（计算机应用技术专业论文）煤矿安全生产监控系统的研究与实现.pdf

山东师范人学硕j ：学位论文 煤矿安全生产监控系统的研究与实现 摘要 我国是一个煤炭大国，大中小型煤矿星罗棋布，为国民经济的发展提供了有力的能源 支持。但是长期以来，煤炭生产一直被安全问题所困扰。 近年来，煤矿安全状况形势非常严峻，不断发生爆炸事故，造成大量矿工伤亡和财物 的大量毁损。随着人民群众对安全思想的f 1 益提高，煤矿监控软件也雨后春笋般的层出不 穷，但大多数监控系统都是面向大型煤矿群体，这些高成本、高技术含量的的监控系统并 不利于生产技术、文化水平相对较低的中小型煤矿。 因此，必须贯彻“安全第一，预防为主 的方针，加强对中小型煤矿井下环境的监控， 以确保煤矿的安全生产。本文基于中小型煤矿的实际需求，主要研究设计十六路输入、八 路输出的监控分站的硬件及上位监控系统。 该系统由信号采集、数据通信和计算机监控三大子系统组成，在文中运用模块化设计 思想完成各子系统的硬件电路和软件程序的设计。监控系统的硬件部分主要介绍了硬件系 统的组成以及各主要模块的电路实现。 该系统基于微控制芯片m s p 4 3 0 f 1 3 5 ，采用m a x l 4 8 0 b 数据通信接口电路，以实现高 速远距离传输数据；采用串行接口的键盘显示专用芯片c h 4 5 1 来实现实时数据、历史数据 以及各种状态图、状态表的显示。硬件部分详细介绍了数据通信接口电路，数据显示电路， 电源转换电路以及采集信号的输入输出电路，并分别给出了各个电路的实现电路图。 整个硬件系统线路连接简便，能够适应煤矿的恶劣环境，具有良好的通用性，并且具 有扩展性强、便于调试、安装和维护等优点。 监控系统的软件部分，是课题研究的重点，从该系统的结构组成入手，介绍了系统的 主要模块以及相应模块的编程思想，主要内容包括： 1 、实现了上位系统软件与下位分站的数据编码、数据通信，对监控数据的计算、超限 判定、声光报警、非本质安全电路的断电控制； 2 、实现了对模拟量、数字量等监控数据的实时显示和记录，用户可在“模拟量实时数 据监测表 、“数字量实时数据监测表中查看固定位置传感器的实时报警记录和断电记录， 可以在“数据查询 和“历史曲线 界面完成对历史数据和历史曲线的按日期或者按班次 查询，详实的历史数据可以为用户提供第一手的安全资料； 3 、用户还可在“工作现场的模拟图界面实时观测动态变化的工作现场，更加直观的 了解报警位置和断电位置； 4 、根据监控系统的总体控制要求，系统实现了远程控制、异步控制和就地控制，通过 不同方式的断复电控制，最大限度的避免事故的发生。 本监控系统基于v i s u a lb a s i c 开发平台，采用模块化的设计思想，具有研发周期短，可 扩展性强，便于移植安装，数据库维护简单等特点，方便今后系统的进一步修改和添加功 能。本文为煤矿安全生产监控提供了一种新的设计思路和新的设计方案，是多种技术相结 i 山东师范人学硕 ：学位论文 合的产物，是各种技术广泛应用和进一步发展成熟的体现，相信这一系统会在煤矿领域得 到进一步推广。 关键词：监控系统；实时显示；指令控制；数据采集；通信接口 分类号：t p 3 9 1 8 山东师范人学顾上学位论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mo fs a f e t ya n dm o n i t o r i n g i nc o a lm i n ep r o d u c t i o n a b s t r a c t c h i n ai sag r e a tn a t i o nw i t hr i c hc o a l r e s o u r c e s om a n yc o a lm i n d sa r es c a t t e r e di nt h e c o u n t r ya n dp r o v i d ep o w e r f u le n e r g ys u p p o r tf o rt h en a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t b u tf o ra l o n gt i m e ，t h ec o u n t r y sc o a lp r o d u c t i o nh a sb e e np u z z l e db ys a f e t yp r o b l e m s i nr e c e n ty e a r s ，t h es t a t u so fs a f e t yo ft h ec o a lm i n ei sv e r ya u s t e r i t y t h e r ew e r e m a n ye x p l o s i o n sh a p p e n e d ，al o to fm i n e r sb e i n gh u r ta n dt h ep r o p e r t yw a sd a m a g e d w i t h i n c r e a s i n go ns e c u r i t yo ft h em a s s e so ft h ep e o p l e ，m i n em o n i t o r i n