毕业设计（论文）-煤矿安全生产监测系统设计.doc

中文题目：煤矿安全生产监测系统设计摘 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；中心站；监控分站；安全AbstractCoal 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 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 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 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 human-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-time monitoring and control and meeting safety requirements of underground coal mine production. Key words ：Monitoring system ；Central station；Monitoring sub-station ；Safety II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 701 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、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。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。1.1.2 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、KJ14、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（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：图1-1 井下各种分站图Fig. 1-1 Undergroundfigure 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，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。1.3.2 井下分站 1）尽管监控系统的井下分站形式多样，但基本都具备如下功能：（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（如传感器配节通道号、量程、断电点、报警上限和报警下限）。（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）分站本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）井下分站的功能技术指标及要求:（1）通信功能根据煤炭行业标准的要求，井下环境参数传感器或监控设备至井下监控分站之间的最大传输距离应不小于2Km；井下监控分站与传输接口、分站与分站之间的最大传输距离应不小于10Km。（2）信号采集输出型传感器的频率信号范围为200-1000Hz，按照要求，井下监控分站采集的频率在整个频率范围内，正负脉冲宽度不小于0.3ms，高电平电压不小于+3.0V，低电平电压不大于+0.5V。频率信号通常是用频率计数方式来采集，即频率通过采集某一时间内的脉冲数来计算。这样被测频率量的误差较大，并且当频率量的变化速度较快的时候，数据不能准确及时地采集到。本设计中，传感器输入的频率信号通过所选用的单片机中的可编程计数阵列来采集，这样频率量的采集速度大大提高，保证了系统的响应速度和可靠性。电流输出型传感器的输出电流范围应为1mA5mA或者4mA20mA。（3）控制功能当某一指标超限且被传感器检测到时，井下分站实现超限断电、风电闭锁、易燃易爆气体的抽排设备的起停等功能，并将报警信号上传给地面中心站，在时间上要求信号上传时间和响应控制命令的时间应不大于2S。（4）显示及存储功能井下监控分站采用具有液晶显示功能的显示屏。井下分站对各个输入通道进行循环采集处理，并送入液晶显示屏。为防止数据在某些特殊的情况下丢失，井下监控分站具有断电存储的功能，并在系统复电后，能够将数据上传给上位机。