【文章內(nèi)容簡介】 00～ 400℃），顯著的提高銀基 LNC的 NOx轉化率 [2]。 近年來，國內(nèi)外研究結果表明，尾氣后處理技術大大降低了 柴油機有害 3 物的排放，尾氣后處理技術從處理方法上不外乎化學方法和物理方法，化學方法主要是催化、凈化處理方法，而高效催化劑的研制和開發(fā)是催化、凈化技術的核心，用到氮氧化合物的催化還原、氮氧化合物的貯存還原、碳煙的催化燃燒等流程。物理方法是采用水洗法來降低柴油機顆粒物的排放。柴油機的尾氣通過水洗箱時尾氣中的顆粒沉淀在水洗箱內(nèi)，同時還能降低排氣溫度。 煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，是目前為止實際通風尾氣管理工作中最重要和最有效的自動化手段，已經(jīng)裝備監(jiān)控系統(tǒng)的煤礦的尾氣易燃事故率大為下降，實踐證明，煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)對保障 煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)率，提高煤礦自動化程度，以及促進煤礦管理現(xiàn)代化水平，都有著舉足輕重的作用。 如今我國煤炭系統(tǒng)的國統(tǒng)礦和地方礦都是現(xiàn)代化礦井，在前幾年達標過程中，大部分都安裝了一套安全生產(chǎn)調度監(jiān)測系統(tǒng)或通風安全監(jiān)測調度系統(tǒng)。用來及時掌握生產(chǎn)或通風系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)信息，這對發(fā)揮生產(chǎn)指揮的準確性、靈活性、快捷性起到重要的作用。但是目前的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件大多運行于 DOS 平臺或單機運行于 Windows 平臺。根本不能適應知識經(jīng)濟時代高速網(wǎng)絡發(fā)展的需要，嚴重制約了煤礦企業(yè)企業(yè)信息化的發(fā)展。為了改變煤礦 現(xiàn)有的指揮管理落后面貌，在煤礦系統(tǒng)中應用最新計算機軟件及網(wǎng)絡技術，改造和完善煤礦的現(xiàn)有管理系統(tǒng)，組成技術先進，功能完善的現(xiàn)代化礦井計算機網(wǎng)絡管理指揮生產(chǎn)安全監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。我國從八十年代初期開始引進煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，歷經(jīng)了直接引進、消化吸收、仿制配套、自主開發(fā)的過程，但迄今為止的產(chǎn)品大多都是面對大型礦井設計的，而且自身尚有一些有待解決的問題，如 :造價高，系統(tǒng)最基本的配置過于龐大，運行費用大，傳感器測量穩(wěn)定性差，調校頻繁，壽命短，系統(tǒng)安裝、維護復雜，操作不便，人機界面較差，系統(tǒng)設備可靠性差，必須依賴專業(yè)的維護隊伍，對人員技術，素質有較高的要求。國外的監(jiān)控系統(tǒng)技術理 4 論上講高于國內(nèi)發(fā)展水平，但應用于國內(nèi)煤礦尚有一定的局限性，如煤礦管理模式生產(chǎn)方式的不同，價格過高不適于國內(nèi)煤礦現(xiàn)有條件，除在傳感器技術方面可供借鑒外，其它僅具一定參考價值。綜合來說，目前市場上的每種系統(tǒng)都可能存在檢測量單一、量程小、體積大、功耗大、 需短期內(nèi)校準、使用壽命短、無數(shù)據(jù)傳輸方式等其中某種或某幾種缺點。因此，十分需要研制一種新型多功能煤礦檢測儀以克服現(xiàn)有設備存在的各種問題，使其具有微型化、智能化、低功耗、無線化并能夠準確的測量出井下 的環(huán)境因素 [3]。 從現(xiàn)在的國家煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀及我國能源結構規(guī)劃均可看出，在本世紀中葉以前，煤炭仍是支持我國國民經(jīng)濟發(fā)展的主要能源。但是煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況卻不容樂觀，中小型煤礦的情況尤為嚴重，已經(jīng)直接威脅到整個煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國家財產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，柴油機尾氣排放的污染物已經(jīng)引起了嚴重的礦井環(huán)境污染問題，對井下工作人員造成極大地威脅，尾氣后處理是柴油機尾氣污染治理必不可少和最有效的技術之一。因此研制煤礦井下柴油機尾氣監(jiān)測控制及報警系統(tǒng)對國家的煤礦井下良好的環(huán)境建設減少中毒事故發(fā)生有著及 其重要的意義。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應用，豐富了我國煤礦安全監(jiān)控產(chǎn)品的市場，改善了煤礦安全技術裝備的面貌，縮小了我國與國外先進技術水平的差距 [4]。 