gs o f t w a r ei sa l s oe m e r g i n gl i k e b a m b o os h o o ti ns p r i n ga f t e rr a i n i n g h o w e v e r , m o s to ft h e ma r ef a c et ol a r g ea n dm e d i u m - s i z e d c o a lm i n e b e c a u s eo fh i g hc o s ta n dh i g h - t e c h ，t h e ya r en o ti nf a v o ro fs m a l lc o a lm i n e sw i t ha r e l a t i v e l yl o wl e v e lo fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n de d u c a t i o n a c c o r d i n g l y , i no r d e rt oi n s u r et h es a f e t yo ft h em i n e ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ei n s p e c t c i r c u m s t a n c ei nt h ec o a lm i n e s b a s e do nt h ea c t u a ld e m a n do fs m a l lc o a lm i n e s ，t h ep a p e rm a i n l y r e s e a r c h sa n dd e s i g n st h es u b s t a t i o nh a r d w a r ea n de p i s t a t i em o n i t o r i n gs y s t e mw i t hs i x t e e n - r o a d i n p u ta n de i g h t - w a yo u t p u t t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do fs u b s y s t e m so fs i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n d c e n t r a l s u p e r v i s i o n t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e sd e s i g no fe a c hm o d u l e sh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e p r o g r a ma d o p t e dm o d u l a r i z a t i o nt h i n k i n g t h eh a r d w a r eo fm o n i t o r i n gs y s t e mm a i n l yi n t r o d u c e d s o m eo ft h em a j o rc o m p o n e n t so fh a r d w a r es y s t e ma n dg a v et h ec k c u i ti m p l e m e n t a t i o no ft h e s y s t e m sm a i nm o d u l e s b a s e do nm i c r o - c o n t r o l l e r c h i pm s p 4 3 0 f 1 3 5 ，t h es y s t e m u s e dm a x l 4 8 0 bd a t a c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec i r c u i t si no r d e rt oa c h i e v eh i g h - s p e e da n dl o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n o fd a t a ；u s e dk e y b o a r ds h o w i n gc h i pc h 4 5 1w i t hs e r i a li n t e r f a c et od i s p l a yr e a l - t i m ed a t a , h i s t o r i c a ld a t aa n dv a r i o u ss t a t u st a b l e s t h eh a r d w a r eo fs y s e mi n t r o d u c e dd a t ac o m m u n i c a t i o n s i n t e r f a c ec i r c u i t s ，d a t ac i r c u i t s ，p o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i