1.3.3 传感器与控制器井下各种环境参数、重要设备的运行状态需要用传感器进行实时监测，并实时显示信号或发出报警信号，再传至地面中心站。目前，国内生产和用于煤矿安全生产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、风门开关状态等传感器。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，且可靠性高。在本设计中，将对主要的传感器（如甲烷、一氧化碳、温度、风速、负压、开关量、风门开关状态等传感器）和控制器进行选型设计。1.4 安全监测监控的相关规定根据煤矿安全规程中有关安全监控系统的要求，有以下规定：第一百五十七条 煤矿企业应建立安全仪表计量检验制度。第一百五十七条 所有矿井必须装备矿井安全监控系统。矿井安全监控系统的安装、使用和维护必须符合本规程和相关规定的要求。第一百五十七条 采区设计、采掘作业规程和安全技术措施，必须对安全监控设备的种类、数量和位置，信号电缆和电源电缆的敷设，控制区域等做出明确规定，并绘制布置图。第一百五十七条 煤矿安全监控设备之间必须使用专用阻燃电缆或光缆连接，严禁与调度电话电缆或动力电缆等共用。防爆型煤矿安全监控设备之间的输入、输出信号必须为本质安全型信号。安全监控设备必须具有故障闭锁功能：当与闭锁控制有关的设备未投入正常运行或故障时，必须切断该监控设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后，自动解锁。矿井安全监控系统必须具备甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能；当主机或系统电缆发生故障时，系统必须保证甲烷断电仪和甲烷风电闭锁装置的全部功能；当电网停电后，系统必须保证正常工作时间不小于2h；系统必须具有防雷电保护；系统必须具有断电仪状态和馈电状态监测、报警、显示、存储和打印报表功能；中心站主机应不小于2台，1台备用。2 煤矿安全生产监测系统设计的总体方案 2.1 煤矿监测监控系统煤矿监控系统主要采用主站（或中心站）、分站、传感器（包括执行机构）3层结构，每一个传感器采用一根电缆与分站相连，构成星形结构。分站与主站之间一般采用树形结构（或环形、星形结构），分站与现场设备之间采用模拟信号传输。信号制式采用2001000Hz频率信号的模拟量，无电位触点信号或0.5mA电流信号的开关量。供电方式分为分站集中供电或传感器就地供电，分站与井上主站之间采用异步数据通信方式。煤矿监控系统的基本组成如图2-1和图2-2所示。 图2-1 一般矿井的监控系统图 图2-2 分站式现场总线监控系统图Fig.2-1 General mine monitoring system diagram Fig.2-2 Substation type field bus control systemdiagram由上图可以看出，主站、分站、传感器这三者组成的是典型的集散控制系统。集散控制系统（DCS）是现场总线控制系统的基础，最早出现于20世纪80年代，其核心思想是集中管理，分散控制，即管理与控制相分离。图2-1所示的系统存在传输电缆用量大、成本高、可靠性差等问题，而且传感器必须经分站接入系统，存在信息传递的“瓶颈”问题，主站的可靠性将影响整个系统，当主站发生故障时会造成系统瘫痪。图2-2所示的分站式现场总线监控系统，如采用CAN总线技术，既可以采用主从方式工作，也可以在无主方式下工作。当以无主方式工作时，网络上的任意节点均可在任何时刻主动向其他节点发送信息，提高了系统的可靠性，克服了主从式网络节点的传输瓶颈问题。通过比较，在本设计中，本人采用图2-2所示的分站式现场总线监控系统。2.1.1 监控主机 主机一般选用工控微型计算机或普通微型计算机、双机或多机备份。主机主要用来接收监测信号、校正、报警判别、数据统计、磁盘存储、显示、声光报警、人机对话、输出控制、控制打印输出、联网等。 2.1.2 矿用监控系统传感器 矿井生产工艺流程复杂，需要利用各种传感器，通过矿井安全生产监控系统，对这些工况参数实时有效地进行监测与控制，随时掌控整个矿井安全生产的实时情况，实现有效调度和正确指挥。由于矿用传感器工作条件特殊，所以在设计中要考虑各种抗干扰，各种预防性技术。对于井下传感器输出的开关量信号，我们可以通过隔离技术直接接入井下分站；而对于模拟量信号，因其传输距离的衰减，各种电气设备的干扰的，所以无法将其模拟量信号直接上传到井下分站，所以在这里我们要对传感器输出的信号进行处理。