初期。20世紀(jì)80年代初，我國先后從美

29、國、英國、德國、法國和加拿大等國引進(jìn)了一批安全監(jiān)控系統(tǒng)（如美國的SCADA系統(tǒng)、英國的MINOS系統(tǒng)、德國的TF-200系統(tǒng)、法國的CTT63/40/μ系統(tǒng)、加拿大的森透里昂系統(tǒng)），裝備了部分煤礦并在我國煤炭行業(yè)中發(fā)揮了巨大作用。我國在引進(jìn)國外監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí)，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ14、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等監(jiān)控系統(tǒng)，并在我國煤礦

30、已大量使用。比如常州自動(dòng)化研究所研制的KJ2監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、北京航空部634所研制的KJ14系統(tǒng)等都于20世紀(jì)80年代末通過了鑒定。進(jìn)入上世紀(jì)90年代后,我國又一批具有世界先進(jìn)水平的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)研制出來了,如煤炭科學(xué)研究總院重慶分院設(shè)計(jì)的KJ90系統(tǒng)、上海嘉利礦山電子公司開發(fā)的KJ92系統(tǒng)、煤炭科學(xué)研究總院常州自動(dòng)化研究所的研發(fā)的KJ95系統(tǒng)等,其主要特點(diǎn)是將網(wǎng)絡(luò)連接的功能加入了進(jìn)去,進(jìn)一步提高了煤礦井下監(jiān)控分站的智能化水平等。</

31、p><p>　　隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，我們國家又相繼推出KJ101、KJF2000、KJG2000等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)在“以風(fēng)定產(chǎn)、先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控”的方針及煤礦生產(chǎn)安全規(guī)程等有關(guān)規(guī)程的指導(dǎo)下，明確規(guī)定了我國所有瓦斯礦井必須安裝煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)多年來的應(yīng)用實(shí)踐表明,煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和管理起到了舉足輕重的作用。事實(shí)證明，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)中是極

32、其重要的應(yīng)用。</p><p>　　1.2 目前安全監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題</p><p>　　煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)滿足了機(jī)械化采煤的需要，但這些系統(tǒng)存在著控制功能差、通用性差、性能價(jià)格比低等問題，這既不符合監(jiān)測與控制并重、硬件通用、軟件兼容、現(xiàn)場總線監(jiān)控與多媒體技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢，又不滿足煤炭高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的需要。這主要在如下幾個(gè)方面：</p><p>　　

33、（1）目前的煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件大都僅停留在對(duì)被監(jiān)測對(duì)象的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)、超限報(bào)警及控制設(shè)備起停的水平，而煤礦全礦區(qū)安全狀況的綜合監(jiān)管和集中監(jiān)控卻難以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　（2）現(xiàn)有的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)均沒有將數(shù)據(jù)、圖像、聲音、文字等多種信息進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)測和傳輸，信息的利用率難以提高。</p><p>　?。?）現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，井下監(jiān)控分站大都采用各自的專用通信協(xié)

34、議，使煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)之間缺乏統(tǒng)一的物理層協(xié)議和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),從而導(dǎo)致系統(tǒng)很難相互兼容，使系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性降低了，實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求難以滿足。</p><p>　?。?）現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，在采集頻率型傳感器的信號(hào)時(shí)，大多采用周期測量法，即監(jiān)測1S內(nèi)的脈沖數(shù)量而計(jì)算得到信號(hào)的頻率，但這種采集方法速度較慢。當(dāng)一臺(tái)井下智能分站負(fù)載多個(gè)頻率型傳感器時(shí)，如果某個(gè)傳感器超限后，需要數(shù)秒才能被系統(tǒng)監(jiān)測到，不符合2S

35、內(nèi)上傳報(bào)警信號(hào)的要求。</p><p>　?。?）現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，多用于對(duì)井下某一對(duì)象的監(jiān)測控制（比如對(duì)井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和設(shè)備起停狀態(tài)的監(jiān)控），而綜合性的井下監(jiān)控分站還比較少見。另外，由于缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備及其配件的互換性、系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)能力均受到了限制。</p><p>　?。?）現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)均采用主從式傳輸。地面主站設(shè)備及主干電纜對(duì)這種傳輸方式的可靠性影響很大，

36、存在信息傳遞的瓶頸問題，當(dāng)?shù)孛嬷髡驹O(shè)備或主干電纜發(fā)生故障時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓。當(dāng)該傳輸方式用于單一方面監(jiān)控時(shí)（如帶式輸送、軌道運(yùn)輸、環(huán)境安全、供電系統(tǒng)等），一般不會(huì)出現(xiàn)傳輸瓶頸效應(yīng)；當(dāng)用于全礦井多方面綜的合監(jiān)控時(shí)，由于信息量的增加，信息傳遞的瓶頸效應(yīng)必然會(huì)出現(xiàn)。瓶頸效應(yīng)雖然可以通過提高傳輸速度的方法來避免或減少，但經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)表明：當(dāng)系統(tǒng)采用礦用電纜，傳輸距離為10km時(shí)，最大傳輸速率為800bps(在無中繼條件下)。</p&g

37、t;<p>　?。?）現(xiàn)有傳感器輸出信號(hào)為模擬信號(hào)（頻率型、電流型和電壓型）和開關(guān)量信號(hào)，而采用模擬信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)很難實(shí)現(xiàn)傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電纜多路復(fù)用。</p><p>　　1.3 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的組成</p><p>　　監(jiān)控系統(tǒng)一般由中心站（監(jiān)控主機(jī)及外圍設(shè)備）、監(jiān)測監(jiān)控軟件、傳輸接口（或調(diào)制解調(diào)器）、避雷器（信號(hào)、動(dòng)力電、網(wǎng)絡(luò)等類型）、井下各種型號(hào)分站、井

