矿山机电班王燕ebtj.docx
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1、毕业设计计(论文)(说 明明 书)题目:煤煤矿瓦斯斯监控系系统的设设计与实实现姓 名:王燕学号:220100200006994平顶山工工业职业业技术学院20133 年 5 月 20日平顶山工工业职业业技术学学院毕业设计计 (论文) 任任 务书姓名王燕燕专业班级级矿山机机电(主主方向)一一班任 务 下 达达 日 期20013年年3月4日设计(论论文)开始日期期20113年3月11日设计(论论文)完完成日期期20113年5月20日设计(论论文)题目:煤矿矿瓦斯监监控系统统的设计计与实现现指 导教教师马强系(部)主主 任 郭宗跃跃20133 年 5 月月 200 日平顶山工工业职业业技术学学院毕业设
2、计计(论文)答答辩委员会记记录电力工程程系矿山机机电(主主方向)专业,学生王燕于年月日进行了毕业设计(论文)答辩。设计题目目:煤矿矿瓦斯监监控系统统的设计计与实现现专题(论论文)题目:煤矿矿瓦斯监监控系统统的设计计与实现现指导老师师:马强答辩委员员会根据据学生提交交的毕业业设计(论文)材材料,根根据学生答辩情况,经答辩委员会讨讨论评定定,给予学生王燕毕业业设计(论文)成成绩为 。答辩委员员会人,出出席人答辩委员员会主任任(签字):答辩委员员会副主主任(签签字):答辩委员员会委员:, , ,。平顶山工工业职业业技术学院毕业设计计(论文)评语语第页共页学生姓名名:王燕燕专业班级级矿山机机电(主主方
3、向)一一班 年级10级级毕业设计计(论文)题目: 煤矿瓦瓦斯监控控系统的的设计与与实现评阅 人人:指导教师师: (签字) 年 月月 日成 绩:系(科)主主任: (签签字) 年 月 日日毕业设计计(论文)及及答辩评评语:平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书(论文)摘要煤炭是我我国的主主要能源源,煤矿矿安全生生产中有有很多重重大危险险源,其其中瓦斯斯安全事事故频发发,如何何预防瓦瓦斯灾害害的发生生,保障障煤矿安安全生产产,一直直是广大大煤炭科科技工作作者研究究的重要要课题。随随着煤矿矿大型工工作面及及巷道的的产生,瓦瓦斯传感感器和分分站的传传输距离离拉长,同同时开采采深度不不断的增增加,使使瓦斯变
4、变化越发发无常,这这就给煤煤矿瓦斯斯监控带带来了新新的问题题:如何何能够有有效的检检测现场场信号;如何进进行远距距离传输输、实时时处理;如何确确保系统统的稳定定性等。本本文针对对上述问问题进行行研究,应应用计算算机技术术、单片片机技术术和通讯讯技术,开开发出了了“煤矿瓦瓦斯安全全监控系系统”,较好好的解决决了煤矿矿瓦斯监监控系统统中的这这些问题题。论文的主主要工作作如下:以AT8895552单片片机作为为硬件电电路核心心,研制制煤矿瓦瓦斯(CCH4)监测系系统,开开发出实实现对CCH4的的识别、浓浓度监测测、阀值报警警以及实实时上传传数据至至地面监监控PCC,通过过串口通通讯软件件界面显显示。
5、论论文首先先阐述了了CH44监测系系统的发发展及现现状,通通过对无无火焰燃燃烧式CCH4传传感器的的原理分分析确立立了系统统的研发发方向;接着介介绍了监监测系统统的设计计要求,由由于煤矿矿井下工工作环境境特殊,空空间狭窄窄,湿度度大,有有易燃易易爆的瓦瓦斯和煤煤尘,所所以,煤煤矿电气气设备必必须符合合防爆要要求,应应有接地地、过流流、漏电电保护装装置。在在此基础础上,详详细论述述了瓦斯斯气体监监测系统统的硬件件电路设设计与系系统软件件设计及及实用分分析。本本课题采采用具有有较高性性价比的的单片机机AT8895552构成成煤矿气气体监测测系统的的核心部部分,根根据气体体传感器器测量的的信号,实实
6、现对CCH4的的成分识识别和浓浓度测量量;使用用按键面面板输入入外部命命令;采采用ATTMELL公司的的 DaataFFlassh存储储器ATT24CC02存存储设定定的参数数及大_量的测测量数据据;采用用RS一一4855协议,实实现数据据远传,由由地面串串口通讯讯软件接接收处理理。串口口通讯软软件对单单片机而而言意义义重大,不不但可以以实现将将单片机机的数据据传输到到电脑端端,而且且能实现现电脑对对单片机机的控制制。关键词:瓦斯监监控系统统传感器器控制目录摘要1目录2第一章瓦瓦斯简介介41.1瓦瓦斯气体体简介441.2煤煤矿瓦斯斯监测系系统概述述41.3传传感器简简述91.4瓦瓦斯断电电装置
