2023年矿井安全监测系统研究便携式瓦斯智能监测系统设计.doc

能源工业是国家经济开展的命脉，近年来，随着石油资源的紧张和油价格的飙升，煤炭行业的重要地位和不可替代性也日益显然。但是我国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观，尤其是重特大伤亡事故屡见报端。其中瓦斯爆炸又占绝大多数。 矿井中瓦斯浓度的监测，直接关系到煤矿的安全生产和广阔的矿工的生命安全。本文AT89S52单片机为根底，设计便携式瓦斯智能监测系统，采用气体传感器测量数据，并对采集到的数据进行分析，然后结合采集的数据进行声光报警等处理，以提醒工人进行必要的防护工作。介绍了此次设计的核心部件，阐述了电路设计及具体的程序流程设计。 关键词：传感器；AT89S52；瓦斯智能监测系统 Abstract Energy industry is the vitals of our couuntry’s economy development. In recent years, in company with petroleum resources shortage,petroleum prices grow rapidly. The important and unsubstitutability of coal industry increase everyday. But Chinese coal industry safety in production refuse optimism, as serious casualty repeatedly appeared in the newspaper. Gas explosion occupy the most part of those accident. Mine gas concentration monitoring, is directly related to the safety of coal production and the majority of the lives and safety of miners. The dissertation designed portable intelligent monitoring system for gas based on AT89S52, which measured data using gas sensor, and analysed the collected data. Light-emitting diodes and trumpets were used to give the alarm based on the collected data, whose purpose is to remind works to adopt needful protective measures. Introduced the main components of the above design, circuit design and detailed process design were also proposed in the paper. Key words: sensor;AT89S52; intelligent monitoring system for gas 1 绪论 矿井安全监测系统，指具有模拟量、开关量、累计采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能，用于监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速、风压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制，由主机、传输接口、分站、传感器、断电控制器、声光报警、电源箱、避雷器等设备组成的系统。 1.1 国内外矿井安全监测监控技术的开展 国外煤矿监测监控技术是20世纪60年代开始开展起来的，至今已经有四代产品，根本上5-10年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输发生的进步来划分监控系统开展阶段的。 第一代煤矿监测系统采用空分制来传输信息。60年代中期英国煤矿的运输机控制，日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术。波兰在70年代从法国引进技术推出了可测瓦斯、CO、风速、温度等参数共128个测点的CMC-1系统。 煤矿监测技术的第二代产品的主要技术特征是信道频分制技术的应用。由于采用频分制，传输信道的电缆芯数大大减少，很快就取代了空分制系统。其中最具代表性且至今仍有影响的是西德Siemens公司的T系统和F+H公司的TF20系统。 频分制的应用，体现了以晶体管电路为主的信息传输技术的开展，而集成电路的出现推动了时分制系统的开展，从而产生以时分制为根底的第三代煤矿监测系统，其中开展较快的是英国。1976年，英国煤矿研究院推出轰动一时的以时分制为根底的MINO煤矿监测系统，并在胶带输送、井下环境监测、供电供水监测和洗煤厂监测等方面取得成功，形成了全矿井监测监控系统。这一系统的成功应用，开创了煤矿自动化技术和煤矿监测监控技术的开展的新局面。 到了80年代，美国以其拥有的雄厚的高新技术优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新技术用于煤矿监测系统，这就形成了以分布式微处理机为根底的第四代煤矿监测系统，其中有代表性的是美国MSA公司DAN640系统，其信息产生方式虽然仍是时分制范畴，但用原来的一般时分制的概念已缺乏反映这一高新技术的特点。 至今PLC和组态软件的广泛应用为煤矿监测系统的开展带来了更为便捷的开发手段，软硬件的可靠性大大提高。 1.2 矿井安全监测系统在我国的开展应用 我国监测技术应用较晚，20世纪80年代初，原煤炭部组织了对国外煤矿监控技术进行大规模的考察和引进工作，大大促进了国内监控技术的开展。先后从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了局部煤矿；在引进的同时，通过消化吸收并结合我国煤矿的实际情况，研制出KJ2、KJ4等系统并通过了鉴定，90年代以来，紧跟世界监测监控系统的开展潮流，我国又研制开发出了一批具有世界先进水平的监控系统，如煤炭科学研究院重庆分院的KJ90系统、煤炭科学研究总院常州自动化研究所的KJ95系统等，其主要特点是：测控分站的智能化水平进一步提高，具有网络连接功能，系统软件采用了Windows操作系统。 