38、下供電動(dòng)力電源和本安電源、各種類型模擬量傳感器和開關(guān)量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（聲光報(bào)警、顯示傳輸、斷電控制設(shè)備）、穩(wěn)壓電源、UPS電源、顯示設(shè)備（模擬盤、投影儀、液晶屏、大屏幕、多屏幕、電視墻等）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、相關(guān)專用電纜等組成。</p><p>　　監(jiān)控系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)如下圖1-1所示：</p><p>　　圖1-1 井下各種分站圖</p><p>　　Fig. 1-1

39、Underground figure of various substation</p><p>　　1.3.1 地面中心站 </p><p>　　地面中心站能夠?qū)崿F(xiàn)各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理、顯示、查詢、存儲(chǔ)、打印等功能，另外，操作員發(fā)出的設(shè)備控制命令也是通過地面中心站完成的。</p><p>　　環(huán)境監(jiān)測。主要監(jiān)測煤礦井下各種有毒有害氣體及工作面的作業(yè)條件，如

40、高濃度甲烷氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳、氧氣濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、巖煤溫度、頂板壓力、煙霧等。</p><p>　　生產(chǎn)監(jiān)控。主要監(jiān)控井上、下主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如煤倉煤位、水倉水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；水泵、提升機(jī)、局扇、主扇、膠帶機(jī)、采煤機(jī)、開關(guān)、磁力起動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等。</p><p>　　中心站軟件。具有測點(diǎn)定義功能；具有顯示測

41、量參數(shù)、數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線顯示、圖形生成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障統(tǒng)計(jì)和報(bào)表、報(bào)告打印功能。其中，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)連接功能，并采用國際通用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)終端與中心站之間實(shí)時(shí)通信和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢等功能。</p><p>　　1.3.2 井下分站 </p><p>　　1）盡管監(jiān)控系統(tǒng)的井下分站形式多樣，但基本都具備如下功能：</p><p>　?。?）開機(jī)自檢和

42、本機(jī)初始化功能。</p><p>　　（2）通信測試功能。</p><p>　?。?）分站具有自動(dòng)控制功能（實(shí)現(xiàn)斷電儀功能、風(fēng)電瓦斯閉鎖功能、瓦斯管道監(jiān)測功能和一般環(huán)境監(jiān)測功能等）。</p><p>　?。?）死機(jī)自復(fù)位功能，且可以通知中心站。</p><p>　?。?）接收地面中心站初始化本分站參數(shù)設(shè)置功能（如傳感器配節(jié)通道號(hào)、量程、斷電點(diǎn)

43、、報(bào)警上限和報(bào)警下限）。</p><p>　?。?）分站自動(dòng)識(shí)別配接傳感器類型（電壓型、電流型或頻率型等）。</p><p>　?。?）分站本身具備超限報(bào)警功能。</p><p>　?。?）分站接收中心站對(duì)本分站指定通道輸出控制繼電器實(shí)施手控操作功能和異地?cái)嚯姽δ堋?lt;/p><p>　　2）井下分站的功能技術(shù)指標(biāo)及要求:</p>

44、<p><b>　?。?）通信功能</b></p><p>　　根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，井下環(huán)境參數(shù)傳感器或監(jiān)控設(shè)備至井下監(jiān)控分站之間的最大傳輸距離應(yīng)不小于2Km；井下監(jiān)控分站與傳輸接口、分站與分站之間的最大傳輸距離應(yīng)不小于10Km。</p><p><b>　?。?）信號(hào)采集</b></p><p>　　輸出

45、型傳感器的頻率信號(hào)范圍為200-1000Hz，按照要求，井下監(jiān)控分站采集的頻率在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，正負(fù)脈沖寬度不小于0.3ms，高電平電壓不小于+3.0V，低電平電壓不大于+0.5V。頻率信號(hào)通常是用頻率計(jì)數(shù)方式來采集，即頻率通過采集某一時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來計(jì)算。這樣被測頻率量的誤差較大，并且當(dāng)頻率量的變化速度較快的時(shí)候，數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確及時(shí)地采集到。本設(shè)計(jì)中，傳感器輸入的頻率信號(hào)通過所選用的單片機(jī)中的可編程計(jì)數(shù)陣列來采集，這樣頻率量的采集速度大

46、大提高，保證了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。電流輸出型傳感器的輸出電流范圍應(yīng)為1mA~5mA或者4mA~20mA。</p><p><b>　　（3）控制功能</b></p><p>　　當(dāng)某一指標(biāo)超限且被傳感器檢測到時(shí)，井下分站實(shí)現(xiàn)超限斷電、風(fēng)電閉鎖、易燃易爆氣體的抽排設(shè)備的起停等功能，并將報(bào)警信號(hào)上傳給地面中心站，在時(shí)間上要求信號(hào)上傳時(shí)間和響應(yīng)控制命令的時(shí)間應(yīng)不大于2S

47、。</p><p>　　（4）顯示及存儲(chǔ)功能</p><p>　　井下監(jiān)控分站采用具有液晶顯示功能的顯示屏。井下分站對(duì)各個(gè)輸入通道進(jìn)行循環(huán)采集處理，并送入液晶顯示屏。為防止數(shù)據(jù)在某些特殊的情況下丟失，井下監(jiān)控分站具有斷電存儲(chǔ)的功能，并在系統(tǒng)復(fù)電后，能夠?qū)?shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。</p><p>　　1.3.3 傳感器與控制器</p><p>　　井