ta n dt h ec i r c u i t so fi n p u ta n do u t p u to f t h ec o l l e c t i o ns i g n a li nd e t a i l s a n ds e p a r a t e l yg a v et h ec i r c u i ti m p l e m e n t a t i o n so fv a r i o u sc i r c u i t t h eh a r d w a r es y s t e mc a r lb ef i t t e di nb a dc i r c u m s t a n c eo fm i n e ，a n di th a sa d v a n t a g eo f e x t e n d i n g ，d e b u g g i n g ，f i x i n g ，m a i n t e n a n c ea n dc u r r e n t t h es o f t w a r es e c t i o ni st h em a i np a r to ft h ed e s i g n b e g i n n i n gw i t ht h es t r u c t u r ea n d c o m p o s i t i o n , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em a j o rm o d u l e sa n dt h e i rp r o g r a m m i n gt h o u g h t ，a n dt h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、i m p l e m e n t e de p i s t a t i cs y s t e ms o f t w a r e ，i m p l e m e n t e d d a t a c o d i n g a n dd a t a c o m m u n i c a t i o no fl o w e rs u b s t a t i o n ，i m p l e m e n t e dc a l c u l a t i o na n dt r a n s f i n i t ed e t e r m i n ea b o u t m o n i t o r i n gd a t a , s o u n da n dl i g h ta l a r m ，a n dc o n t r o lt h ep o w e r o f ft ou n e s s e n t i a ls a f e t yc i r c u i t 2 、i m p l e m e n t e dr e a l t i m ed i s p l a ya n dr e c o r d i n go fm o n i t o r i n gd a t as u c ha sa n a l o gv o l u m e a n dd i 百t a ld a t a a tt h e ”a n a l o gv o l u m er e a l t i m et a b l e ”a n dt h e ”d i g i t a ld a t ar e a l t i m et a b l e , u s e r s c a nv i e wt h ef i x e d p o s i t i o ns e n s o r sr e c o r d sa b o u tr e a l t i m ea l a r ma n dp o w e ro f f u s e r sc a nm a k e h i s t o r i e a ld a t ai nq u i r ya n dh i s t o r i c a lw a v e f o r mi n q u i r ya tt h e d a t ai n q u i r y a n d h i s t o r i c a l i i i 山东帅池人学硕i ：学位论文 w a v e f o r m ”i n t e r f a c e t h e nt h ed e t a i l e dh i s t o r i c a ld a t ac a np r o v i d eu s e r sw i t ht h ef i r s t - h a n d i n f o r m a t i o no fs e c u r i t y 3 、u s e r sc a na l s oo b s e r v et h er e a l t i m ed y n a m i cw o r k i n gs c e n ea tt h e w o r k i n gs c e n e i n t e r f a e ei no r d e rt ok n o wt h el o c a t i o no fa l a r ma n dp o w e ro f ! fm o r ei n t u i t i v e l y 4 、i na