課題的主要研究內(nèi)容與要求 設計的主要內(nèi)容與要求是：設計一個 CO 與氮氧化合物安全監(jiān)控系統(tǒng)，將 CO 與氮氧化合物氣體濃度許可值上限通過電腦程序輸入系統(tǒng)中，在氣體濃度的一定范圍內(nèi)進行安全檢測，在氣體濃度達到上限時進行自動加強通風，如果通風系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電路實現(xiàn)自動報警功能，及時通知礦內(nèi)工作人員。這個單片機氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)以下功能：氣體測試，超過設定的門限值 后自動加強通風裝置。氣敏傳感器檢測儀檢測氣體濃度，再加上濃度 5 監(jiān)測與自動加強通風，通過顯示器顯示礦內(nèi) CO 和氮氧化合物的濃度值 [5]。 6 第 2 章系統(tǒng)功能介紹及方案設計 主要對防爆柴油機的尾氣的濃度和風量的控制進行分析，對整體系統(tǒng)方案進行設計。 系統(tǒng)性能的描述 在生活中如果有一個能及時發(fā)現(xiàn)有毒及易爆氣體，并且能自動加強通風量而且還能報警，這無疑是給井下煤礦工人的工作環(huán)境的安全上了雙重保險?；谶@個思路，設計了 CO 與氮氧化合物監(jiān)測自動通風報警系統(tǒng)。能夠較為準確科學的檢測防爆柴油機尾氣排放的 濃度，當氣體達到一定門限值時就會自動通風，如果通風系統(tǒng)出現(xiàn)故障則會自動報警，從而達到實時安全監(jiān)控作用。 系統(tǒng)方案的設計 總體方案： 圖 22 系統(tǒng)框圖 該設計采用 PIC16F877 作為單片機進行控制，傳感信號包括 CO 氣敏傳感器 MGS1100 和氮氧化合物檢測儀型號選擇 M314919，其中 MGS1100 是一 7 種新型的專門設計定位于家庭用途的 CO 氣體檢測器。在微型結構硅橋結構中嵌入的加熱器上制作一層 SnO2 薄膜，由于硅膜減少了熱傳導的熱損失，從而大大降低了功耗。此傳感器溫度是隨著可燃氣體濃度的升高而線 性升高的。氣敏傳感器輸出的信號送給 TLC2543 轉換成數(shù)字量送給單片機 ,監(jiān)測電路可靠工作。氣體檢測電路的主要功能是監(jiān)測氣體濃度值。設置氣體濃度臨界值，超過臨界值通風系統(tǒng)電路工作，當通風系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報警電路響應。這種系統(tǒng)的可靠性強且容易實現(xiàn)，而且方便操作，完全實現(xiàn)監(jiān)測、控制、處理、報警一體化 [6]。 風量的控制 改變井下工作小環(huán)境，除了控制防爆柴油機本身有害物的排放外，另一個更重要的手段就是適當增加和合理配置井下的通風量和布置合理的通風系統(tǒng)，強制稀釋發(fā)動機排出的多種廢氣成分。 按照 MT99020xx《礦用防爆柴油機通用技術條件》的要求，礦用井下防爆柴油機在 MT220 規(guī)定的工況條件下，未經(jīng)稀釋的排氣中，其有害成分的體積濃度不能超過下列許可值：一氧化碳（ CO）為 %；氮氧化合物（ NOx)為 %。對于國內(nèi)增壓中冷柴油機，一般經(jīng)濟油耗率為 206～ 225g/(kWh),標定工況下耗油率為 270～ 290g/(kWh),因此，增壓中冷柴油機在標定工況下需要的新鮮空氣量 m1。如式（ 221）所示。 m1=agbL0=(kWmin) （ 221） 在 20℃時， 1標準大氣壓下空氣的密度為 179。；則需要的空氣量m1= /=179。/(kWmin)。由以上計算可知，對于一臺 100KW的發(fā)動機，需要的空氣量 m。如式（ 222）所示。 m=100 m1=（ 222） 其中 a 為過量空氣系數(shù)。如式（ 223）所示。 8 a=L/L0= m1/(gbL0) （ 223） m1 為每循環(huán)進入氣缸的實際空氣量； gb 為每循環(huán)噴油量 ； L0 為 1kg燃油完全燃燒所需的理論空氣量，輕柴油 L0=。 按照規(guī)定的要求，礦用柴油機車在煤礦井下正常運行時，排氣中的 CO和 NOx 的排放濃度被巷道中風流稀釋后，井下空氣中的 CO、 NOx 不得超過下列規(guī)定：一氧化碳（ CO）為 %；氮氧化物（ NOx）（換算成 NO2）：25%。 關于煤礦井下使用柴油機設備的通風要求，按煤礦工程設計手冊的要求，每千瓦需配風 ～ 4m179。/min。由式（ 222)計算可知，稀釋柴油 機廢氣需要的空氣量遠大于柴油機本身工作需要的空氣量。因此，在計算整個井下供風系統(tǒng)時，防爆柴油機本身工作需要的空氣量可以忽略不計 [7]。 第 3 章各部分的電路選擇與設計 9 單片機的選擇 目前，在各種單片機設計中所使用的通用單片機芯片以 INTEL 的 51系列和 MICROCHIP 的 PIC 系列為主，而由于 51 系列單片機指令系統(tǒng)復雜，外圍接口功能較弱，所以整個硬件系統(tǒng)的設計決定采用 MICROCHIP 公司推出的新型處理芯片 PIC16F877，它的指令系統(tǒng)精煉實用?？