48、下各種環(huán)境參數(shù)、重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)需要用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)顯示信號(hào)或發(fā)出報(bào)警信號(hào)，再傳至地面中心站。目前，國內(nèi)生產(chǎn)和用于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器主要有瓦斯、一氧化碳、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煤倉煤位、水倉水位、電流和有功功率等模擬量傳感器，以及機(jī)電設(shè)備開停、機(jī)電設(shè)備饋電狀態(tài)、風(fēng)門開關(guān)狀態(tài)等傳感器。</p><p>　　煤礦井下使用的控制器主要是指各種規(guī)格的斷電儀，其主體是由繼電器構(gòu)成，該斷電儀的壽命長，

49、且可靠性高。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，將對(duì)主要的傳感器（如甲烷、一氧化碳、溫度、風(fēng)速、負(fù)壓、開關(guān)量、風(fēng)門開關(guān)狀態(tài)等傳感器）和控制器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。</p><p>　　1.4 安全監(jiān)測監(jiān)控的相關(guān)規(guī)定</p><p>　　根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中有關(guān)安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求，有以下規(guī)定：</p><p>　　第一百五十七條 煤礦企業(yè)應(yīng)建立安全儀

50、表計(jì)量檢驗(yàn)制度。</p><p>　　第一百五十七條 所有礦井必須裝備礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的安裝、使用和維護(hù)必須符合本規(guī)程和相關(guān)規(guī)定的要求。</p><p>　　第一百五十七條 采區(qū)設(shè)計(jì)、采掘作業(yè)規(guī)程和安全技術(shù)措施，必須對(duì)安全監(jiān)控設(shè)備的種類、數(shù)量和位置，信號(hào)電纜和電源電纜的敷設(shè)，控制區(qū)域等做出明確規(guī)定，并繪制布置圖。</p><p>　　第一百五十

51、七條 煤礦安全監(jiān)控設(shè)備之間必須使用專用阻燃電纜或光纜連接，嚴(yán)禁與調(diào)度電話電纜或動(dòng)力電纜等共用。</p><p>　　防爆型煤礦安全監(jiān)控設(shè)備之間的輸入、輸出信號(hào)必須為本質(zhì)安全型信號(hào)。</p><p>　　安全監(jiān)控設(shè)備必須具有故障閉鎖功能：當(dāng)與閉鎖控制有關(guān)的設(shè)備未投入正常運(yùn)行或故障時(shí)，必須切斷該監(jiān)控設(shè)備所監(jiān)控區(qū)域的全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源并閉鎖；當(dāng)與閉鎖控制有關(guān)的設(shè)備工作正常并穩(wěn)定運(yùn)行

52、后，自動(dòng)解鎖。</p><p>　　礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具備甲烷斷電儀和甲烷風(fēng)電閉鎖裝置的全部功能；當(dāng)主機(jī)或系統(tǒng)電纜發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)必須保證甲烷斷電儀和甲烷風(fēng)電閉鎖裝置的全部功能；當(dāng)電網(wǎng)停電后，系統(tǒng)必須保證正常工作時(shí)間不小于2h；系統(tǒng)必須具有防雷電保護(hù)；系統(tǒng)必須具有斷電儀狀態(tài)和饋電狀態(tài)監(jiān)測、報(bào)警、顯示、存儲(chǔ)和打印報(bào)表功能；中心站主機(jī)應(yīng)不小于2臺(tái)，1臺(tái)備用。</p><p>　　2 煤礦安全

53、生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案 </p><p>　　2.1 煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要采用主站（或中心站）、分站、傳感器（包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)）3層結(jié)構(gòu)，每一個(gè)傳感器采用一根電纜與分站相連，構(gòu)成星形結(jié)構(gòu)。分站與主站之間一般采用樹形結(jié)構(gòu)（或環(huán)形、星形結(jié)構(gòu)），分站與現(xiàn)場設(shè)備之間采用模擬信號(hào)傳輸。信號(hào)制式采用200~1000Hz頻率信號(hào)的模擬量，無電位觸點(diǎn)信號(hào)或0.5mA電流信

54、號(hào)的開關(guān)量。供電方式分為分站集中供電或傳感器就地供電，分站與井上主站之間采用異步數(shù)據(jù)通信方式。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成如圖2-1和圖2-2所示。</p><p>　　圖2-1 一般礦井的監(jiān)控系統(tǒng)圖 圖2-2 分站式現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)圖</p><p>　　Fig.2-1 General mine monitoring system diagram Fig.2-

55、2 Substation type field bus control system diagram</p><p>　　由上圖可以看出，主站、分站、傳感器這三者組成的是典型的集散控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)（DCS）是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，其核心思想是集中管理，分散控制，即管理與控制相分離。</p><p>　　圖2-1所示的系統(tǒng)存在傳輸電纜用量大、成本

56、高、可靠性差等問題，而且傳感器必須經(jīng)分站接入系統(tǒng)，存在信息傳遞的“瓶頸”問題，主站的可靠性將影響整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)主站發(fā)生故障時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓。圖2-2所示的分站式現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)，如采用CAN總線技術(shù)，既可以采用主從方式工作，也可以在無主方式下工作。當(dāng)以無主方式工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)均可在任何時(shí)刻主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，提高了系統(tǒng)的可靠性，克服了主從式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸瓶頸問題。</p><p>　　通過比較，在本設(shè)計(jì)