处理分为两种方式，一种是通过圧频转换，将模拟量信号转换成频率信号上传到井下分站，另一种是将模拟量信号转换成数制信号，通过CAN总线上传到井下分站。传感器一般由敏感元件、转换元件和信号处理电路3部分组成，有时需要加辅助电源，其组成原理如图2-3所示。 图2-3 传感器工作原理框图Fig. 2-3 Sensor working principle diagram2.1.3 监控分站监控分站是煤矿综合监控系统的重要组成部分，具有数据采集、控制输出、液晶显示、数据传输等功能。如图2-4所示，控制器采用单串口的单片机控制，串口用来与地面计算机通信，开关量信号通过光耦隔离进入单片机，模拟量信号经过圧频转换以频率信号输入单片机。单片机对输入信号经过判断处理后，通过光耦隔离输出4路开关量，输出信号可以控制井下设备的开停等。8位拨码开关用于设置该分站的地址。分站名称、地址、输入/输出信号状态通过液晶显示。单片机自带看门狗，增强稳定性。 图2-4 井下监控分站原理框图Fig.2-4 Underground monitoring principle diagram1)监控分站组成监控分站是由本质安全型分站箱和隔爆兼本质安全型电源箱两部分组合而成。凡是非本安器件都安装在隔爆箱内，如电源变压器、稳压电源板、断电控制用的继电器，备用电池组以及供给传感器直流工作电源的稳压板等。本质安全型分站箱内安装微处理器及其接口电路。它们的工作电源来自隔爆兼本质安全型电源箱内的本安型稳压直流电源。监控分站一般由模拟输入接口，开关量输入接口、开关量输出接口、数字串口（部分分站没有）、累计量输入接口（部分分站没有）、模拟量输出接口（部分分站没有）、系统接口、信息处理与存储单元、显示单元、报警单元（部分分站没有）、遥控单元、稳压单元等组成，如图2-5所示。图2-5 监控分站组成框图Fig.2-5 Monitoring substation composition block diagram2）监控分站数据采集模拟量输入接口通常由用于本安防爆隔离和抗干扰隔离的光电耦合器、频率/数字（F/D）转换器和滤波器等电路组成。若模拟量输入为电流型或电压型，除具有上述电路外，还具有电压/频率（V/F）或电流/频率（I/F）转换器，当然，也可以采用光电隔离的模/数（A/D）转换器。部分分站的模拟量输入口也可以用作开关量输入。如下图2-6是模拟量输入通道结构图，主要由输入接口电路、多路采样开关、数据放大器、采样保持器、A/D转换器等组成。 图2-6 模拟量输入通道结构图Fig.2-6 Analog input channel structure开关量输入接口通常由用于本安防爆隔离和抗干扰隔离的光电耦合器和滤波器等电路组成，将设备开停等开关量传感器输出的开关量信号经隔离后送至信息处理与存储单元。如下图2-7是开关量采集电路原理图，主要由光电耦合器、整形电路等组成。开关量输入信号经过光电耦合开入电路直接与开停状态检测传感器相接，将接收到的电流信号或触点信号，经光电隔离、整形转换成标准的TTL电平信号。开停状态信息经数据总线送单片机处理。图2-7 开关量采集电路原理图Fig.2-7 Switch signal gathering circuit principle diagram开关量的采集是通过接口电路的位测量操作来实现的，每个开关量输入对应一位数据线，单片机扫描位状态是否发生了变化，判断各路被测开关的“合”、“分”状况或设备开停状态。当被检测的开关量多于8路时，可在输入接口电路设置多路转换开关进行扩展。2.1.4 矿用现场总线现场总线是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。现场总线和工业以太网技术的发展，不仅引起测控及过程自动化领域的变革，同时也给煤矿监控技术的跨越式发展带来了新机遇。1）现场总线的技术特点现场总线控制系统是一个开放的网络通信系统，作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线网络节点上的智能设备连接为网络系统，实现控制、参数修改、报警、显示、监控及控管一体化功能。现场总线控制系统有如下特点：（1）现场通信网络。（2）开放性。系统各层之间通信协议公开。（3）互可操作性与互换性。（4）现场设备的智能化与功能自治性。（5）系统结构的高度分散性。采用集散控制系统。（6）本安设备。现场设备满足本质安全防爆要求。（7）多种传输介质。可以支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线通信、电力线等。 