c c o r d a n c ew i t ht h eg e n e r a lc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es y s t e m i m p l e m e n t e dr e m o t ec o n t r o l ，a s y n c h r o n o u sc o n t r o la n dl o c a lc o n t r 0 1 b yc o n t r o l l i n gt h ep o w e r o n o ro f fw i t hd i f f e r e n tw a y s ，t h es y s t e mc a na v o i da c c i d e n t sm a x i m u m b a s e do nv i s u a lb a s i cd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mu s e dm o d u l a rd e s i g n i d e a , w i t hal o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wc o s t 、s h o r td e v e l o p m e n tc y c l e 、s t r o n gs c a l a b i l i t y 、e a s y t ot r a n s p l a n ta n di n s t a l l 、d a t a b a s em a i n t e n a n c ee a s ya n ds oo n t h e s ea d v a n t a g e si sc o n v e n i e n tt o m o d i f va n da d do t h e rf u n c t i o n so fs y s t e mi nt h ef u t u r e i th a sp r o v i d e dan e wt h e r oa n dd e s i g nf o r t h em o n i t o r i n gs y s t e mo fc o a lm i n ep r o d u c t i o n i ti sac o m b i n a t i o no faw i d er a n g eo f e c h n o l o g y , a n di st h ee m b o d i m e n to ft h ew i d e ru s ea n df u r t h e rd e v e l o p m e n to fv a r i o u st e c h n o l o g i e s b e l i e v e t l l a tt h i ss y s t e mw i l lb ef u r t h e rp r o m o t e di nt h ec o a lm i n ef i e l d s k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m ；r e a lt i m ed i s p l a y ；c o m m a n dc o n t r o l ；d a t ec o l l e c t i o n ； c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c l a s s i f i c a t i o n ：t p 3 9 1 8 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其它需要特别声明的，本栏 可空) 或其它教育机构的学位或证书使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储签名：句岬 刷磁字： 学位论文版权使用授权书 本q 本学位论文作者完全了解兰遨有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰趁可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： l 布岬一字：车乃哈 、| tl v 彤 签字日期：2 0 0 罗年r 月彭日签字日期：2 0 0 罗年5 - 月e t 山东师范人学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，我国正处在发展经济的关键时期。本世纪中叶我国将基本实现现代化，人民将 有更高的物质与精神文明享受。这一宏伟目标能否顺利实现，在相当大的程度上取决于能 源在未来5 0 年的稳健发展。煤矿在我国是首屈一指的战略性能源，在能源产业和消费结构 中占7 0 左右，我国煤炭产量占世界的3 1 ，但煤矿事故死亡人数却占世界煤矿事故死亡 总人数的7 9 ，煤矿安全形势非常严峻，近年来由于煤矿行业的违规开采和工作人员的疏 忽大意，煤矿事故不断发生 2 - 4 1 。