57、中，本人采用圖2-2所示的分站式現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.1 監(jiān)控主機(jī) </p><p>　　主機(jī)一般選用工控微型計(jì)算機(jī)或普通微型計(jì)算機(jī)、雙機(jī)或多機(jī)備份。</p><p>　　主機(jī)主要用來接收監(jiān)測信號(hào)、校正、報(bào)警判別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、磁盤存儲(chǔ)、顯示、聲光報(bào)警、人機(jī)對(duì)話、輸出控制、控制打印輸出、聯(lián)網(wǎng)等。 </p>

58、<p>　　2.1.2 礦用監(jiān)控系統(tǒng)傳感器 </p><p>　　礦井生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，需要利用各種傳感器，通過礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)這些工況參數(shù)實(shí)時(shí)有效地進(jìn)行監(jiān)測與控制，隨時(shí)掌控整個(gè)礦井安全生產(chǎn)的實(shí)時(shí)情況，實(shí)現(xiàn)有效調(diào)度和正確指揮。由于礦用傳感器工作條件特殊，所以在設(shè)計(jì)中要考慮各種抗干擾，各種預(yù)防性技術(shù)。對(duì)于井下傳感器輸出的開關(guān)量信號(hào)，我們可以通過隔離技術(shù)直接接入井下分站；而對(duì)于模擬量信號(hào)，因其傳輸

59、距離的衰減，各種電氣設(shè)備的干擾的，所以無法將其模擬量信號(hào)直接上傳到井下分站，所以在這里我們要對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。處理分為兩種方式，一種是通過圧頻轉(zhuǎn)換，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)上傳到井下分站，另一種是將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)制信號(hào)，通過CAN總線上傳到井下分站。</p><p>　　傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)處理電路3部分組成，有時(shí)需要加輔助電源，其組成原理如圖2-3所示。

60、 </p><p>　　圖2-3 傳感器工作原理框圖</p><p>　　Fig. 2-3 Sensor working principle diagram</p><p>　　2.1.3 監(jiān)控分站</p><p>　　監(jiān)控分站是煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，具有數(shù)據(jù)采集、控制輸出、液晶顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?/p>

61、。如圖2-4所示，控制器采用單串口的單片機(jī)控制，串口用來與地面計(jì)算機(jī)通信，開關(guān)量信號(hào)通過光耦隔離進(jìn)入單片機(jī)，模擬量信號(hào)經(jīng)過圧頻轉(zhuǎn)換以頻率信號(hào)輸入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)經(jīng)過判斷處理后，通過光耦隔離輸出4路開關(guān)量，輸出信號(hào)可以控制井下設(shè)備的開停等。8位撥碼開關(guān)用于設(shè)置該分站的地址。分站名稱、地址、輸入/輸出信號(hào)狀態(tài)通過液晶顯示。單片機(jī)自帶看門狗，增強(qiáng)穩(wěn)定性。</p><p>　　圖2-4 井下監(jiān)控分站原理框圖<

62、;/p><p>　　Fig.2-4 Underground monitoring principle diagram</p><p><b>　　1)監(jiān)控分站組成</b></p><p>　　監(jiān)控分站是由本質(zhì)安全型分站箱和隔爆兼本質(zhì)安全型電源箱兩部分組合而成。凡是非本安器件都安裝在隔爆箱內(nèi)，如電源變壓器、穩(wěn)壓電源板、斷電控制用的繼電器，備用電池組以

63、及供給傳感器直流工作電源的穩(wěn)壓板等。本質(zhì)安全型分站箱內(nèi)安裝微處理器及其接口電路。它們的工作電源來自隔爆兼本質(zhì)安全型電源箱內(nèi)的本安型穩(wěn)壓直流電源。</p><p>　　監(jiān)控分站一般由模擬輸入接口，開關(guān)量輸入接口、開關(guān)量輸出接口、數(shù)字串口（部分分站沒有）、累計(jì)量輸入接口（部分分站沒有）、模擬量輸出接口（部分分站沒有）、系統(tǒng)接口、信息處理與存儲(chǔ)單元、顯示單元、報(bào)警單元（部分分站沒有）、遙控單元、穩(wěn)壓單元等組成，如圖2-

64、5所示。</p><p>　　圖2-5 監(jiān)控分站組成框圖</p><p>　　Fig.2-5 Monitoring substation composition block diagram</p><p>　　2）監(jiān)控分站數(shù)據(jù)采集</p><p>　　模擬量輸入接口通常由用于本安防爆隔離和抗干擾隔離的光電耦合器、頻率/數(shù)字（F/D）轉(zhuǎn)換器和濾

65、波器等電路組成。若模擬量輸入為電流型或電壓型，除具有上述電路外，還具有電壓/頻率（V/F）或電流/頻率（I/F）轉(zhuǎn)換器，當(dāng)然，也可以采用光電隔離的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。部分分站的模擬量輸入口也可以用作開關(guān)量輸入。如下圖2-6是模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖，主要由輸入接口電路、多路采樣開關(guān)、數(shù)據(jù)放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等組成。</p><p>　　圖2-6 模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖</p><p&

66、gt;　　Fig.2-6 Analog input channel structure</p><p>　　開關(guān)量輸入接口通常由用于本安防爆隔離和抗干擾隔離的光電耦合器和濾波器等電路組成，將設(shè)備開停等開關(guān)量傳感器輸出的開關(guān)量信號(hào)經(jīng)隔離后送至信息處理與存儲(chǔ)單元。如下圖2-7是開關(guān)量采集電路原理圖，主要由光電耦合器、整形電路等組成。開關(guān)量輸入信號(hào)經(jīng)過光電耦合開入電路直接與開停狀態(tài)檢測傳感器相接，將接收到的電流信號(hào)或觸

