【正文】 第 1 頁(yè) 1 緒論 本次課題研究的背景與意義 在工業(yè)生產(chǎn)中有各種各樣的控制問(wèn)題，其解決 的 程度直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)效益和管理水平。 最初的工業(yè)過(guò)程控制是通過(guò)單元組合儀表進(jìn)行原始分散控制，各控制回路相互獨(dú)立，其優(yōu)點(diǎn)是某一控制回路出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其它回路的正常工作；其缺點(diǎn)是硬件過(guò)多，自動(dòng)化程度不高，難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。隨后出現(xiàn)了集中控制，它是通過(guò)計(jì)算機(jī)將控制回路的運(yùn)算、控制及顯示等功能集于一身，其優(yōu)點(diǎn)是硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制；其缺點(diǎn)是危險(xiǎn)集中，局部出現(xiàn)故障會(huì)影響整體。鑒于以上原因 ，人們開(kāi)始研究集中分散控制。隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、圖像顯示技術(shù)的發(fā)展， 70 年代中期，吸收原始分散控制和集中控制兩者優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)的集中分散控制系統(tǒng)誕生了。 現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍非常廣泛，一些高精度、高危險(xiǎn)行業(yè)相繼采用了集散控制系統(tǒng)，均取得了很好的效果。煤炭生產(chǎn)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)危險(xiǎn)系數(shù)較高的行業(yè)，其安全問(wèn)題一直倍受關(guān)注，而且越來(lái)越多的人開(kāi)始重視這一問(wèn)題。于是煤礦中的安全監(jiān)控系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了，安全監(jiān)控系統(tǒng)中處核心地位的就是集散控制系統(tǒng) (DCS)了。 我國(guó)是世界上煤炭資源最豐富的國(guó)家之一 ，不僅儲(chǔ)量大，分布廣，而且種類(lèi)齊全，煤質(zhì)優(yōu)良，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化提供了極為有利的條件。但在我國(guó)煤炭生產(chǎn)中，煤礦事故的死亡率一直居高不下。據(jù)報(bào)導(dǎo)， 2021 年全國(guó)煤礦企業(yè)共發(fā)生傷亡事故 3341 起，死亡 5986 人。其中，因瓦斯造成的事故占絕大多數(shù)，只要是因瓦斯發(fā)生的事故，非死即傷，形勢(shì)非常嚴(yán)峻。 礦井中的爆炸性氣體主要成分是甲烷，是易燃易爆氣體中的一種，約占井下易燃易爆氣體的 85%左右。當(dāng)甲烷濃度達(dá)到 5%15%時(shí)，遇到火源或者火花就會(huì)發(fā)生爆炸；當(dāng)達(dá)到 25%30%時(shí)，人就會(huì)出現(xiàn)窒息前的癥狀，頭暈、呼吸增快 、渾身乏力，注意力不集中，甚至窒息。因此，在煤礦井下，甲烷濃度超出安全范圍非常危險(xiǎn)，將對(duì)礦工的生命安全和生產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的威脅。所以，能否對(duì)煤礦中甲烷氣體濃度進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，直接影響著礦工和生產(chǎn)的安全。而甲烷傳感器是煤礦下監(jiān)測(cè)甲烷濃度的主要設(shè)備。 本次設(shè)計(jì)的任務(wù) 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)很多，其中最重要的就是瓦斯的濃度。監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛鹊闹饕O(shè)備是瓦斯傳感器系統(tǒng)，目前市面上通用的瓦斯傳感器有很多，一般各有各的適用場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)則是設(shè)計(jì)一個(gè)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng) 第 2 頁(yè) 中最前端、最重要的設(shè)備 —— 智能瓦 斯傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)礦井中瓦斯的濃度。 在傳感器的設(shè)計(jì)中，先提出總體設(shè)計(jì)方案，然后分別設(shè)計(jì)各硬件方面、軟件方面、通信方面、抗干擾方面。最后，對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。 第 3 頁(yè) 2 集散控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)概述 集散控制系統(tǒng)又名分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，國(guó)外最早稱(chēng)為分散控制系統(tǒng)，即 DCS( Distributed Control System)。