梢灾貜蜔洺绦蜻m合教學、開發(fā)新產(chǎn)品 等用途；而其內(nèi)建 ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機電路或產(chǎn)品上，進行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進行程序除錯與開發(fā)。 圖 31 PIC16F877 引腳圖 PIC16F877 屬于閃控式 (Flash)單片機，可以重復燒錄，其 ROM 的容量總共是 8K words，以 2K為一個 page，區(qū)分為 4 個 pages；內(nèi)部 RAM 總共有 512 個字節(jié) (00f～ 1FFh)，以 128個字節(jié)為一個 Bank，共區(qū)分為 4個 Bank，每個 Bank 的前半段都有其特殊用途，分 別連接到其特殊功能模塊，例如 I/O、CCP、 Timer、 USART、 MSSP 等。 PIC16F877 屬于內(nèi)嵌功能較多的單片機，除了 CPU、 POM、 RAM、 I/O 等基本構造外，還包括以下各種功能，簡介如下： A/D converter：模擬數(shù)字轉換器，最多可以讀取 8 組模擬輸入訊 10 號。 CCP： Capture、 Compare、 PWM，用于控制直流馬達。 Timer ，內(nèi) 部 定時 器 ， 有 Timer0 、 Timer1 、 Timer2 等。 USART（ Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter） ，同步 /異步串行傳輸，如 RS23 RS485 等。 MSSP： Master Synchronous Serial Port，兩線式 (I2C)與三線式 (SPI)標準同步串行傳輸協(xié)定，常用于 EEPROM 內(nèi)存資料的燒錄與讀取，或是與其它集成電路溝通與聯(lián)系，形成多芯片網(wǎng)絡。 PIC 單片機之所以能夠獲得廣泛應用，是因為它具有一系列特點，例如PIC 的哈佛雙總線結構、 RISC 指令系統(tǒng)、單周期指令、快速的執(zhí)行速度、簡單的尋址方式、程序和數(shù)據(jù)分開存儲的模式、 I/O 引腳的獨立編程能力和較大的 驅動能力、豐富的功能部件、多種編程方式以及一系列微控制特性等。這些特性都是使 PIC 單片機得到迅速推廣應用的技術基礎 [8]。 電源電路的設計 在此設計中電源電路是為各個部分硬件電路最基本的供電電路，依據(jù)以上各個硬件電路設計情況以及所需電壓值一共設計出三種電源電路： 5V、12V、 15V。 5V 電源電路設計如 321 所示： 圖 321 5V 電源設計圖 此電源電路采用 LM7805 芯片，它采用的是三端正電源穩(wěn)壓電路。它有一系列的電壓輸出，應用非常的廣泛這中類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護和安全工作 區(qū)的保護，使它基本不會受到損壞。如果能夠提供足夠 11 的散熱片，它就能提供大于 的輸出電流 。 12V 電源電路設計如圖 322 所示： 圖 322 12V 電源設計圖 LM7815 與 LM7915 三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電流內(nèi)部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠方便而且價格便宜。 15V 電源電路設計如圖 323 所示： 圖 323 15V 電源設計圖 電流、電壓、采集電路的設計 電流互感器和電壓互感器在電路中的作用就是“檢測元件”，我們對大 12 電流和高電壓直接測 量起來不方便、也不安全，就開發(fā)了這種電器當作人們的“眼睛”，隨時監(jiān)視著電路的電流和電壓。 電流互感器的作用就是用于測量比較大的電流。電流互感器把大電流按一定比例變?yōu)樾‰娏?，提供各種儀表使用和繼電保護用的電流，并將二次系統(tǒng)與高電壓隔離。它不僅保證了人身和設備的安全，也使儀表和繼電器的制造簡單化、標準化，提高了經(jīng)濟效益。（將很大的一次電流轉變?yōu)闃藴实?安培； 為測量裝置和繼電保護的線圈提供電流； 對一次設備和二次設備進行隔離。） 輸入電流時次級會產(chǎn)生一個與變比相應的輸出電流。通過運算放大器將電流信號轉化成電 壓信號，調節(jié)反饋電阻的值在輸出端得到所要求的電壓輸出。電容及可調電阻用來補償相移。 本設計采用微型 CT 作為系統(tǒng)電器參量的采集與系統(tǒng)隔離，防止系統(tǒng)干擾的侵入。本設計中采用星格公司的 SCT254AX 精密電流互感器，該互感器小巧輕便，隔離度高，耐沖擊性強。輸入額定電流為 5A，額定輸出電流為 。 圖 3311電流互感器 電壓互感器的作用就是把高電壓按比例關系變換成 100V或更低等級的標準二次電壓，供保護、計量、儀表裝置使用，同時使用電壓互感器可以將高電壓與電氣工作人員隔離。電壓互感器雖然也是按照電 磁感應原理工作的設備，但是它的電磁機構關系與電流互感器相比正好相反。電壓互感器二次回路是高阻抗回路，二次電流的大小由回路阻抗決定。當二次負載阻抗減小時，二次電流增大，使得一次電流自動增大一 13 個分量來滿足一、二側