67、點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)光電隔離、整形轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)。開停狀態(tài)信息經(jīng)數(shù)據(jù)總線送單片機(jī)處理。</p><p>　　圖2-7 開關(guān)量采集電路原理圖</p><p>　　Fig.2-7 Switch signal gathering circuit principle diagram</p><p>　　開關(guān)量的采集是通過接口電路的位測量操作來實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)開關(guān)量輸入對(duì)應(yīng)一位

68、數(shù)據(jù)線，單片機(jī)掃描位狀態(tài)是否發(fā)生了變化，判斷各路被測開關(guān)的“合”、“分”狀況或設(shè)備開停狀態(tài)。當(dāng)被檢測的開關(guān)量多于8路時(shí)，可在輸入接口電路設(shè)置多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展。</p><p>　　2.1.4 礦用現(xiàn)場總線</p><p>　　現(xiàn)場總線是一種開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，是綜合運(yùn)用微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)物?，F(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不僅引起測控

69、及過程自動(dòng)化領(lǐng)域的變革，同時(shí)也給煤礦監(jiān)控技術(shù)的跨越式發(fā)展帶來了新機(jī)遇。</p><p>　　1）現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)</p><p>　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控及控管一體化功能?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）現(xiàn)場通信

70、網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　?。?）開放性。系統(tǒng)各層之間通信協(xié)議公開。</p><p>　?。?）互可操作性與互換性。</p><p>　　（4）現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。</p><p>　　（5）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。采用集散控制系統(tǒng)。</p><p>　?。?）本安設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備滿足本質(zhì)安全防爆要求。</

71、p><p>　?。?）多種傳輸介質(zhì)。可以支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線通信、電力線等。</p><p><b>　　2）現(xiàn)場總線的優(yōu)勢</b></p><p>　　由于現(xiàn)場總線的上述特點(diǎn)，特別是總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝及其檢修維護(hù)、都體現(xiàn)出優(yōu)越性。</p><p>　　（1）節(jié)省硬件數(shù)量與投資。</

72、p><p>　?。?）節(jié)省安裝費(fèi)用。</p><p>　　（3）節(jié)省維護(hù)開銷。</p><p>　　（4）用戶具有系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。</p><p>　　（5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。</p><p>　　3）礦井對(duì)現(xiàn)場總線的要求</p><p>　　礦井特殊主要體現(xiàn)在電氣防爆要求、遠(yuǎn)程傳輸、總線

73、供電及節(jié)點(diǎn)容量大等方面，因此對(duì)井下現(xiàn)場總線的基本要求如下：</p><p>　?。?）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。井下網(wǎng)絡(luò)以兩級(jí)較為適宜，即一級(jí)高速主干網(wǎng)下接一級(jí)低速現(xiàn)場總線網(wǎng)。</p><p>　?。?）傳輸距離。根據(jù)礦井巷道要求主干網(wǎng)傳輸距離應(yīng)大于10km，設(shè)備級(jí)現(xiàn)場總線的傳輸距離應(yīng)達(dá)1~2km。</p><p>　?。?）響應(yīng)時(shí)間。礦井監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象一般變化緩慢，對(duì)系統(tǒng)的傳

74、輸速率要求不高。對(duì)安全監(jiān)控，考慮到瓦斯突出礦井的要求，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在1s以內(nèi)；對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)在數(shù)十毫秒數(shù)量級(jí)。</p><p>　?。?）抗干擾能力和對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力。礦井的電磁干擾較強(qiáng)，溫濕度環(huán)境差。因總線距離長，加在收發(fā)器上的共模電壓較高，現(xiàn)場總線設(shè)備應(yīng)滿足使用要求。</p><p>　?。?）軟硬件支持和開發(fā)難度。選用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有完善的軟硬件支持。</p><

75、;p>　?。?）本安與供電方式。監(jiān)控系統(tǒng)必須滿足本質(zhì)安全防爆要求?，F(xiàn)場總線本安供電可以采取兩種方式：一是總線供電，即2線制，信號(hào)與電源共線傳輸；二是共纜供電，即4線制，信號(hào)與電源各用一對(duì)線。</p><p>　?。?）多種通信介質(zhì)?？梢圆捎秒p絞線、同軸共纜等，也可采用光纖，以適應(yīng)多媒體綜合監(jiān)控和綜合數(shù)字化業(yè)務(wù)網(wǎng)的需要，還可以采用無線傳輸，以滿足移動(dòng)設(shè)備及便攜式儀器的接入。</p><p&

76、gt;　?。?）煤礦行業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備除符合本質(zhì)安全要求外，還要遵循國家規(guī)定的煤礦行業(yè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　4）礦井應(yīng)用現(xiàn)場總線的意義</p><p>　　現(xiàn)代礦井建設(shè)是以數(shù)字化、信息化和綜合自動(dòng)化為特征。在煤礦系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線可以為構(gòu)建現(xiàn)代化礦井提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。現(xiàn)場總線具有全數(shù)字化、可靠通信及本質(zhì)安全等特點(diǎn)，并且使用具有微處理器和通信能力的智能儀表，使現(xiàn)場生產(chǎn)一線設(shè)備具有

77、智能化、高精度、故障自診斷、報(bào)警等功能，是解決礦井問題的有效途徑。現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，必將使傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生劃時(shí)代的變革。</p><p>　　2.2 井下監(jiān)控分站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和目標(biāo) </p><p>　　本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中，在井下實(shí)時(shí)接收傳感器的信息，能夠進(jìn)行分析處理并顯示的井下監(jiān)控分站裝置。當(dāng)某種參數(shù)超過一定界限時(shí)可以進(jìn)行聲光報(bào)警提醒