7、1101.5本本课题研研究的意意义111第二章瓦瓦斯传感感器原理理122.1催催化燃烧烧式1222.2光光学式1152.3热热导式1152.4半半导体气气敏原件件.162.5瓦瓦斯检测测新技术术17第三章煤煤矿瓦斯斯监测系系统的设设计与实实现2003.1系系统原理理框图2203.2系系统的特特点及主主要功能能203.3系系统硬件件设计2213.3.1系统统电源2213.3.2模数数转换芯芯片ADD78110的原原理及应应用2333.3.3 MMAX772199显示电电路2663.3.4 II2C总总线接口口电路2293.3.5看门门狗硬件件电路3333.4系系统软件件设计3343.5电电话自动
8、动监控瓦瓦斯氧气气报警器器的研究究与开发发35第四章总总结与展展望3994.1研研究工作作总结3394.2研研究工作作展望339参考文献献41致谢422第一章瓦瓦斯简介介1.1瓦瓦斯气体体简介1.瓦斯斯性质及及瓦斯参参数测定定瓦斯是指指矿井中中主要由由煤层气气构成的的以甲烷烷为主的的有害气气体,有有时单独独指甲烷烷。瓦斯斯是一种种无色、无无味、无无臭、可可以燃烧烧或爆炸炸的气体体,难溶溶于水,扩扩散性较较空气高高。瓦斯斯无毒,但但浓度很很高时,会会引起窒窒息。 瓦斯在煤煤层中的的赋存形形式主要要有两种种状态:在渗透透空间内内的瓦斯斯主要呈呈自由气气态,称称为游离离瓦斯或或自由瓦瓦斯,这这种状态
9、态的瓦斯斯服从理理想气体体状态方方程;另另一种称称为吸附附瓦斯,它它主要吸吸附在煤煤的微孔孔表面上上和在煤煤的微粒粒内部,占占据着煤煤分子结结构的空空位或煤煤分子之之间的空空间。2.瓦斯斯爆炸当空气中中瓦斯含含量为55%16%时,遇遇火会引引起爆炸炸,造成成事故。矿井瓦瓦斯不助助燃,但但它与空空气混合合成一定定浓度后后,遇火火能燃烧烧、爆炸炸。瓦斯斯爆炸时时会产生生3个致命命的因素素:爆炸炸火焰、爆爆炸冲击击波和有有毒有害害气体。瓦瓦斯爆炸炸不仅造造成大量量的人员员伤亡,而而且还会会严重摧摧毁矿井井设施、中中断生产产。矿井井瓦斯爆爆炸往往往引起煤煤尘爆炸炸、矿井井火灾、井井巷坍塌塌和顶板板冒落
10、等等二次灾灾害。引引起瓦斯斯燃烧与与爆炸必必须具备备3个条件件:一定定浓度的的甲烷、一一定温度度的引火火源和足足够的氧氧气。1.2煤煤矿瓦斯斯监测系系统概述述煤矿安全全监测系系统是煤煤炭高产产、高效效、安全全生产的的重要保保证。世世界各主主要产煤煤国对此此都十分分重视,研研制、生生产和推推广使用用了环境境安全、轨轨道运输输、胶带带运输、提提升运输输、供电电、排水水、矿山山压力、火火灾、水水灾、煤煤与瓦斯斯突出、大大型机电电设备健健康状况况等监控控系统,提提高了生生产率和和设备利利用率,增增强了矿矿山安全全。由于于煤矿井井下是一一个特殊殊的工作作环境,有有瓦斯(主主要成份份是甲烷烷)等易易燃、易
11、易爆性气气体,有有硫化氢氢等腐蚀蚀性气体体,有淋淋水、环环境潮湿湿、空间间狭小、矿矿尘大,电电磁干扰扰严重、电电网电压压波动大大、工作作场所分分散且距距离远。因因此,矿矿井监控控系统不不同于一一般工业业监控系系统。这这主要体体现在电电气防爆爆、传输输距离远远、网络络结构宜宜采用树树形结构构、监控控对象变变化缓慢慢、电网网电压波波动适应应能力强强、抗干干扰能力力强、抗抗故障能能力强,不不宜采用用中继器器、传感感器宜采采用远程程供电、设设备外壳壳防护性性能要求求高等方方面。因因此,一一般工业业监控原原理和技技术难以以直接运运用到矿矿井监控控系统中中。因此此,有必必要借鉴鉴一般工工业监控控原理和和先