2）现场总线的优势由于现场总线的上述特点，特别是总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装及其检修维护、都体现出优越性。（1）节省硬件数量与投资。（2）节省安装费用。（3）节省维护开销。（4）用户具有系统集成主动权。（5）提高了系统的准确性与可靠性。 3）矿井对现场总线的要求矿井特殊主要体现在电气防爆要求、远程传输、总线供电及节点容量大等方面，因此对井下现场总线的基本要求如下：（1）网络结构。井下网络以两级较为适宜，即一级高速主干网下接一级低速现场总线网。（2）传输距离。根据矿井巷道要求主干网传输距离应大于10km，设备级现场总线的传输距离应达12km。（3）响应时间。矿井监控系统的监控对象一般变化缓慢，对系统的传输速率要求不高。对安全监控，考虑到瓦斯突出矿井的要求，响应时间应在1s以内；对生产监控应在数十毫秒数量级。（4）抗干扰能力和对恶劣环境的适应能力。矿井的电磁干扰较强，温湿度环境差。因总线距离长，加在收发器上的共模电压较高，现场总线设备应满足使用要求。（5）软硬件支持和开发难度。选用的现场总线标准应有完善的软硬件支持。（6）本安与供电方式。监控系统必须满足本质安全防爆要求。现场总线本安供电可以采取两种方式：一是总线供电，即2线制，信号与电源共线传输；二是共缆供电，即4线制，信号与电源各用一对线。（7）多种通信介质。可以采用双绞线、同轴共缆等，也可采用光纤，以适应多媒体综合监控和综合数字化业务网的需要，还可以采用无线传输，以满足移动设备及便携式仪器的接入。（8）煤矿行业的生产运行设备除符合本质安全要求外，还要遵循国家规定的煤矿行业设备标准。 4）矿井应用现场总线的意义现代矿井建设是以数字化、信息化和综合自动化为特征。在煤矿系统采用现场总线可以为构建现代化矿井提供强有力的技术支持。现场总线具有全数字化、可靠通信及本质安全等特点，并且使用具有微处理器和通信能力的智能仪表，使现场生产一线设备具有智能化、高精度、故障自诊断、报警等功能，是解决矿井问题的有效途径。现场总线技术的应用，必将使传统的煤矿监控系统产生划时代的变革。2.2 井下监控分站的系统设计要求和目标 本次设计的目标是设计并实现一种应用于煤矿安全生产监测监控系统中，在井下实时接收传感器的信息，能够进行分析处理并显示的井下监控分站装置。当某种参数超过一定界限时可以进行声光报警提醒，当该参数进一步升高时进行断电处理，例如瓦斯闭锁等动作。实现如下功能：（1）该监控分站体积小巧、灵活；（2）该监控分站具有数据采集功能，并且能够兼容模拟量（频率信号2001000Hz）和开关量信号（开停两态信号）输入，并且应该具有光电隔离功能；（3）该监控分站要有控制输出的功能，能够对后端设备起到远程开停控制的作用；（4）该监控分站可进行人机对话，要求具备键盘输入、液晶显示等功能；（5）该监控分站应考虑到井下复杂的电磁环境，在设计时要考虑到电磁屏蔽以及各输入输出通道的抗干扰措施；（6）设计实现过程中遵循可靠性、快速性、准确性等原则，确保系统设计目标的顺利完成并为以后的需求设计提供尽可能大的拓展空间。2.3 煤矿安全生产监测监控系统设计的主要内容此系统是一种集散控制系统，为了实现煤矿对于集中管理、分散控制的要求，分为井下分站与地面中心两级管理系统，如图1-1所示。该设计的完成，为煤矿的安全生产提供了重要保证。此次设计的主要内容包括：1）介绍煤矿安全生产监测监控系统的发展及存在的问题。2）系统的总体设计。主要详细介绍监控系统的组成。3）对监控系统的硬件设计和选型。a. 井上监控主站硬件选型设计，包括主站设计及要求；b. 井下监控分站设备选型设计，包括单片机的选型、传感器的选型与各种模块的设计；c. 矿用现场总线的选型设计。4） 系统的软件设计。3 监测监控系统的硬件设计与选型3.1 井上监控主站硬件选型地面监控中心设备是保证地面中心站设备长期稳定运行的首要条件，必须符合国标GB2887-82“计算站场地技术要求”，特别是在动力配电、恒温、恒湿、防尘、防静电、防雷击等方面，均需根据现场条件准确、合理地设计，精心地施工。现遵照国标GB2887-82的规定，拟订以下具体技术要求：3.1.1 地面监控中心要求1）动力供电根据国标第九节，按C级标准，即220V10%，50HZ2%，波形失真率20%。机房电源应设双路两级稳压供电，第二级为UPS不间断供电电源，它的输出供中心站主机，每台UPS功率应为1KVA以上，交流断电时，即刻由备用电源供电至少2小时以上，并发出警报信号。