后來(lái)又叫做集中 (總體 )分散控制系統(tǒng) ( Total Distributed Control System)，我國(guó)習(xí)慣上稱(chēng)之為集散控制 系統(tǒng)或 DCS。它是以微機(jī)處理器為基礎(chǔ)，繼承單元組合儀表及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，充分利用了控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、圖像顯示技術(shù) (即 4C 技術(shù) )的應(yīng)用成果；集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯控制和數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)。其主要特征是 :集中管理，分散控制。自 1975 年第 1套集散控制系統(tǒng) TDC 2021誕生以來(lái)，以后的 20 多年中，各類(lèi)集散控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、煤礦、冶金、煉油、紡織、制藥等行業(yè)，均取得了很好的效果。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)劃分，可以分為集中控制和分布式控制 。 集中控制是 指由單一 的計(jì)算機(jī)完成控制系統(tǒng)的所有功能 ，并 對(duì)全部被控對(duì)象實(shí)施控制的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 。 其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的整體性和協(xié)調(diào)性好，但對(duì)計(jì)算機(jī)的可靠性和安全性要求甚高 ； 而分布式控制系統(tǒng) （ DCS） 則以多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別承擔(dān)不同的控制功能和處理范圍，不僅處理能力大大提高，而且將危及 到 系統(tǒng)安全的因素降 到了最 低。 傳統(tǒng)意義上的 DCS 系統(tǒng)的最基本構(gòu)圖式如圖 21所示。圖中 :C1， C2， ?? ，Cn為控制 ； f1， f2， ??fn 為反饋信息。對(duì) DCS 系統(tǒng)而言，各控制單元之間沒(méi)有直接 的 信息聯(lián)系，各控制單元有自己的性能指標(biāo)，控制策略和算法，且其性能指標(biāo) 和控制算法等由決策單元按一定優(yōu)化準(zhǔn)則調(diào)節(jié)給出。如果圖 21 中去掉決策單元，就成了分散控制系統(tǒng) (Decentralized Control System)，它并不具備 DCS 的上述特性 和功能 。 圖 21 DCS 的基本構(gòu)成構(gòu)圖 第 4 頁(yè) 在工程中， DCS 系統(tǒng)除 了具有 控制功能 之外 ，還要實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、管理等其它功能 。所以其具體的組成就相對(duì)復(fù)雜， 系統(tǒng)組成框圖如圖 22 所示。 圖 DCS 系統(tǒng)組成框圖 由圖 22可見(jiàn)， DCS 系統(tǒng)實(shí)際上是一種分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)。各控制器 完成過(guò)程 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制任務(wù)，根據(jù)控制對(duì)象特性，可以分別情況，采用順序控制，程序控制，模擬量控制等等，其控制策略與控制算法要隨被控對(duì)象與要求而定。數(shù)據(jù)采集器用于收集控制信息和被控過(guò)程的各種狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)采集任務(wù)不但可由控制器完成，也可由一般儀表和邏輯箱完成?？刂破骱蛿?shù)據(jù)采集器在控制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后經(jīng)高速數(shù)據(jù)通道送到上級(jí)計(jì)算機(jī)和 CRT 操作站 。 CRT 操作站是顯示操作 的 裝置，監(jiān)控級(jí) (計(jì)算機(jī) )通過(guò)協(xié)調(diào)各控制器的工作，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化。管理級(jí) (計(jì)算機(jī) )具有管理功能，又兼具對(duì)監(jiān)控級(jí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控 的 功能 。 它具有豐富的 信息資源，能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象進(jìn)行監(jiān)控，制定計(jì)劃，進(jìn)行成本核算，對(duì)設(shè)備和人員進(jìn)行管理等，以實(shí)現(xiàn)被控過(guò)程的靜態(tài)最優(yōu)化和綜合自動(dòng)化。 