78、，當(dāng)該參數(shù)進(jìn)一步升高時(shí)進(jìn)行斷電處理，例如瓦斯閉鎖等動(dòng)作。</p><p><b>　　實(shí)現(xiàn)如下功能：</b></p><p>　?。?）該監(jiān)控分站體積小巧、靈活；</p><p>　?。?）該監(jiān)控分站具有數(shù)據(jù)采集功能，并且能夠兼容模擬量（頻率信號(hào)200~1000Hz）和開關(guān)量信號(hào)（開停兩態(tài)信號(hào)）輸入，并且應(yīng)該具有光電隔離功能；</p>

79、;<p>　?。?）該監(jiān)控分站要有控制輸出的功能，能夠?qū)蠖嗽O(shè)備起到遠(yuǎn)程開?？刂频淖饔?；</p><p>　?。?）該監(jiān)控分站可進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，要求具備鍵盤輸入、液晶顯示等功能；</p><p>　　（5）該監(jiān)控分站應(yīng)考慮到井下復(fù)雜的電磁環(huán)境，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到電磁屏蔽以及各輸入輸出通道的抗干擾措施；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中遵循可靠性、快

80、速性、準(zhǔn)確性等原則，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的順利完成并為以后的需求設(shè)計(jì)提供盡可能大的拓展空間。</p><p>　　2.3 煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　此系統(tǒng)是一種集散控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)煤礦對(duì)于集中管理、分散控制的要求，分為井下分站與地面中心兩級(jí)管理系統(tǒng)，如圖1-1所示。該設(shè)計(jì)的完成，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了重要保證。此次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：</p>

81、<p>　　1）介紹煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展及存在的問題。</p><p>　　2）系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。主要詳細(xì)介紹監(jiān)控系統(tǒng)的組成。</p><p>　　3）對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和選型。</p><p>　　a. 井上監(jiān)控主站硬件選型設(shè)計(jì)，包括主站設(shè)計(jì)及要求；</p><p>　　b. 井下監(jiān)控分站設(shè)備選型設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)的選型、

82、傳感器的選型與各種模塊的設(shè)計(jì)；</p><p>　　c. 礦用現(xiàn)場總線的選型設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。</b></p><p>　　3 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型</p><p>　　3.1 井上監(jiān)控主站硬件選型</p><p>　　地面監(jiān)控中心設(shè)備是保證地面中心站設(shè)備

83、長期穩(wěn)定運(yùn)行的首要條件，必須符合國標(biāo)GB2887-82“計(jì)算站場地技術(shù)要求”，特別是在動(dòng)力配電、恒溫、恒濕、防塵、防靜電、防雷擊等方面，均需根據(jù)現(xiàn)場條件準(zhǔn)確、合理地設(shè)計(jì)，精心地施工?，F(xiàn)遵照國標(biāo)GB2887-82的規(guī)定，擬訂以下具體技術(shù)要求：</p><p>　　3.1.1 地面監(jiān)控中心要求</p><p><b>　　1）動(dòng)力供電</b></p><

84、;p>　?、俑鶕?jù)國標(biāo)第九節(jié)，按C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即220V±10%，50HZ±2%，波形失真率≤20%。</p><p>　　②機(jī)房電源應(yīng)設(shè)雙路兩級(jí)穩(wěn)壓供電，第二級(jí)為UPS不間斷供電電源，它的輸出供中心站主機(jī)，每臺(tái)UPS功率應(yīng)為1KVA以上，交流斷電時(shí)，即刻由備用電源供電至少2小時(shí)以上，并發(fā)出警報(bào)信號(hào)。任何情況下，均不允許突然切斷地面中心站主機(jī)的供電電源。</p><p>

85、;　?、墼O(shè)計(jì)人員必須實(shí)際調(diào)查，實(shí)測動(dòng)力電源波動(dòng)范圍和動(dòng)力電質(zhì)量，從而確定要否采取更為嚴(yán)格的隔離措施、調(diào)壓措施等。</p><p>　?、軝C(jī)房內(nèi)應(yīng)設(shè)置專用配電柜，UPS輸出，穩(wěn)壓器輸出均由配電柜引出，照明用電按國標(biāo)第十節(jié)規(guī)定執(zhí)行。</p><p>　?、菖鋫渑c地面中心站相兼容的電源插座，其接線應(yīng)符合國家規(guī)定的機(jī)電標(biāo)準(zhǔn)（對(duì)于插座，右插孔為火線，左插孔為零線，上端插孔為地線）。</p>

86、;<p><b>　　2）接地</b></p><p>　　應(yīng)為地面中心站機(jī)房提供三條地線：</p><p>　　為系統(tǒng)工作地線，要求接地電阻≤4歐姆，接動(dòng)力電源的輸出零線；第二條為系統(tǒng)邏輯地線，要求接地電阻≤2歐姆，接動(dòng)力電源的輸出地線。零線與地線之間的電阻應(yīng)＜0.5歐姆。第三條為防雷保護(hù)地線，防雷保護(hù)地線的接地電阻應(yīng)≤10歐姆，并遠(yuǎn)離上述兩條地線，避

87、免雷擊損壞地面監(jiān)控中心設(shè)備。</p><p>　　注：接地極應(yīng)選擇不小于0.5㎡、5mm以上厚的銅板，深埋于2m以下的地中，引出≥1mm2銅線做母線，以保證接地極的可靠功用。</p><p><b>　　3）恒溫、恒濕要求</b></p><p>　　機(jī)房內(nèi)環(huán)境條件按國標(biāo)第六節(jié)，開機(jī)時(shí)溫度、濕度要求為A級(jí)，停機(jī)時(shí)溫度、濕度要求為B級(jí)。</