12、进技技术,针针对矿井井监控的的特殊性性,进行行矿井监监控理论论和系统统的研究究,这对对于促进进矿井监监控理论论和技术术发展、促促进产品品标准化化与通用用化,降降低设备备成本、提提高系统统可靠性性、保障障煤炭高高产、高高效安全全生产,具具有重大大的理论论意义和和实用价价值。同同时,对对石油、化化工等爆爆炸性环环境和其其它矿井井监控具具有参考考价值。一国内内外瓦斯斯监控系系统的发发展从19660年开开始,随随着微型型计算机机技术、通通信技术术的发展展,国外外煤矿安安全检测测已经不不单单是是自动检检测矿井井瓦斯浓浓度参数数,而是是集多种种安全状状态参数数于一体体的检测测技术,是是传感器器技术、半半导
13、体材材料技术术以及通通信技术术的综合合产品。从从技术特特性来看看,其信信息传输输是靠空空分制,即即一个测测点信号号靠一对对电缆来来传输。其其中最具具代表性性的是220世纪纪60年代代中期法法国的CCCT66340煤矿矿环境监监测系统统,它可可测量瓦瓦斯、一一氧化碳碳、风速速、温度度等参数数,最多多测400个点。我国催化化型瓦斯斯传感器器的研究究工作,最最早出现现于19958年年的山西西省,它它采用纯纯铂丝元元件为传传感器,后后经多方方协作研研制出我我国第一一个达到到实用水水平的载载体催化化元件,随随后研制制成功以以这种元元件为传传感器的的AQRR-1型型瓦斯测测量仪。到到了19973年年,重庆
14、庆煤矿安安全仪器器厂等55家单位位协作,研研制成功功了长期期连续监监测瓦斯斯的AYYJ-11型瓦斯遥遥测仪,随随后又有有ABDD-1型型瓦斯断断电报警警仪、AAQD-1型采采煤机瓦瓦斯断电电控制仪仪等产品品出现,我我国催化化型矿井井瓦斯检检测仪器器的品种种逐渐丰丰富起来来 。同同时,在在20世纪纪70年代代,我国国煤矿已已经采用用了多种种载波传传输技术术和模拟拟显示进进行环境境参数和和机械状状态的监监测,用用电话来来指挥生生产。随随着改革革开放的的国策出出台,我我国开始始引进了了波兰CCMM安安全监测测系统、英英国的MMINOOS系统统、美国国的DAAN系统统和联邦邦德国的的TE-2000系统
15、。到到了800年代,随随着引进进消化并并进一步步实现“国产化化”,创造造了一系系列适合合我国煤煤矿条件件的监测测监控系系统。到到了900年代,我我国先后后研制出出了KJJ2、KJ44、KJ88、KJ113、KL119、KJ338、KJ666、KJ775、KJ880等煤煤矿安全全监测监监控系统统。随着着电子技技术、计计算机软软硬件技技术的迅迅猛发展展和企业业自身发发展的需需要,国国内各主主要科研研单位和和生产厂厂家又相相继推出出了KJJ90、KJ995、KJ1101、KJFF20000、KJ44、KJ220000和KJGG20000等监监控系统统,以及及MSNNM、WEBBGISS等煤矿矿安全综
16、综合化和和数字化化网络监监测管理理系统。同同时,“先抽后后采、监监测监控控、以风风定产”的十二二字方针针和煤煤矿安全全规程等等法规文文件,规规定我国国各大、中中、小煤煤矿的高高瓦斯或或煤与瓦瓦斯突出出矿井必必须装备备矿井安安全监测测监控系系统。1、早期期的矿井井监控系系统矿井监控控系统是是由瓦斯斯遥测系系统发展展而来的的。瓦斯斯遥测系系统是用用来监控控井下环环境中甲甲烷浓度度的监控控系统,并并具有瓦瓦斯超限限声光报报警和断断电功能能。瓦斯斯遥测系系统一般般由甲烷烷传感器器、断电电仪、遥遥测仪和和记录仪仪组成,如如图 11.1 所示。图 1.1早期期的矿井井监控系系统甲烷传感感器将被被测甲烷烷浓
17、度转转换为电电信号送送断电仪仪,并具具有甲烷烷浓度显显示和甲甲烷浓度度超过报报警门限限后声光光报警功功能(也也有一些些瓦斯遥遥测系统统将声光光报警箱箱与传感感器分离离)。甲甲烷传感感器至断断电仪最最大传输输距离为为1 Kmm ,采采用3 芯或或4 芯矿矿用信号号电缆(1 芯用作信号线、1 芯用作地线、1 芯用做断电仪向传感器供电),模拟基带信号传输(电压型、电流型或频率型)。断电仪对对甲烷传传感器送送来的甲甲烷浓度度信号进进行调制制,将调调制后的的信号经经2 芯矿矿用信号号电缆远远距离传传送至位位于地面面的遥测测仪。由由于断电电仪至遥遥测仪之之间距离离较远(可可达100Km ) ,为为减少电电