任何情况下，均不允许突然切断地面中心站主机的供电电源。设计人员必须实际调查，实测动力电源波动范围和动力电质量，从而确定要否采取更为严格的隔离措施、调压措施等。机房内应设置专用配电柜，UPS输出，稳压器输出均由配电柜引出，照明用电按国标第十节规定执行。配备与地面中心站相兼容的电源插座，其接线应符合国家规定的机电标准（对于插座，右插孔为火线，左插孔为零线，上端插孔为地线）。2）接地应为地面中心站机房提供三条地线：第1条 为系统工作地线，要求接地电阻4欧姆，接动力电源的输出零线；第二条为系统逻辑地线，要求接地电阻2欧姆，接动力电源的输出地线。零线与地线之间的电阻应0.5欧姆。第三条为防雷保护地线，防雷保护地线的接地电阻应10欧姆，并远离上述两条地线，避免雷击损坏地面监控中心设备。注：接地极应选择不小于0.5、5mm以上厚的铜板，深埋于2m以下的地中，引出1mm2铜线做母线，以保证接地极的可靠功用。3）恒温、恒湿要求机房内环境条件按国标第六节，开机时温度、湿度要求为A级，停机时温度、湿度要求为B级。4）防尘要求要求机房密封，无灰尘，达到B级。新风需经过滤后送进机房内。5）电磁场干扰采用防静电地板。机房内无线电干扰场强在0.15MHZ500MHZ时应126db；磁场干扰场强800A/M（参考国标第六节）。6）机房面积大于30平方米，距离矿调度室比较近（便于协调矿有关领导指挥调度），离井口又不远（节省通信电缆）；机房附近无腐蚀性物质。7）要求矿方选派若干名具有高中及以上文化程度并经考试的操作人员接受培训。系统应配备的专业技术人员有：计算机软件，硬件技术人员各一名，井下分站微型机技术人员一名，井下电路技术人员一名，井下通风技术人员一名。根据系统配置大小，可在此基础上增加技术力量。3.1.2 地面监控中心设备配置（1）根据煤矿安全规程规定，地面监控中心须配置2台工控机，一台工作一台备用。计算机配置为主频2.0G以上、硬盘40G、内存256M、17寸彩色监视器。考虑到公司下一步联网需要，中心站计算机还须配置10/100M局域网网卡1块。（2）为满足数据报表、统计、分析和管理的要求，地面监控中心须配置1台打印机。（3）为实现地面中心站主机对瓦斯超限的报警功能，地面监控中心须配置1块声卡和1对音箱，以便实现智能语音报警提示功能。（4）为实现地面监控中心计算机与井下分站之间本安电路与非本安电路的隔离和信号的转换，须配置2台通信接口装置，其中1台工作1台备用。（5）为避免地面通信线路雷击，计算机房配备1台线路防雷击保护装置，井口配备1台路防雷击保护装置，防止雷击通过通讯线路进入井下造成危险。（6）为保证监控主机的正常运行，保证电源的质量并满足交流断电后系统能继续工作2小时以上的时间，配置UPS不间断电源1台，交流净化稳压电源1台。3.2 井下监控分站设备选型 3.2.1 单片机选型 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机与PLC相比较，单片机具有以下特点：高集成度，体积小，高可靠性；控制功能强；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；易扩展；优越的性能价格比。所以，本设计采用MCS-51系列的8051单片机。在HMOS技术大发展的背景下，Intel公司在MCS-48系列的基础上MCS-51 系列单片机，于1980年推出了8位MCS-51系列单片机。它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。较早的MCS-51典型时钟为12MHz，而目前与MCS-51单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到40MHz甚至更高，现在已有400MHz的单片机问世。51系列单片机的特点：-8位CPU；-片内带振荡器，频率范围为1.2MHz12MHz；-片内带128B的数据存储器； -片内带4KB的程序存储器；-程序存储器的寻址空间为64KB；-片外数据存储器的寻址空间为64KB；-128个用户位寻址空间；-21个字节特殊功能寄存器；-4个8位的I/O并行接口：P0、P1、P2、P3；-两个16位定时、计数器；-两个优先级别的五个中断源；-一个全双工的串行I/O接口，可多机通信；-111条指令，包含乘法指令和除法指令；-片内采用单总线结构；-有较强的位处理能力；-采用单一+5V电源。8051单片机引脚及功能如下图3-1和3-2所示。 