【正文】 防工作是安全生產(chǎn)的重點(diǎn)。 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于煤炭生產(chǎn)行業(yè)，它起源于對礦井瓦斯檢測的安全需求。煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)是伴隨著煤炭生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，采煤工作面產(chǎn)值不斷提高，對環(huán)境和生產(chǎn)參數(shù)的檢測要求也越來越高。隨著微電子技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突飛猛進(jìn)計(jì)算機(jī)更加廣泛地進(jìn)入工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，并且發(fā)揮 著越來越大的作用。同時，計(jì)算機(jī)技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，利用計(jì)算機(jī)作為工控機(jī)對生產(chǎn)和環(huán)境參數(shù)的實(shí)時檢測是煤炭生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。 國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展 我國煤礦安全監(jiān)控技術(shù)起步較晚， 80 年代初，從國外等引進(jìn)了一批安全監(jiān)控系統(tǒng)，裝備了部分煤礦 。通過引進(jìn)、消化、吸收，并結(jié)合我國煤礦生產(chǎn)的實(shí)際情況，研制出 KJKJ KJ KJ1 KJ1 KJ3 KJ6 KJ7 KJ80、 KJ92 等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并實(shí)際應(yīng)用于我國煤炭生產(chǎn)行業(yè)。事實(shí)證明，安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)中是極其重 要的應(yīng)用。 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，我們國家相繼推出 KJ90、 KJ9 KJ10KJF20 KJG2020 等監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。 同時在 “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)控系統(tǒng)。 國外煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展 外國礦井監(jiān)測技術(shù)在 20 世紀(jì) 60 年代開始發(fā)展，從技術(shù)特點(diǎn)來說，監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)階段的劃分主要依據(jù)是從信息傳輸方法的進(jìn)步。外國最開始的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的采用空分制來進(jìn)行信息傳輸，法國 CTT63/40 是這類礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的代表，它最多 可以測量40 個測量。以信道的頻分制技術(shù)的為特點(diǎn)煤礦監(jiān)控技術(shù)的 第二代產(chǎn)品，其結(jié)果傳輸 信道的電纜 芯數(shù)大大減少，它很快 取代 第一代監(jiān)控系統(tǒng)。第三代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)是由 2 于集成電路的出現(xiàn)促進(jìn)了時分制系統(tǒng)的發(fā)展。英國煤炭 科學(xué)研究總院在 1976 年推出了基于時分的 MINOS 煤礦 監(jiān)控系統(tǒng)從而引起了轟動。到 20 世紀(jì) 80 年代初， MINOS 系統(tǒng)相當(dāng)成熟，在英國得到了大量的推廣。 到了 80 年代計(jì)算機(jī)， 大規(guī)模集成電路，數(shù)字 通信等現(xiàn)代技術(shù) 得到了快速發(fā)展。在這段時間，美國憑借自身的高科 技優(yōu)勢，率先把 計(jì)算機(jī)技術(shù)，大規(guī)模 集成電路技術(shù)，數(shù)據(jù) 通信技術(shù)等現(xiàn)代科技應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)，從而使煤礦監(jiān)控技術(shù)得到了高速發(fā)展。它創(chuàng)建一個分布式的基于微處理器的第四代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)。最具代表的是美國 MSA DAN6400系統(tǒng)。 課題研究意義 安全監(jiān)控技術(shù)的不斷提高以及大量的推廣使用，產(chǎn)生了明顯的效果，大大降低了煤礦百萬噸死亡率。安全監(jiān)控系統(tǒng)也由早期的 地面單微機(jī)監(jiān)控發(fā)展成為 網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測監(jiān)控以及不同 監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。其主要由監(jiān)控主機(jī)、通信 接口裝置、井下監(jiān)控分站、各類傳感器組成。 煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要功能 是能夠及時、準(zhǔn)確地反映各類監(jiān)測信息。從而滿足諸如瓦斯、一氧化碳、風(fēng)速、溫度、負(fù)壓等環(huán)境參數(shù)及設(shè)備開停、風(fēng)門開閉、風(fēng)筒風(fēng)量以及環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、皮帶運(yùn)輸、供電系統(tǒng)等不同監(jiān)測對象的要求。以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中對礦井各類參數(shù)進(jìn)行全面綜合地監(jiān)測。 本課題研究的意義在于 ， 通過安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和顯示 ， 可以把煤礦井下個傳感器的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況上傳到監(jiān)控中心 ， 使井下現(xiàn)場工作的情況一目了然。用技術(shù)來彌補(bǔ)人的疏漏 ， 從而對煤礦井下進(jìn)行一體化監(jiān)測監(jiān)控 ， 實(shí)現(xiàn)人值守或少人值守 ， 保證煤礦的安全生產(chǎn)。 