2 0 0 8 年全国煤矿共发生煤矿事故1 9 0 1 起，重特大事故3 8 起，死亡7 0 7 人，同比起数增加1 0 起、上升3 5 7 ，死亡人数增加1 3 4 人，上升2 3 4 ， 给国家和人民带来了巨大的经济损失和精神损失。为了减少事故的发生，煤矿生产安全监 控逐渐被各级煤矿管理部门重视起来。怎样才能合理有效地管理复杂多变环境下的各种设 备? 怎样才能在出现危险时第一时间采取措施并且最大程度确保井下人员的安全呢? 根据中华人民共和国煤炭行业标准设计一款性能稳定、反应迅速、功能齐全的煤 矿安全生产监控系统势在必行。只有这样才能为煤矿业主提供一整套的安全措施，包括瓦 斯、一氧化碳的浓度超标报警和风电闭锁，电压电流的变化情况，设备的开、停等都可以 实时地显示出来并能根据具体情况做出相应的处理，最大程度的减少煤矿业主的损失，保 护好井下工人的生命安全。井下环境复杂多变，巷道纵横交错。一旦出现危险情况，功能 单一的管理软件会给管理控制工作带来很大不便。当井下工作设备发生故障不能正常运行 或者发生矿难时，掌握第一手的相关资料和巷道模拟图能够迅速判断出发生故障的位置和 超标参数，才能v - , 很z 大程度上避免危险的发生，也能为避免在搜救过程中发生二次事故提供 重要依据和保证。因此一套性能优良、成本低廉的煤矿安全监控系统的研发就显得举足轻 ：t 重。 煤矿安全是近年来国家安全管理工作的重中之重，也是我国建立和谐社会必须要解决 的问题之一。实现煤矿安全发展，关系到全面落实科学发展观，关系到构建社会主义和谐 社会，关系到煤炭工业的健康持续发展。安全科技是推动安全生产的动力，是实现安全发 展的重要基础和技术保障。实施科技兴煤、科技兴安战略，建立煤矿安全生产长效机制， 实现煤矿本质安全，确保煤矿安全生产形势稳步好转，是我国煤矿安全生产工作的必由之 路。做好矿井安全管理工作，解决煤矿的安全隐患是实现煤矿安全生产状况根本好转的关 键一环。这也是国家煤矿安全监察局当前部署的重点工作之一，是国家实现以信息化带动 工业化的战略目标的需要。因此，加强对煤矿井下环境的监控，以确保煤矿的安全生产， 贯彻“安全第一，预防为主的方针是十分必要的，具有非常重要的现实意义1 6 j1 山东师范人学硕t 学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外煤矿监控技术是2 0 世纪6 0 年代开始发展起来的，至今已有四代产品，基本上5 1 0 年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监控系统发展 阶段的。国外最早的煤矿监控系统的信息传输采用空分制来传输信息。6 0 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。煤矿监控技术的第二代 产品的主要技术特征是信道的频分制技术的应用。由于采用了频分制，传输信道的电缆芯 数大大减少，它很快取代了空分制系统。集成电路的出现推动了时分制系统的发展，从而 产生以时分制为基础的第三代煤矿监控系统，其中发展较快的是英国。8 0 年代是计算机、 大规模集成电路、数字通信等现代技术高速发展时期，在这个时期，美国以其拥有的雄厚 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科技 用于煤矿监控系统，使煤矿监控技术跻身于高科技之列。这就形成了以分布式微处理机为 基础的第四代煤矿监测系统。 随着计算机技术、网络技术、通信技术、微电子技术的广泛应用和进一步成熟，国外 煤矿监控技术迅速发展成熟起来。主要是采用机电一体化和自动化技术，以实现煤矿生产 过程的自动化和高效化。开发了集语言、数据、图像于一体，融监测、控制、通信功能等 技术于一网，兼容各种专用监控系统功能，覆盖各个生产环节的综合自动化煤矿监控系统， 实现了对煤矿运输、通风、排水、供电等设备的参数设置和对甲烷，一氧化碳浓度、温度、 湿度等环境参数的自动化监测和控制。其中具有代表性的监测控制系统有美国m s a 公司生 产的d a n 6 4 0 0 系统，德国b e b r o 公司的p r o m o s 系统等1 4 1 。 1 2 2 国内研究现状 我国煤矿监控系统是在8 0 年代中后期开始逐渐发展起来的。主要由监测终端、监控中 心站、通信接口装置、井下分站、传感器组成。k j 7 0 、k j 7 6 、k j 8 0 等很多监控系统的大量 使用都说明了该类系统已经作为各局矿的重要安全装备得到了广泛的应用。随着科学技术 的发展，系统已由早期的地面单微机监测监控发展成为网络化监测监控以及不同监测监控 系统的联网监测监控。但是由于陈旧系统的服务年限将至和煤矿新规定的不断出台，原来 系统暴露出了通用性差、兼容性差、智能程度低等越来越多的问题，主要表现在p j ： ( 1 ) 监控系统大多针对某一监控对象开发，缺乏统一标准，从而造成设备、配件互不通 用，系统扩展和升级能力差；而且只局限于参数的监测，无监管功能，用户难以通过简单 的操作实现多方面监控的目的。 ( 2 ) 现有煤矿安全监控系统的通信协议和传输设备物理层协议缺乏统一的标准。我国绝 2 山东师范人学坝上学位论文 大部分监控系统采用r s 4 8 5 串行通信总线传输方式。监控系统以主从结构传输方式，无法 构建多主冗余系统，现有的各种现场分站采用各自现场总线的专用通信协议，很难相互兼 容，系统可靠性低、实用性差，难以满足实时监控的要求。 ( 3 ) 系统缺少远程智能故障诊断和远程维护功能，虽然系统可以对被监控对象进行实时 的监测，并在出现监测参数超标或异常时，对被监控对象进行控制，但是对所产生的故障 不能进行实时的诊断，需要靠人工进行分析、判断，常常由于维护滞后致使系统不能正常 工作。 ( 4 ) 现有监控系统不具备煤矿事故决策支持系统的功能，无法对煤矿事故进行预报、预 警及向用户提供避免事故的决策。 上述存在的种种问题注定了旧的监控系统已经没有了维护的必要，煤矿安全监控系统 面临着更新换代的重大机遇。在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全 规程有关条款指导下，各种煤矿安全监控系统应运而生，为煤矿业主提供充足选择空间的 同时也为各厂家提供了强烈的竞争环境，这就使得煤矿监控系统必须不断的改进和完善。 9 0 年代以来，国内一些研究单位在借鉴国内外监控系统经验的基础上，自己研制开发出了 一批具有较高水平的监控系统【习。如北京仙岛新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的 k j 6 6 系统、煤科院重庆分院的k j 9 0 系统、上海嘉利矿山电子公司的k j 9 2 系统、煤科总院 常州自动化研究所的k j 9 5 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；系统软件普遍采用了w i n d o w s 操作系统。 随着计算机技术的迅猛发展，在原有的监控系统基础上研制的w e b g i s 等综合化和数字 化煤矿网络监控管理系统的出现，标志着煤矿监控系统正朝着数字化、综合化、网络化的 方向发展【6 j 。 1 3 本文的研究目的和主要内容 1 3 1 研究目的 本文研究的煤矿安全生产监控系统总结了国内外诸多煤矿安全监控系统的经验，进一 步完善了煤矿监控系统的功能。论文针对目前国内煤矿生产设备的现状，为提高煤矿生产 环境的安全性提供了一个高效、快速、价廉、准确的解决方案。该系统能够为煤矿业主提 供一整套的安全措施，包括甲烷、一氧化碳的浓度超标报警和风电闭锁，电压电流的变化 情况，设备的开、停等都可以实时地显示出来并能根据具体情况做出相应的处理，最大程 度的减少煤矿业主的损失，保护好井下工人的安全；同时监控系统还提供了数据的存储、 查询及报表等多种功能，为上级部门的监管工作提供可靠的数据来源。根据本文研究的成 果，所设计出的煤矿监控系统具有良好的科研、经济和社会效益。 3 山东师范大学硕上学位论文 1 3 2 研究的主要内容 本文研究的煤矿监控系统主要用于煤矿行业安全生产现场的监测控制，研究的主要内 容如下： ( 1 ) 监控系统与分站通信过程中数据的实时采集 分站各端口数据的实时采集。 对分站各端口具体工作参数的设定 检测值超标后对相应的断复电端口的判定 分站出现故障或者传感器出现故障后对故障进行判断并做出相应处理 ( 2 ) 控制问题 煤矿安全生产监控系统的主要功能就是对数据的采集和监控。对分站各传感器的监控 以及对相应控制端口进行断复电处理、瓦斯抽放和风电闭锁的优先控制等都是一个复杂的 过程。监控数据超标后通过r s 2 3 2 串口及时合理地给分站接口发送控制命令来达到预期的 效果。 ( 3 ) 报表问题 由于上级煤矿部门监管的需要，各种监控数据都需要根据不同条件和要求生成相应的 报表并且无论有无人值守都可以定时打印，在监测的同时能够多快好省的定制和定时打印 符合我们习惯的报表也成为一个问题。 ( 4 ) 模拟图问题 近年来比较流行g i s 平台的软件开发，但由于一个g i s 平台价格高达几十万，不符合 中小型煤矿企业的经济情况，因此使得引用静态图来实现小范围的巷道模拟成为可能。怎 样方便的在静态图上随意放置一些可随设备运转情况表现出运动或者静止的设备图片也成 为一个问题【1 1 】。 ( 5 ) 协调问题 在煤矿监控系统中合理地把数据采集、数据超限判断、超限控制、数据存储、实时显 示、报表查询等功能按照逻辑有效的组织在一起，并且不会带来在程序运行中因为收发数 据或者读写数据库引起软件的逻辑故障的麻烦。 ( 6 ) 监测数据的发布，监测数据的网络共享。 4 山东师范大学硕上学位论文 2 1 系统的功能设计 第二章系统总体方案设计 该监控系统是采用先进的计算机编程工具和主流的计算机网络、数据库技术开发的综 合监控系统，本系统具有功能齐全、性能稳定可靠、操作简单、配置灵活、经济实用、功 能和扩展性好等特点。该系统可全面监控矿井上下各类环境状况，以及风机等生产参数， 大大提高了矿井生产水平和管理效率，适用于各类中小煤矿装备使用。 2 1 1 系统功能结构图 该监控系统结构图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 煤矿安全生产监控系统的结构图 该监控系统由硬件和软件两部分组成。硬件方面包括：主机、传输接口、分站、传感 器、执行器( 含断电器、声光报警器) 、电源箱、电缆、接线盒、避雷器和其他必要设备组 成。 