综合评价我国现有煤矿监测监控系统及配套传感器等设备的现场应用效果，煤炭科学研究总院重庆分院的JK90、天地科技股份公司常州自动化分公司的KJ95、煤炭科学院研究总院抚顺分院的KJF2023和北京瑞赛公司的KJ4、KJ2023等系统无论在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术效劳能力、企业性质和生产规模等方面根本代表了我国煤矿监测监控系统的技术水平。 1.3 我国矿井安全监测系统的开展趋势： 我国煤矿监测监控系统的开展趋势包括以下五个方面： 〔1〕在软件技术上应研究开发能根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家解决方案，在事故情况下，指示最正确救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材提供决策。同时系统软件应向网络化开展，按统一的格式向外提供监测数据。 〔2〕开展覆盖面更广，监测监控参数更多的软硬件系统，为实现煤矿生产综合自动化奠定良好根底，是我国煤矿监测监控系统的开展任务之一。 〔3〕研制高可靠性、品种齐全的矿用传感器。在研制新型传感器时应高起点、高智能化，应充分利用微处理器的优点，做到自诊断、自校正、自调零、配置标准远传接口，统一传感器的输出信号制，以提高传输的可靠性、数据出来的简单性和传感器的互换性。开展配置齐全、高可靠性的矿用传感器是监控系统开展的关键技术之一。 〔4〕合理的标准通信协议。 〔5〕实现全面化的网络管理。今后的开展趋势是各生产矿井与矿务局、各矿务局与本省乃至全国煤矿系统构成统一完整、功能先进的计算机网络系统，真正实现更大范围的煤矿资源共享。 2 矿井安全监测系统的组成和分类 早期的矿井安全监测监控系统主要由传感器、断电仪、载波机、传输线、解调器、计算机、调度显示盘等组成。随着计算机技术、网络技术、微电子技术的不断开展，目前矿井安全生产监测监控系统主要又监测监控终端、地面中心站、通信接口装置、井下分站、各种传感器等组成。其典型结构如图2.1所示。 图2.1系统结构图 2.1 矿井安全监测系统组成 矿井安全监测系统的主要组成局部可分为地面中心站、井下分站以及传感器和控制器。 2.1.1 地面中心站 地面中心站能够实现各种监测数据的处理、显示、查询、储存、打印等功能，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。 生产参数的监测主要是指监控井上、井下主要生产环节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、局部通风机、带式输送机、采煤机、开关、磁力启动器等的运行状态和参数等。 环境参数的监测主要是指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、一氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、井下空气温度、煤岩温度、顶板压力、烟雾等。同时地面中心站也有显示测量参数、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。其中局部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中断与中心站之间的实时和实时数据查询等功能。 2.1.1 井下分站 尽管监测系统的井下分站形式多样，但根本上都具备如下功能： 〔1〕开机自检和本机初始化功能； 〔2〕通信测试功能； 〔3〕分站具有自动控制功能〔实现断电仪功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管道监测功能和一般的环境监测功能等〕； 〔4〕死机自复位功能，且可以通知中心站； 〔5〕接收地面中心站初始化本分站参数设置功能〔如传感器配接通道号、量程、断电点、报警上限和报警下限等〕； 〔6〕分站自动识别配接传感器类型〔电压型、电流型或频率型等〕； 〔7〕分站自身具备超限报警功能； 〔8〕分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作功能和异地断电功能。 2.1.3 传感器与控制器 传感器的稳定性和可靠性是矿井监测系统能正确反映被测环境和设备参数的关键技术和产品。目前国内生产和用于煤矿监测监控系统的传感器主要有瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤位、水仓水位、电流、电压和有功功率等模拟量传感器，以及机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等开关量传感器。以上传感器的开发和应用根本满足了煤矿安全生产监测监控的需要，但国产传感器在使用寿命、调校周期、稳定性和可靠性方面与国外同类产品相比还有很大差距，某些传感器〔如瓦斯传感器〕的稳定性还不能满足用户的需要。 煤矿井下使用的控制器主要是指各种规格的断电仪，其主体是由继电器构成，该断电仪的寿命长，可靠性高。 2.2 矿井安全监测系统分类 矿井监测监控系统可按监测系统的使用环境、网络结构等多种方式分类，按监测监控目的可分为环境安全监测监控系统、轨道运输监测监控系统、带式输送监测监控系统、提升运输监测监控系统、供电监测监控系统、排水监测监控系统、瓦斯抽放监测监控系统、人员位置监测系统、矿山压力监测监控系统、火灾监测监控系统、水灾监测监控系统、煤与瓦斯突出监测系统、大型机电设备健康状况监控系统等。 〔1〕环境安全监测系统：主要用来监测甲烷浓度、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、湿度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停等，并实现甲烷浓度超限声光报警、断电和风电闭锁控制等。 〔2〕轨道运输监测监控系统：主要用来监测信号机状态、电动转辙机状态、机车位置、机车编号、运行方向、运行速度、车皮数、空〔重〕车皮数等，并实现信号机、电动转辙机闭锁控制、地面远程调度与控制。 〔3〕带式输送监测监控系统：主要用来监测皮带速度、轴温、烟雾、煤堆、横向撕裂、纵向撕裂、跑偏、打滑、电动机运行状态、煤仓煤位等，并