88、p><p><b>　　4）防塵要求</b></p><p>　　要求機(jī)房密封，無灰塵，達(dá)到B級(jí)。新風(fēng)需經(jīng)過濾后送進(jìn)機(jī)房內(nèi)。</p><p><b>　　5）電磁場干擾</b></p><p>　　采用防靜電地板。機(jī)房內(nèi)無線電干擾場強(qiáng)在0.15MHZ～500MHZ時(shí)應(yīng)≯126db；磁場干擾場強(qiáng)≯800A

89、/M（參考國標(biāo)第六節(jié)）。</p><p>　　6）機(jī)房面積大于30平方米，距離礦調(diào)度室比較近（便于協(xié)調(diào)礦有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)指揮調(diào)度），離井口又不遠(yuǎn)（節(jié)省通信電纜）；機(jī)房附近無腐蝕性物質(zhì)。</p><p>　　7）要求礦方選派若干名具有高中及以上文化程度并經(jīng)考試的操作人員接受培訓(xùn)。系統(tǒng)應(yīng)配備的專業(yè)技術(shù)人員有：計(jì)算機(jī)軟件，硬件技術(shù)人員各一名，井下分站微型機(jī)技術(shù)人員一名，井下電路技術(shù)人員一名，井下通風(fēng)技術(shù)

90、人員一名。根據(jù)系統(tǒng)配置大小，可在此基礎(chǔ)上增加技術(shù)力量。</p><p>　　3.1.2 地面監(jiān)控中心設(shè)備配置</p><p>　?。?）根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，地面監(jiān)控中心須配置2臺(tái)工控機(jī)，一臺(tái)工作一臺(tái)備用。計(jì)算機(jī)配置為主頻2.0G以上、硬盤40G、內(nèi)存256M、17寸彩色監(jiān)視器?？紤]到公司下一步聯(lián)網(wǎng)需要，中心站計(jì)算機(jī)還須配置10/100M局域網(wǎng)網(wǎng)卡1塊。</p><

91、p>　?。?）為滿足數(shù)據(jù)報(bào)表、統(tǒng)計(jì)、分析和管理的要求，地面監(jiān)控中心須配置1臺(tái)打印機(jī)。</p><p>　?。?）為實(shí)現(xiàn)地面中心站主機(jī)對(duì)瓦斯超限的報(bào)警功能，地面監(jiān)控中心須配置1塊聲卡和1對(duì)音箱，以便實(shí)現(xiàn)智能語音報(bào)警提示功能。</p><p>　?。?）為實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)與井下分站之間本安電路與非本安電路的隔離和信號(hào)的轉(zhuǎn)換，須配置2臺(tái)通信接口裝置，其中1臺(tái)工作1臺(tái)備用。</p

92、><p>　?。?）為避免地面通信線路雷擊，計(jì)算機(jī)房配備1臺(tái)線路防雷擊保護(hù)裝置，井口配備1臺(tái)路防雷擊保護(hù)裝置，防止雷擊通過通訊線路進(jìn)入井下造成危險(xiǎn)。</p><p>　?。?）為保證監(jiān)控主機(jī)的正常運(yùn)行，保證電源的質(zhì)量并滿足交流斷電后系統(tǒng)能繼續(xù)工作2小時(shí)以上的時(shí)間，配置UPS不間斷電源1臺(tái)，交流凈化穩(wěn)壓電源1臺(tái)。</p><p>　　3.2 井下監(jiān)控分站設(shè)備選型 <

93、/p><p>　　3.2.1 單片機(jī)選型 </p><p>　　單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。<

94、;/p><p>　　單片機(jī)與PLC相比較，單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：高集成度，體積小，高可靠性；控制功能強(qiáng)；低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；易擴(kuò)展；優(yōu)越的性能價(jià)格比。所以，本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列的8051單片機(jī)。在HMOS技術(shù)大發(fā)展的背景下，Intel公司在MCS-48系列的基礎(chǔ)上MCS-51 系列單片機(jī)，于1980年推出了8位MCS-51系列單片機(jī)。它與以前的機(jī)型相比，功能增強(qiáng)了許多，就其指令和運(yùn)行速度而言，超過

95、了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成為工業(yè)控制系統(tǒng)中較為理想的機(jī)種。較早的MCS-51典型時(shí)鐘為12MHz，而目前與MCS-51單片機(jī)兼容的一些單片機(jī)的時(shí)鐘頻率達(dá)到40MHz甚至更高，現(xiàn)在已有400MHz的單片機(jī)問世。</p><p>　　51系列單片機(jī)的特點(diǎn)：</p><p><b>　　-8位CPU；</b></p><p>　

96、　-片內(nèi)帶振蕩器，頻率范圍為1.2MHz~12MHz；</p><p>　　-片內(nèi)帶128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； </p><p>　　-片內(nèi)帶4KB的程序存儲(chǔ)器；</p><p>　　-程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64KB；</p><p>　　-片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間為64KB；</p><p>　

97、　-128個(gè)用戶位尋址空間；</p><p>　　-21個(gè)字節(jié)特殊功能寄存器；</p><p>　　-4個(gè)8位的I/O并行接口：P0、P1、P2、P3；</p><p>　　-兩個(gè)16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器；</p><p>　　-兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別的五個(gè)中斷源；</p><p>　　-一個(gè)全雙工的串行I/O接口，可多機(jī)通信；<

98、;/p><p>　　-111條指令，包含乘法指令和除法指令；</p><p>　　-片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)；</p><p>　　-有較強(qiáng)的位處理能力；</p><p>　　-采用單一+5V電源。</p><p>　　8051單片機(jī)引腳及功能如下圖3-1和3-2所示。 </p><p>　　圖3-1 M

99、CS-51單片機(jī)引腳圖 圖3-2 MCS-51單片機(jī)引腳功能圖</p><p>　　Fig.3-1 MCS - 51 single chip pins Fig.3-2 MCS - 51 Single chip pin function diagram</p><p>　　P0口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.