集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 集散控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)有：分級(jí)遞階控制、分散控制、功能齊全、易操作、安全可靠性高等，下文就詳細(xì)介紹這些特點(diǎn)。 （ 1）分級(jí)遞階控制。 集散控制系統(tǒng)是分級(jí)遞階控制系統(tǒng)，它的規(guī)模越大，系統(tǒng)垂直和水平分級(jí)的范圍也越廣。 以微處理器為核心的基本控制器，不但能代替模擬儀表完成常規(guī)的模擬控制， 而 且能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法控制和程序控制。在基本控制器內(nèi)可采用固化的應(yīng)用軟件 ，在控制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，減少了信息的傳輸，大大減少了上級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理量，降低了對(duì)上級(jí)計(jì)算機(jī)的要求，使系統(tǒng)程序應(yīng)用較為簡(jiǎn)單。 （ 2）分散控制。 第 5 頁(yè) 分散控制是集散控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)。分散的含義不單是控制的分散，還包括人員地域的分散、功能分散、設(shè)備分散、負(fù)荷分散、危險(xiǎn)分散。它的目的是將危險(xiǎn)分散，提高設(shè)備的使用率。 在現(xiàn)場(chǎng)就地安裝控制器，不僅節(jié)省了輸入輸出電纜的長(zhǎng)度，同時(shí)減少了傳輸信號(hào)的干擾。在功能上各控制器各自為政，各自獨(dú)立完成各自的功能，使系統(tǒng)故障分散，從而使系統(tǒng)可靠性大為提高 。 （ 3）功能 齊全。 可完成簡(jiǎn)單回路調(diào)節(jié)、復(fù)雜多變量模型優(yōu)化控制，可執(zhí)行 PID 控制算法、前饋 —— 反饋復(fù)合調(diào)節(jié)、史密斯預(yù)估、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制等各種運(yùn)算?？蛇M(jìn)行反饋控制，也可進(jìn)行間斷順序控制、批量控制、邏輯控制、數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、顯示、打印、輸出、報(bào)警、歷史趨勢(shì)貯存等各種操作要求。 （ 4）易操作性。 集散控制系統(tǒng)根據(jù)對(duì)宜人學(xué)的研究，結(jié)合系統(tǒng)組態(tài)、結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)，為操作工提供了一個(gè)非常好的操作環(huán)境。為操作員提供的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息易于辨認(rèn)，報(bào)警或事件發(fā)生的信息能引起操作員的注意，長(zhǎng)時(shí)間工作不易疲勞，操作方便、快捷 。 （ 5）安全可靠性高。 為了提高系統(tǒng)的可靠性，確保生產(chǎn)持續(xù)運(yùn)行，集散控制系統(tǒng)在重要設(shè)備和對(duì)全系統(tǒng)有影響的公共設(shè)備上采用了后備冗余裝置，并引入容錯(cuò)技術(shù)。硬件上包括操作站、控制站、通訊線路等都采用雙重化配置，使得在某一個(gè)單元發(fā)生故障的情況下，仍然保持系統(tǒng)的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。從軟件上采用分段與模塊化設(shè)計(jì)，積木式結(jié)構(gòu)，采用程序卷回或指令復(fù)執(zhí)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 （ 6）可設(shè)置多功能的 CRT 操作站以實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控與操作。 第 6 頁(yè) 3 DCS 在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用 集散控制系統(tǒng) (Distributed Control System,簡(jiǎn)稱(chēng) DCS)是以多臺(tái)微處理器為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng)。 DCS 以其控制分散、集中管理、系統(tǒng)規(guī)?？纱罂? 小、配置靈活、組態(tài)方便以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。是目前工業(yè)過(guò)程控制中，尤其是大中型生產(chǎn)裝置控制中應(yīng)用最多、可靠性最高的控制系統(tǒng)，如石化企業(yè)的各種裝置 (減壓精餾裝置、催化裂化裝置、乙烯裝置等 )；冶金企業(yè)的高爐、電弧爐、連續(xù)加熱爐、鍋爐、軋機(jī)等控制；火力發(fā)電機(jī)組和各種大型變電站的自動(dòng)控制；企業(yè)的能源控制和管理系統(tǒng)；高級(jí)樓宇自動(dòng) 化系統(tǒng)等。