软件功能框图如图2 2 所示： s 山东师范人学硕上学位论文 主要功能 引炳茎l 趣 限 报 警 和 断 1 复 电 驯陲 引训嚣 孤恒 2 1 2 系统主要功能介绍 存 储 和 杳 _ 一 调列 麦 显 不 显示 图2 - 2 系统软件功能框图 开 关 置 状 态 图 及 往 状 圈 人 机 对 话 自 嚣 诊 断 该系统具有以下十二大主要功能并且就这十二大功能做一个简单的说明【协墙】： 1 、数据采集功能：系统每秒钟对分站接口提供的数据进行采集，最多可连接1 6 个分 站或接口。对各分站进行分时的数据采集，并对采集的数据进行实时的显示。根据传感器 的信号类型( 模拟信号、数字信号) 判断是否超限，或是否发生了状态变化。 2 、控制功能：监控系统对传感器的控制分为自动控制、手动控制和异地控制。当监控 系统检测到采集来的数据出现异常时，根据初始设置向分站发出相应的控制指令。 ( 1 ) 当现场的甲烷或一氧化碳等危险因素超标时，系统可以迅速的进行声光报警和断电 控制；当现场危险因素恢复正常或者得到处理后，系统自动停止报警，并进行复电操作； 同时系统具有手动控制、就地控制及远程异地控制功能。 ( 2 ) 与闭锁控制有关的设备，包括传感器、分站、电源等设备未投入正常运行或故障时， 切断该设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源；当与闭锁控制有关的设备工 作正常并稳定运行后，则自动解锁。 ( 3 ) 具有地面中心站手动遥控断复电功能，并具有操作权限管理和相关操作记录功能。 3 、调节功能：系统具有自动、手动、就地、远程和异地调节功能，包括传输速率的设 定和修改，分站接口上模拟数字量的设定和修改。 4 、存储和查询功能：系统具有以地点和名称为索引的存储和查询功能。将采集到的数 6 j r h 旧一 l设备布置图显示 模拟量实时曲线和历史曲线 模拟量曲线和开关状态囝 一丌耻雏 坐查堕塑查兰堡三堂笪笙塞 据按时问顺序存入到数据库作为历史数据供日后调用查看。查询包括模拟量的报警、断电 和馈电异常查询，数字量的报警、断电、馈电异常、状态变化情况的查询、统计值记录查 询等。 ( 1 ) 对采集到的各种数据处理后由传感器的物理量转换成实际值并且每五分钟取一次平 均值、最大值、最小值、报警值，将这些数据连同这些值出现的时刻一并写入数据库。 ( 2 ) 具有对甲烷浓度( 值) 、一氧化碳浓度( 值) 等模拟量的实时监控功能。 ( 3 ) 对模拟量和数字量的各种状态具有分时查询功能。 5 、显示功能： ( 1 ) 对模拟量的安装地点、名称、单位、报警门限、控制门限、监测值、最大值、最小 值、平均值、传感器工作状态、报警时刻及解除报警时刻等信息进行显示。 ( 2 ) 对数字量的安装地点、名称、开停时刻、状态、工作时间、开停次数、传感器工作 状态、报警时刻及解除报警时刻等信息以实时的形式进行显示。 ( 3 ) 对处理后的模拟量和数字量的数据以曲线图的形式显示出来以方便用户查看。 6 、打印数据报表( 或图) 功能：系统具有报表、曲线、柱状图、状态图、模拟图、初 始化参数等召唤打印功能。报表包括：模拟量日( 班) 报表、模拟量报警日( 班) 报表、模拟量 断电日( 班) 报表、模拟量馈电异常日( 班) 报表、数字量报警及断电日( 班) 报表、数字量馈电 异常日( 班) 报表、数字量状态变动日( 班) 报表、监控设备故障日( 班) 报表、模拟量统计值历 史记录查询报表等。 7 、人机对话功能：方便友好的用户界面，便于系统生成参数以及参数的修改、功能调 用、控制命令的输入。 8 、自诊断功能：在采集数据的同时对系统中的传感器、分站、传输接口进行监测，当 发生故障时发出报警信号并记录故障时刻和故障设备，以供查询及打印。 一 9 、数据备份功能：按月进行历史数据的备份，可以追溯历年记录。 1 0 、双机切换功能：系统主机双机备份，有手动切换和自动切换功能。当工作主机发 生故障时，备份主机可以快速启动使其正常工作。通常情况下都是开一个机器，另一个机 器进入就绪准备状态。 1 1 、模拟报警和断电功能：接入安全监控系统的传感器具有现场模拟测试、报警和断 电功能。 1 2 、网络通信功能：系统可以通过局域网方式向上机管理部门提供实时数据和历史数 据。 山东师范大学硕上学位论文 2 2 系统的功能分析 2 2 1 系统功能设计简介 本文设计的系统是煤矿安全生产监控系统，把矿井中的每一条巷道中的甲烷含量、风 量、非本质安全设施都通过传感器、断电控制器等与分站连接起来，分站对个设备循环采 集数据并将数据放入缓存器中，由接口进行处理，组织成数据包以供系统调用使用。系统 采集到数据后进行判断并作出相应处理【1 2 1 。 2 2 。2 系统的特点和优点 该系统的主要特点包括： ( 1 ) 由于目前主流的g i s 系统开发成本高且周期长，本系统考虑到大多数中小煤矿资金 匮乏，创新的采用了分层显示的方法。由于去除了g i s 平台，使得成本和大大降低，同事 也使得用户界面简单明了，没有了读取地图的时间等待，提高了系统的运行速度。 ( 2 ) 考虑到矿区操作人员的文化水平有限，实际操作计算机的能力相对较弱，该系统采 用了微软的a c c e s s 作为数据库平台。虽然在存储容量、安全性方面不如s q ls e v e r 数据 库，但却最大程度的减少了操作人员维护数据库的较大工作量，不必有较高的、专业的计 算机水平也可以熟练使用该系统，一般情况下全程不需要人工操作维护数据库。 ( 3 ) 由于采用三层地图显示模式【1 6 1 ，使得更换地图更加容易。随着掘进面的移动和巷道 的延伸可随时更换地图。 ( 4 ) 虽然目前高端通信介质不断完善，传输速度不断提高，但由于井下甲烷等易燃易爆 危险源的存在，光纤在井下的布线和维护都很困难，再加上光纤易受损且布线和修复都需 要高温焊接，不符合煤矿安全生产标准。因此本系统仍使用保守的r s 4 8 5 、r s 2 3 2 双绞线 与分站进行通信，使用了优化的代码，并且大部分数据在分站上通过单片机进行运算处理、 整合打包，然后传送到监控系统，使得监控系统的运算量大大减少，大大缩减了发生故障 时的系统反应时间。 ( 5 ) 通过局域网向上级监管部分提供可靠有用的历史和实时数据，方便监管。 ( 6 ) 本系统设计采用v b 6 0 开发平台，在优化资源的基础上使系统的容错性大大提高， 稳定的系统是安全的保障。 ( 7 ) 配合a c c e s s 数据库使用了强大的第三方报表设计器，强大的报表功能使用户更加 方便及时的了解有用信息。 本系统专为中小煤矿而设计，充分考虑到中小煤矿的经济状况、人员配置情况以及设 备的使用数量，最大限度的降低成本、增加效益，在为企业节约成本的同时向企业提供一 个稳定可靠的安全保障。 8 山东师范大学硕上学位论文 2 3 系统的总体方案 经过反复论证，本着模块化设备的思路，该系统被分为六大主要模块：与接口设备的 通信部分；数据处理和读写数据库部分；显示部分；控制部分；打印部分；参数设置部分。 ( 1 ) 与接口设备的通信部分 通信部分向整个系统提供实时可靠的数据来源，是其他部分的判定依据，通信部分主 要负责与下位机的数据接收和指令发送。根据中华人民共和国煤炭行业标准最大巡检 周期不得大于3 0 s ，本系统最多连接1 6 个接口，每秒检测一个分站，最大巡检周期为1 6 s ， 将采集到的数据放入内存中以供其他部分调用。 c ) 数据处理与读写数据库部分 总的来说就是将通信部分接收并存于内存中的数据进行计算，根据数据的类型的不同， 进行的计算方法也不同。根据得到的实际值与报警值、断电值、复电值进行比较，将结果 存于数据库中以供其它部分调用，需要断复电的交给控制部分进行处理。 由于监控系统要求实时监控而且保存的历史数据不得少于1 年，因此数据量会大的惊 人，如果1 5 秒存储一条记录，一年下来一个分站的一个传感器就要存储4 * 6 0 ( 分钟) * 2 4 ( 小时) * 3 0 ( 天) 1 2 ( 月) = 2 0 7 3 6 0 0 条数据，以1 6 分站的监控系统为例就会有几千万 条数据，这对以后的查询工作将会带来很大的负担，因此该系统采取有效的方法减少数据 的存储，特别是减少冗余数据的存储。监控系统监测的数据无非就是模拟量和数字量。对。 于数字量可能几个小时甚至十几个小时状态都不会发生改变，所以该系统采用只在状态发 生变化时才存储的方法来减少冗余数据；对于模拟量来说，通常它在几分钟内都是平稳变 化的，针对这一特点，该系统设置了一个变化比率，将每次采样来的数值与前一次数值进 行比较，只有当变化的比率超过这个变化比率时才存盘，这样经过一系列的整理以后数据 量往往会减少1 0 几倍甚至几百倍，不但减少了存盘的次数，也大幅度的减少了查询和报表 时的等待时间。 该监控系统的主要功能就是进行数据采集、对比、发出控制命令、存盘，尤其是对采 集数据与报警门限、断复电门限的对比。若每次对比或者每次进行数据的实时显示时都要 读取数据库，则频繁的读取数据库会给系统带来额外的负担，也会使c p u 的使用率一直是 1 0 0 ，致使计算机不能执行其他任务。为了避免这种情况的发生可以提前把这些有用的数 据读入到内存中，使用时直接调用内存，既提高了执行效率又减少了c p u 的使用率，使得 监控系统的运行更加高效稳定。具体做法是在程序设计时创建一个分站类和一个传感器类， 把数据对比、判断时用到的参数声明为类的属性，在系统开始运行时就对类进行初始化， 这样需要这些参数时直接对类进行操作就可以了。 ( 3 ) 显示部分 显示部分分为实时显示和查询显示。 实时显示包括模拟量和数字量的报警状态、断电状态、复电状态、当前值、最近 次报警、断复电时间、发生地点等信息。由于对分站的巡检采用的是异步半双工 9 山东师范大学硕 ：学位论文 的模式，因此在监控系统中使用一个分站的模拟图( 如图2 3 所示) 来显示各分 站采集来的数据，显示控件轮流显示1 6 个模拟量入口或数字量入口的数据。假设 每检测一个分站都要按照端口1 1 6 的顺序显示该分站的数据，没监测到的分站就 不显示，这样一个分站的一个传感器的数据显示一次最多要等1 5 秒，显然这样是 不可取的。因此该系统采取将采集数据的实时显示与采集分开的方法，即每3 秒 显示一次所有分站端口对应的传感器的数据，然后下3 秒再显示所有分站下一个 端口对应的传感器的数据，若显示完分站对应的最后一个端口的数据则返回显示 第一个端口的数据；而采集数据还是按规定的周期( 1 5 s ) 采集，这样既可以以最 短的采集周期采集数据，又照顾了数据的实时显示，实现二者的完美结合【1 9 m 】。 x !1 2 分站 o i_ 赫j oo 、 鼍如若耋 显示控件 图2 3 分站模拟图 查询显示包括表格查询和历史曲线查询。表格查询又包括模拟量的报警、 断电和馈电异常查询，数字