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排 論文的主要內(nèi)容 本課題要是設(shè)計(jì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)井下監(jiān)控分站的設(shè)計(jì)，需要做的主要工作如下： (1) 井下監(jiān)控分站的總體設(shè)計(jì) 查閱安全監(jiān)控系統(tǒng)的國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r，在總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，對監(jiān)控分站進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定監(jiān)控分站要實(shí)現(xiàn)的功能。 (2) 井下監(jiān)控分站的硬件設(shè)計(jì) 3 根據(jù)監(jiān)控分站所要實(shí)現(xiàn)的功能，擬將監(jiān)控分站的硬件設(shè)計(jì)分為八個模塊：電源電路、傳感器開關(guān)量輸入通道、圧頻轉(zhuǎn)換電路、控制輸出模塊、撥碼開關(guān)電路、聲光報(bào)警電路 、鍵盤操作和 液晶顯示電路。 (3) 井下監(jiān)控分站的軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：選擇合適型號的單片機(jī)， 完成要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)采集、控制輸出、 鍵盤操作和 液晶顯示等功能 。 (4) 系統(tǒng)的整合、調(diào)試和進(jìn)一步完善。 論文的結(jié)構(gòu)安排 本文共分為 6 章： 第 1 章：概述本課題相關(guān)研究領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，本課題的研究意義、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 第 2 章：介紹煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成 和 工作原理 以及 介紹 井下安全監(jiān)測監(jiān)控分站的 設(shè)計(jì)目標(biāo)、總體設(shè)計(jì) 第 3 章：介紹煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)井下監(jiān)控分站的設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)和其硬件設(shè)計(jì)各個模塊及其功能。 第 4 章：介紹煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)井下監(jiān)控分站軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 第 5 章：簡要介紹硬件測試、系統(tǒng)的測試同時進(jìn)行功能分析。 第 6 章：總結(jié)論文并做工作展望。 1． 4 本章小結(jié) 本章開始講述了本文的選題背景、國內(nèi)外發(fā)展歷史及本課題及本課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，然后講述了研究的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。提出了本文需要研究的主要內(nèi)容，并對文中的具體章節(jié)進(jìn)行了安排。 4 2 煤礦 井下監(jiān)控分站設(shè)計(jì)的總體方案 2． 1 礦井監(jiān)控系統(tǒng)的組成 礦井監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)（監(jiān)控軟件）、井下分站、各種相關(guān)礦用傳感器等組成。由圖可以看出，這三者組成的是典型的集散控制系統(tǒng)。井下監(jiān)控分站將采集到的各類傳感器數(shù)據(jù)上傳給地面監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)對所采集的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后控制煤礦各級設(shè)備的工作狀態(tài)。礦井監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。 圖 21 礦井監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 地面監(jiān)控主機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、查詢、顯示、儲存、打印等功能，同時，操作員發(fā)出的設(shè)備控制命令也是通過地面監(jiān)控主機(jī)完成的。 地面監(jiān)控主機(jī)也有顯示測量參數(shù)、數(shù)據(jù)報(bào)表、圖形生成、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、故障統(tǒng)計(jì)和報(bào)表、報(bào)告打印功能。其中，部分 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng) 連接功能，采用通用 的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò) 終端與監(jiān)控主機(jī)之間實(shí)時通信和實(shí)時數(shù)據(jù)查 詢等功能。 傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)能正確 反映被測環(huán)境及設(shè)備參數(shù)的 關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品 ,傳感器提供是整個監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的第一手資料。當(dāng)前煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器主要 有瓦斯、風(fēng)速、一氧化碳、溫度、負(fù)壓、水倉水位、煤倉 煤位、電流、電壓和監(jiān)控主機(jī)井下監(jiān)控分站傳感器井下監(jiān)控分站傳感器 傳感器 傳感器 5 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 開關(guān)量傳感器。 傳感器工作原理框圖 22 所示。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)。對于井下傳感器輸出的開關(guān)量信號，我們可以通過隔離技術(shù)直接接入井下分站；而對于模擬量信號，因其傳輸距離的衰減，各種電氣設(shè)備的干擾的，所以無法將其模擬量信號直接上傳到井下分站，所以在這里我們要對傳感器輸出的信號進(jìn)行處理，處理分為兩種方式，一種是通過圧頻轉(zhuǎn)換，將模擬量信號轉(zhuǎn)換成頻率信號上傳到井下分站，另一種是將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)制信號，通過 RS485 或其他方式上傳到井下分站。 圖 22 傳感器原理圖 井下分站 圖 23 井下監(jiān)控分站原理框圖 單片機(jī)開 關(guān) 量 信 號 輸 入電 源 模 塊聲 光 報(bào) 警控 制 輸 出分 站 地 址液 晶 顯 示與 監(jiān) 控 主 機(jī) 通 信模 擬 量 信 號 輸 入敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 信號處理輔助電源被測信號（ 非電量 ） （ 電信號 ）輸出信號 6 圖 23 為井下監(jiān)控分站工作的原理框圖。