18、缆用量量,降低低系统成成本,便便于系统统安装与与维护,断断电仪至至遥测仪仪之间采采用频分分多路复复用,复复用路数数一般为为510 路。断断电仪同同时对接接收到的的甲烷浓浓度信号号进行判判别,若若超过断断电门限限,则通通过控制制继电器器切断被被控区域域的动力力电源,并并实现闭闭锁。断断电仪还还兼作电电源,将将井下电电网的交交流电转转换为断断电仪和和传感器器所需的的本质安安全型直直流电源源。遥测仪对对接收到到的调制制信号解解调后显显示,并并进行报报警判别别,当甲甲烷浓度度超过报报警门限限时,发发出声光光报警信信号。记记录仪将将甲烷浓浓度实时时记录下下来。瓦斯遥测测系统的的主要技技术特征征是:单单一
19、甲烷烷监测、就就地断电电控制、声声光报警警、数码码管或模模拟表头头显示、多多笔记录录仪记录录、频分分多路复复用、单单向模拟拟传输、树树形网络络结构、采采用分立立组件或或中、小小规模集集成电路路。在发展甲甲烷遥测测系统的的同时,为为了保证证轨道运运输、提提升运输输、胶带带运输等等运输系系统的安安全、提提高生产产率和设设备利用用率,推推广应用用了模拟拟盘调度度系统。例例如,用用于轨道道运输监监控的信信、集、闭闭系统,用用于提升升运输监监控的信信号系统统和用于于胶带运运输监控控的信号号系统等等。这些些系统均均采用集集中监控控,每路路信号使使用一对对电缆芯芯线接至至总控制制台、总总控制台台使用指指示灯
20、显显示设备备状态,为为形象直直观、常常常将设设备图形形等制成成背景,在在被监控控的设备备处设置置指示灯灯,如图图 1.2所示。这这些系统统的技术术特征是是单一开开关量监监控、继继电器闭闭锁控制制、一对对一模拟拟传输、模模拟盘指指示灯显显示、星星形网络络结构、采采用分立立组件或或中、小小规模集集成电路路。图 1.2 模拟拟盘调度度系统2、矿井井监控系系统现状状随着传感感器技术术、电子子技术、计计算机技技术和信信息传输输技术的的发展和和在煤矿矿的应用用,为适适应机械械化采煤煤的需要要,矿井井监控系系统由早早期的单单一参数数的监测测系统,发发展为多多参数单单方面监监控系统统。煤矿瓦斯斯监控系系统主要
21、要用来监监测甲烷烷浓度并并实现甲甲烷超限限声光报报警、断断电和甲甲烷风电电闭锁控控制等。这些系系统一般般由传感感器、执执行机构构、分站站、电源源箱(或或电控箱箱)、主主站(或或传输接接口)、主主机(含含显示器器)、打打印机、模模拟盘、多多屏幕、UUPS 电源、远远程终端端、网络络接口电电缆和接接线盒等等组成。传感器将将被测物物理量转转换为电电信号,经经3 芯或或4 芯矿矿用电缆缆(其中中1 芯用用于地线线、1 芯用用于信号号线、11芯用于于分站向向传感器器供电)与与分站相相连,并并具有显显示和声声光报警警功能(有有些传感感器没有有显示、或或没有声声光报警警)。执行机构构(含声声光报警警及显示示
22、设备)将将控制信信号转换换为被控控物理量量,使用用矿用电电缆与分分站相连连。分站接收收来自传传感器的的信号,并并按预先先约定的的复用方方式(时时分制或或频分制制等)远远距离传传送给主主站(或或传输接接口),同同时接收收来自主主站(或或传输接接口)多多路复用用信号(时时分制或或频分制制等)。分分站还具具有线性性校正、超超限判别别、逻辑辑运算等等简单的的数据处处理能力力、对传传感器输输人的信信号和主主站(或或传输接接口)传传输来的的信号进进行处理理,控制制执行机机构工作作。传感感器及执执行机构构距分站站的最大大传输距距离一般般不大于于2Km 。因因此,一一般采用用星形网网络结构构(1 个传传感器或
23、或1 个执执行机构构使用ll 根电电缆与分分站相连连)单向向模拟传传输。分分站至主主站之间间最大传传输距离离达100Km ,为为减少电电缆用量量、降低低系统电电缆投资资、便于于安装维维护、提提高系统统可靠性性,通常常采用22 芯(用用于单工工、或单单向)、3 芯或4 芯(用于双向)矿用信号电缆时分制或频分制多路复用(也有采用码分制),树形网络结构、或环形网络结构、或树形与星形混合网络结构,串行数字传输(基带传输或频带传输,异步传输或同步传输)。电源箱将将井下交交流电网网电源转转换为系系统所需需的本质质安全型型直流电电源,并并具有维维持电网网停电后后正常供供电不小小于2 小时时的蓄电电池。主站(
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