计算机技术课程设计-煤矿瓦斯报警监控系统设计

1、计算机控制技术课程设计课题题目：煤矿瓦斯报警监控系统设计学生姓名： 学号：学院：目录第一章 绪论11.1 课题的设计背景及意义11.1.1 设计背景11.1.2 设计意义21.2 国内外技术现状21.2.1 国内技术现状21.2.2 国外技术现状31.3 设计内容4第二章 系统整体设计52.1 系统测控对象简介52.1.1 结构52.1.2 测控要求62.2 系统整体结构及工作原理62.2.1 结构框图62.2.2 工作原理72.2.3 各主要部件作用7第三章 系统硬件设计83.1 上位计算机选型83.2 硬件设计83.2.1 控制模块93.2.2 主机和备机103.3.3 井上监控平台103.3.4 控制系统框图11第四章 系统软件设计124.1 总体设计124.1.1 软件功能需求分析124.1.2 软件架构124.1.3 开发工具简介124.2 软件功能模块设计134.2.1 主程序设计134.2.2 程序设计15第五章 设计总结175.1 系统总结175.2 设计过程总结17参考文献18第一章 绪论1.1 课题的设计背景及意义1.1.1 设计背景一个国家的经济发展命脉跟能源息息

2、相关。随着人类对化石燃料的疯狂开采，各类能源的价格上升飞快，与此同时，煤炭这类能源开始日益显示出其在能源行业的重要地位。由于煤炭属于地下作业生产，并且地下的自然条件和生产条件都十分复杂，历年来都有各种各样的严重事故，均是由于在煤炭开采过程中出现的瓦斯涌出、煤尘飞扬和自然发火等造成。所以，为了防止事故的发生， 保障矿工的健康和安全，促进生产发展，提高煤炭企业的经济效应，应对井下的气象进行监测，对可能造成灾害事故的各种有害气体及矿尘进行及时而准确的检测和严格控制，一旦发生灾变，必须及时救护遇难人员和处理事故。然而，中国煤炭行业的安全形势却不容乐观，尤其是重大矿井灾难事故屡见报端，在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数。这其中固然有很多诱发因素，但个体煤矿生产企业安全监测设备不完备、管理手段落后是造成事故的重要因素之一。煤矿生产安全监控系统，是目前为止煤矿甲烷管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的企业事故发生率大为下降，实践证明煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产， 提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度以及促进煤矿管理现代化水平都有着举足轻重的作用。图 1-1 为我国矿井的安全

3、综合监控系统。图 1-1 矿井安全综合监控系统91.1.2 设计意义从我国煤炭生产现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的、稳定的，但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是稳居重大事故发生率之首，图 1-2 位矿井瓦斯爆炸后的救援工作。特别是最近几年发生了多起甲烷爆炸事故，其结果令人触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷检测监控水平，已成为中小型煤矿甲烷检测监控的最迫切的任务之一。1.2 国内外技术现状图 1-2 煤矿瓦斯爆炸后的救援工作煤矿生产安全监控系统虽在国内已有生产和应用，但还没有一种真正适用于中小型煤矿适用的产品，我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些亟待解决的问题。1.2.1 国内技术现状国内针对大型矿井设计的产品通常

4、有以下几个方面的问题：造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大；传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短；系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差，系统设备可靠性差；必须依赖专业的维护队伍，对人员的技术、素质有较高的要求。以山西省为例，近几年，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台（如图 1-3），是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。目前，该省国有重点煤矿 121 座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，在线运行率达 100%。地方煤矿现有 2806 座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行 2671座。这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。1.2.2 国外技术现状图 1-3 山西省煤矿安全质量标准化信息管理平台国外的监控系统在技术理论上讲高于国内发展水平,但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外， 其它仅具有一定参考价值。图

5、 1-4 为国外煤矿检测技术的装置图和结构图。（a）（b）图 1-4 国外煤矿检测技术的装置图（a）和结构图（b）综上所述，开发研制适用于中小型煤矿生产安全监控系统的任务迫在眉睫，而根据我国煤矿生产和管理模式，依照我国的有关技术标准，其技术的先进性、产品的可靠性和实用性则是本项目的关键所在。1.3 设计内容随着计算机和总线技术的发展，越来越多的科学家和工程师采用基于 PC 的数据采集系统来完成实验室研究和工业控制中的测试测量任务。基于 PC 的 DAQ 系统（简称 PCs）的基本特点是输入、输出装置为板卡的形式，并将板卡直接与个人计算机的系统总线相连，即直接插在计算机主机的扩展槽上。而且由于 PCs 价格低廉、组成灵活、标准化程度高、结构开放、配件供应来源广河应用软件丰富等特点，是一种很有应用前最的计算机控制系统。所以本项目才用的就是此系统。第二章 系统整体设计2.1 系统测控对象简介2.1.1 结构本次设计为煤矿瓦斯报警监控系统设计，结构图为图 2-1 所示。图 2-1 结构图表 2-1 数据采集卡的种类与用途输入/输出信息来源及用途信息种类相配套的接口板卡产品温度、压力、位移、转速