图3-1 MCS-51单片机引脚图 图3-2 MCS-51单片机引脚功能图 Fig.3-1 MCS - 51 single chip pins Fig.3-2 MCS - 51 Single chip pin function diagramP0口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7。P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入 每个引脚能驱动写入“1”时，可以作为高阻抗输入。P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7。P2口是一个带内部上拉电阻8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7。P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。RST/VPD（9引脚）：具有复位功能。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。/VPP（31引脚）：外部访问允许/编程电源输入端。ALE/（30引脚）：地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。（29引脚）：外部程序存储器读选通信号端，可驱动8个LSTTL负载。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输出端。VCC（40引脚）：电源电压+5V。VSS（20引脚）：接地。图3-3为MCS-51单片机主要功能部件结构图。 图3-3 MCS-51单片机主要功能部件结构图Fig.3-3 The main function of MCS-51 single chip component structure diagram本设计所采用的主控制芯片是MCS-51系列的8051。在8051片内存储器中，80HFFH共128个单元位特殊功能寄存器（SFR），并非所有的地址都被定义。如从80HFFH共128个字节中只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。（1）复位操作复位是对单片机进行初始化的操作。其主要是把单片机初始化为0000H，从而可以使单片机执行程序从0000H单元开始。（2）时钟电路8051内部自带一个用来构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此 放大器的输入端和输出端。时钟有两种产生方式，分别为内部方式产生和外部方式产生。本设计所采用的是内部方式产生。内部方式产生的时钟电路，只需要在引脚RXD和TXD上接定时元件，内部振荡器就可以产生自激振荡。定时元件通常采用电容和石英晶体组成的并联谐振回路。（3）定时器/计数器程序设计需要完成对频率信号的采集，需要设置定时器/计数的值。寄存器TMOD用于设定定时器/计数器的工作方式。它不能按位寻址，其内容只能用字节传送指令来设置。TMOD定时器工作方式控制寄存器如表3-1所示。表3-1 TMOD定时器工作方式控制寄存器Tab.3-1 Control register TMOD timer modeD7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/M1M0GATEC/M1M0定时器T1 定时器T0说明：高4位用于定时器T1的工作方式控制，低4位用于定时器T0的工作方式控制。GATE：门控制位。当GATE=0时，定时器/计数器的运行不受外部输入引脚的控制；当GATE=1时，定时器/计数器的运行受外部引脚输入电平的控制。因此前者为内部控制，后者为外部控制。C/：定时方式或计数方式选择位。当C/=1时，定时器/计数器为计数方式，计数脉冲从外部引脚输入（T0为P3.4，T1为P3.5）；当C/=0时，定时器/计数器为定时方式，计数脉冲是内部脉冲，其计数脉冲的周期等于机器周期。M1、M0：工作方式选择位。定时/计数方式选择说明如表3-2所示。表3-2 定时/计数方式选择说明Tab.3-2 For timer / counter mode descriptionM1M0功 能 说 明00110101方式0，为13位计数/定时方式方式1，为16位计数/定时方式方式2，为8位常数自动重新装入计数/定时方式方式3，仅使用T0，分为两个8位计数器3.2.2 传感器选型1）甲烷传感器（1）选用KGJ7C