下文就著重講述 DCS 在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的產(chǎn)生背景 近年來(lái)，煤礦礦井開(kāi)采逐漸增多，自然災(zāi)害的威脅也不斷突出。不少礦井的瓦斯涌出量增多，粉塵危害變得更加嚴(yán)重，煤炭自然發(fā)火也更難于控制。原有的礦井通風(fēng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井安全生產(chǎn)的需要。由于這些自然條件和生產(chǎn)環(huán)境的變化，使得礦井的不安全因數(shù)增加。 礦井安全問(wèn)題已經(jīng)成為影響煤炭工業(yè)生產(chǎn)，保持礦井持續(xù)、健康發(fā)展以至于影響社會(huì)穩(wěn)定的重大問(wèn)題。這對(duì)礦井安全的科研工作提出了更高的要求，需要進(jìn)一步研究礦井自然災(zāi)害的預(yù)防及控制 技術(shù)，不僅要為國(guó)家重點(diǎn)礦井、高產(chǎn)高效礦井提供有效的安全保障系統(tǒng)，同時(shí)也要為地方礦井、鄉(xiāng)鎮(zhèn)礦井提供簡(jiǎn)易有效的安全保障系統(tǒng)，以便有效的防止和減少災(zāi)害的發(fā)生和由此帶來(lái)的損失。 礦井監(jiān)控技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)起步于 80 年代初期，至今已得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。期間，隨著新材料技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越完善。監(jiān)控系統(tǒng)從其通訊方式上劃分，先后經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是每個(gè)傳感器需一對(duì)傳輸線連接到地面的星型結(jié)構(gòu)；第二階段是在一對(duì)傳輸線上實(shí)現(xiàn)多路頻率分割的載波傳輸 ；第三階段是目前應(yīng)用最多的中心站和分站之間的半雙工時(shí)分總線方式。此外，還有中心站和分站之間的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但這兩者也分別因使用電纜多和抗故障能力差的缺點(diǎn)，逐步被淘汰。如今，在總線方式結(jié)構(gòu)下，開(kāi)發(fā)了以微處理器為基礎(chǔ) ，繼承單元組合儀表及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，充分利用了控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、圖像顯示技術(shù) (即 4C 技術(shù) )的應(yīng)用成果，集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯控制和數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)綜合控制系統(tǒng)—— 集散控制系統(tǒng)被用于各個(gè)領(lǐng)域。其主要特征是：集中管理，分散控制。集散控制系統(tǒng)即 DCS 廣泛應(yīng)用在各種 煤礦礦井中，均取得了不錯(cuò)的效果。下面就詳細(xì)介紹以 DCS為基礎(chǔ)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。 第 7 頁(yè) 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng) 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程控制調(diào)度通信技術(shù)綜合于一體。作為整個(gè)礦井網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)的一部分，主要監(jiān)控礦井上下各類(lèi)安全參數(shù)、生產(chǎn)參數(shù)及電力參數(shù)。其主要工作過(guò)程就是：井下分站將所接的各種傳感器接收的各種參數(shù)一方面?zhèn)鬏斀o地面主機(jī)，另一方面根據(jù)參數(shù)自行判斷輸出控制信號(hào)。而主機(jī)接收到信號(hào)后，對(duì)它們進(jìn)行判斷處理，一方面發(fā)出控制信號(hào)和其它信號(hào)，另一方面進(jìn)行外設(shè)輸出顯示并存貯，使整個(gè) 煤礦生產(chǎn)安全中進(jìn)行。 下圖 31就是一個(gè)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 圖 31 KJ103 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)主要功能介紹 （ 1）可監(jiān)測(cè)監(jiān)控瓦斯、風(fēng)速、負(fù)壓、一氧化碳、煙霧、溫度、風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)等環(huán)境參數(shù)，煤倉(cāng)煤位、水倉(cāng)水位、壓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、箕斗計(jì)數(shù)、各種機(jī)電設(shè)備開(kāi)