6、、流量等来自现场设备运行状态的模拟电信号模拟量输人信息模拟量输入板卡限位开关状态，数字装置的输出数码，接点通断状态，“0”“1”电平变化数字量输入信息数字量输人板卡执行机构的执行、记录等(模拟电流/电压)模拟量输出信息模拟量输出板卡执行机构的驱动执行、报警显示、蜂鸣器等（数字量）数字量输出信息数字量输出板卡流量计算、电功率计算、转速、长度测量等脉冲形式输入信号脉冲量输入信息脉冲计数/处理板卡操作中断、事故中断、报警中断及其他需要中断的输入信号中断输入信息多通道中断控制板卡前进驱动机构的驱动控制信号输出间断信号输出步进电动机控制板卡串行/并行通信信号通信收发信息多口 RS-232/RS-422 通信板卡远距离输入/输出模拟（数字）信号模拟/数字量远端信息远程 I/O 板卡(模块)2.1.2 测控要求要求煤矿瓦斯报警系统能在瓦斯含量超限时自动发出报警功能，并且记录当时画面情况，瓦斯监控报警系统如图 2-2 所示。监控报警系统可采集瓦斯、风速、一氧化碳、温度等以及风门、馈电等开关量，从而实现风、电、瓦斯闭锁功能；监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，防患于未然；系统同时具有自动控制功能和手

7、动控制功能，具有故障报警和故障统计功能，当出现停电事故时，监控系统仍然可以工作 2h 以上，监控系统通过收集井下各个安装点的参数计算出瓦斯数据含量，煤矿监控员能直观地监视和记录井下工作现场的生产情况找出事故原因，宽带网将各个煤矿和安监局监控的系统连接成一个网络，这样安监局可以随时向各个煤矿提取数据，实现对各煤矿的联系和监控。2.2 系统整体结构及工作原理图 2-2 报警系统2.2.1 结构框图本设计的瓦斯监测系统主要包括井上监控平台和井下监控平台，井上监控平台与井下井控平台均与矿井内的检测单元连接，检测单元将检测到的信息发送至井上监控平台与井下井控平台，井上监控平台与井下井控平台通信连接，井下监控平台可以将井下信息发送至井上监控平台，以便于井上人员实时了解井下状况，井上监控平台可以通过通信电缆向井下监控平台发送控制指令。井下井下监控平台分别于电源、风机、报警单元、应急照明单元和定位单元连接，井下监控单元负责井下瓦斯的监控，实时调节风机转速，并在发生事故时能通过定位单元及时定位井下人员位置，开启照明设备。如图 2-3 所示。2.2.2 工作原理图 2-3 检测报警系统该系统通过多个检测单

8、元可以实现对井下不同区域的实时瓦斯监测，井上、井下监控平台通过网络通信连接，能够及时获得瓦斯预警信息，启动风机，通知作业人员撤离，避免事故发生。2.2.3 各主要部件作用该系统主要包括井上监控平台和井下监控平台，所述井上监控平台与井下井控平台均与矿井内的检测单元连接，所述检测单元将检测到的信息发送至井上监控平台与井下井控平台，所述井上监控平台与井下井控平台通信连接，井下监控平台将井下信息发送至井上监控平台，所述井上监控平台通过通信电缆向井下监控平台发送控制指令，所述井上监控平台包括控制器，控制器用于煤矿的整体运行，控制器分别与网络服务器、数据库和 GPRS 通信单元连接，控制器通过 GPRS 通信单元可以将矿上的实时情况发送给管理人员，网络服务器负责井上监控平台的网络通信。第三章 系统硬件设计3.1 上位计算机选型上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是 PC，屏幕用于显示音频信号变化。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。合适的上位机可以提高程序运行的效率以达到最佳效果。本系统中，上位计算机型选择 ThinkCentre E74 Y，下面对其配置进行简单介绍。最高搭载全新第六代智能英特尔酷睿 i7 处理器-6700，性能卓越；选用 512GB 固态硬盘，容量足够大，能够迅速响应，答复增强系统速度；DDR4 全新一代内存芯片，贷款频率提升至 2133MHz，提供更流畅的运行体验；显卡配备为 AMD Radeon R9 Series Graphics 独立显卡，支持 4K 输出、3D MARD11 跑分高达 6500 分；最大支持 32GB DDR4 内存，有效提升系统性能；具备 4 个 USB 3.0 接口。3.2 硬件设计为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图做详细的说明，使上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。PC 与 PCI-1710HG 数据采集卡组成的气体浓度测控系统如图 3-1 所示。图中，瓦斯浓度传感器检测气体浓度变化，通过浓度变送器转换为 4 20mA 电流信号，经过 250 欧姆电阻转换为 15V 电压信号送入数据采集卡模拟量输入 1 通道(引脚 34 是 AI1，引脚 60 是 AIGND)。当检测浓度大于计算机设定的上限值，计算

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