100、0～P0.7。P0口是一個(gè)漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載，對(duì)端口P0寫入 每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)寫入“1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。</p><p>　　P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7。P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或者輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。</p><p>　　

101、P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7。P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫入1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。</p><p>　　P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.7。P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的

102、輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫入1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。</p><p>　　RST/VPD（9引腳）：具有復(fù)位功能。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效，用來完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST引腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。</p><p>　　EA/VPP（31引腳）：外部訪問允許/編程電源輸入端

103、。</p><p>　　ALE/PROG（30引腳）：地址鎖存使能輸出/編程脈沖輸入端。</p><p>　　PSEN（29引腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。</p><p>　　XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。</p><p>　　XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸出

104、端。</p><p>　　VCC（40引腳）：電源電壓+5V。</p><p>　　VSS（20引腳）：接地。</p><p>　　圖3-3為MCS-51單片機(jī)主要功能部件結(jié)構(gòu)圖。 </p><p>　　圖3-3 MCS-51單片機(jī)主要功能部件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig.3-3 The main functio

105、n of MCS-51 single chip component structure diagram</p><p>　　本設(shè)計(jì)所采用的主控制芯片是MCS-51系列的8051。在8051片內(nèi)存儲(chǔ)器中，80H～FFH共128個(gè)單元位特殊功能寄存器（SFR），并非所有的地址都被定義。如從80H～FFH共128個(gè)字節(jié)中只有一部分被定義，還有相當(dāng)一部分沒有定義。對(duì)沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入

106、的數(shù)據(jù)也將丟失。</p><p><b>　　（1）復(fù)位操作</b></p><p>　　復(fù)位是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化的操作。其主要是把單片機(jī)初始化為0000H，從而可以使單片機(jī)執(zhí)行程序從0000H單元開始。</p><p><b>　　（2）時(shí)鐘電路</b></p><p>　　8051內(nèi)部自帶一個(gè)用

107、來構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD分別是此 放大器的輸入端和輸出端。時(shí)鐘有兩種產(chǎn)生方式，分別為內(nèi)部方式產(chǎn)生和外部方式產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)所采用的是內(nèi)部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式產(chǎn)生的時(shí)鐘電路，只需要在引腳RXD和TXD上接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就可以產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用電容和石英晶體組成的并聯(lián)諧振回路。</p><p>　?。?）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p>　　程序設(shè)計(jì)需要完成

108、對(duì)頻率信號(hào)的采集，需要設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)的值。寄存器TMOD用于設(shè)定定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式。它不能按位尋址，其內(nèi)容只能用字節(jié)傳送指令來設(shè)置。TMOD定時(shí)器工作方式控制寄存器如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 TMOD定時(shí)器工作方式控制寄存器</p><p>　　Tab.3-1 Control register TMOD timer mode</p><p&g

109、t;　　定時(shí)器T1 定時(shí)器T0</p><p>　　說明：高4位用于定時(shí)器T1的工作方式控制，低4位用于定時(shí)器T0的工作方式控制。</p><p>　　GATE：門控制位。當(dāng)GATE=0時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的運(yùn)行不受外部輸入引腳的控制；當(dāng)GATE=1時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的運(yùn)行受外部引腳輸入電平的控制。因此前者為內(nèi)部控制，后者為外部控制。</p

110、><p>　　C/T：定時(shí)方式或計(jì)數(shù)方式選擇位。當(dāng)C/T=1時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為計(jì)數(shù)方式，計(jì)數(shù)脈沖從外部引腳輸入（T0為P3.4，T1為P3.5）；當(dāng)C/T=0時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為定時(shí)方式，計(jì)數(shù)脈沖是內(nèi)部脈沖，其計(jì)數(shù)脈沖的周期等于機(jī)器周期。</p><p>　　M1、M0：工作方式選擇位。定時(shí)/計(jì)數(shù)方式選擇說明如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 定時(shí)/計(jì)數(shù)方

111、式選擇說明</p><p>　　Tab.3-2 For timer / counter mode description</p><p>　　3.2.2 傳感器選型</p><p><b>　　1）甲烷傳感器</b></p><p>　　（1）選用KGJ7C型甲烷傳感器，KGJ7C型甲烷傳感器是一種用于連續(xù)檢測煤礦井下甲

112、烷氣體含量的儀器，它具有自動(dòng)非線性補(bǔ)償、遙控調(diào)校和甲烷超限斷電的功能，具有穩(wěn)定可靠、精度高、使用方便的特點(diǎn)，可與國內(nèi)各類型監(jiān)測系統(tǒng)及斷電儀、風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置配套，適宜在煤礦采掘工作面、機(jī)電硐室、回風(fēng)巷等固定地點(diǎn)使用。</p><p><b>　?。?）主要特點(diǎn):</b></p><p>　?、倏捎眠b控器完成所有調(diào)校功能，并實(shí)現(xiàn)不開蓋調(diào)節(jié)。遙控器具有鎖定功能，可防止誤操