通用監(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堋?如圖 23，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)量信號通過光耦隔離進(jìn)入單片機(jī)，模擬量信號經(jīng)過圧頻轉(zhuǎn)換以頻率信號輸入單片機(jī)。單片機(jī)對輸入信號經(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。 井下監(jiān)控分站系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中，在井下實(shí)時接收傳感器的信息，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)超過一定界限時可以進(jìn)行聲光報(bào)警提醒，當(dāng)該參數(shù)進(jìn)一步升高時進(jìn)行斷電處理，例如瓦斯閉鎖等動作。 實(shí)現(xiàn)如下功能： （ 1）該監(jiān)控分站體積小巧、靈活； （ 2）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 200~1000Hz）和開關(guān)量信號（開停兩態(tài)信號）輸入，并且應(yīng)該具有光電隔離功能； （ 3）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)程開停控制的作用； （ 4）該監(jiān)控分站可進(jìn)行人機(jī)對話，要求具備鍵盤輸入、液晶顯示等功能； （ 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)時要考慮 到電磁屏蔽以及各輸入輸出通道的抗干擾措施； （ 6）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中遵循可靠性、快速性、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。 井下監(jiān)控分站的總體設(shè)計(jì) 功能綜述：要說明什么是監(jiān)控分站，就要先說說煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)是一種集散控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)煤礦對于集中管理、分散控制的要求，分為井下分站與地面中心兩級管理系統(tǒng)，如圖 所示。分站采用多個 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)，具有數(shù)據(jù)采集、控制輸出、鍵盤輸入、液晶顯示、聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋? 7 分站在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中起到的作用如圖所示：當(dāng)分站接收到地面主機(jī)的詢問信號后，就立即將該分站所接收的各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號傳給地面主機(jī)；各分站循環(huán)分時對接收到的各傳感器信號（開關(guān)量、模擬量和累積量）進(jìn)行各種檢測、變換和其他處理，并隨時等待主機(jī)的詢問。當(dāng)需要對井下設(shè)備進(jìn)行控制時，主機(jī)會將控制命令與分站巡檢信號同時傳給指定的井下分站，由分站通過繼電開關(guān)等方式控制井下設(shè)備。 監(jiān)控分站設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖 24 所示： 圖 24 監(jiān)控分站設(shè)計(jì)的原理框圖 圖 24 為所設(shè)計(jì)井下監(jiān)控分站的原理框圖。如圖 31 所示，分站設(shè)計(jì)兩路開關(guān)量輸入通道，兩路模擬量輸入通道，撥碼開關(guān)確定分站地址，輸出部分包括液晶顯示、聲 光 報(bào)警和控制輸出，電源模塊分別各單片機(jī)、輸入和輸出部分供電。 小結(jié) 單片機(jī)開 關(guān) 量 信 號 輸 入電 源 模 塊聲 音 報(bào) 警控 制 輸 出撥 碼 開 關(guān)液 晶 顯 示模 擬 量 輸 入開 關(guān) 量 信 號 輸 入模 擬 量 輸 入 圧 頻 轉(zhuǎn) 換圧 頻 轉(zhuǎn) 換 8 本章 簡單 介紹了煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的主要構(gòu)成，并對其構(gòu)成的功能、工作原理進(jìn)行了說明。 本章主要介紹了井下監(jiān)控分站設(shè)計(jì)的目標(biāo)和設(shè)計(jì)的總體方案。 9 3 煤礦井下監(jiān)控分站的 硬件 設(shè)計(jì) 井下監(jiān)控分站作為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的連接紐帶，在整個安全監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。所以監(jiān)控分站可以實(shí)現(xiàn)以下功能：對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括開關(guān)量 信號 和模擬量 信號 ；對采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析 ，通過輸出通道進(jìn)行 報(bào)警處理和控制其設(shè)備的動作情況； 可以通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的改變， 對采集到的數(shù)據(jù)的 值 進(jìn)行 液晶 顯示 等 ； 井下監(jiān)控分站設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù) 因?yàn)楸O(jiān)控分站工作于煤礦井下，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜特殊，所以分站的設(shè)計(jì)要滿足以下工作參數(shù)： 環(huán)境條件 分站在下列條件下應(yīng)能正常工作： (1) 環(huán)境溫度： 0℃ ～ 40℃ (2) 平均相對濕度： 不大于 95％（ +25℃ ） (3) 大氣壓力： 80～ 106kPa (4) 煤礦井下有瓦斯、煤塵等爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境 電源電壓、電流 直流： 15V177。20%。工作電流： ≤300mA。 輸入輸出容量 (1) 2 路開關(guān)量 /模擬量 (可以擴(kuò)展至 4 路 )； (2) 2 路開關(guān)量信號輸出（可以擴(kuò)展至 4 路）； 輸入輸出信號 (1) 開關(guān)量輸入信號 高電平時，信號幅度應(yīng)不小于 3V，電流應(yīng)不小于 1mA；低電平時，信號幅度應(yīng)不大于 ，電流應(yīng)不大于 ； (2) 模擬量輸入信號 200～ 1000Hz 頻率信號（適當(dāng)修改分站軟件，也適于輸入不高于 1200Hz 的頻率信號），脈寬大于 ，幅度不小于 3V，電流應(yīng)不小于 1mA；