基于以太网的煤矿瓦斯监测报警系统

摘要

煤炭资源约占我国能源总量的七成以上,是我国重要的基础能源和材料。但是,我国的煤矿安全生产形势却不容乐观,煤矿瓦斯安全事故频发,如何预防好瓦斯爆炸的灾害,保障煤矿安全生产,一直都是研究的重要课题。因此,设计一个高可靠性、高稳定性的煤矿监测报警系统,对于煤矿安全生产具有十分重要的作用。随着以太网技术和嵌入式技术的发展,传统的煤矿安全监测报警系统正面临着挑战。
　　如何将监测报警系统接入以太网,实现以太网的远程监控是目前世界自动化监控领域正在研究的热点。具体到我国实际来说,如何找到适合我国国情的基于以太网的煤矿安全生产监控系统更具有现实意义。论文在这种背景下,对基于以太网的煤矿安全监控系统做了以下研究。首先,本文介绍了煤矿监控系统涉及到的相关技术:以太网技术、RS485技术等。针对载体催化型瓦斯传感器的近似直线形的输出曲线存在非线性误差较大、准确度低的问题,提出了采用最小二乘法在建立催化型瓦斯传感器的输入输出函数关系,并将此函数关系应用到了瓦斯采集监测的系统中,提高了数据采集的准确度。通过分析现阶段国内外各种嵌入以太网的优点和缺点,提出了基于以太网的煤矿安全生产监控系统的整体设计方案。该方案采用环形网络结构设计,嵌入式TCP/IP协议为整个监控系统的核心,克服了通信协议互不兼容等缺点,解决了目前用电缆通信监控系统存在的雷击问题。该系统有很强的实用性,易于与地面远程管理监测。其次,对该系统的煤矿瓦斯浓度和温度监控设备各模块的软硬件设计进行了详细的介绍和分析。其中监控设备的硬件设计选用基于C8051F020的高速8051微控制器内核作为主控制芯片。使用高速的处理频率,使控制器的性能提升到一个新的层次。而且监控系统具有声光报警与显示一体化的特点,还提出了一种煤矿下断电时的保护措施即后备电源供电的方法。监控设备的硬件设计都是根据本质安全型电路的国家标准(GB3836.4-83)来设计的。本章最后以MJC4/2.9J型载体催化元件为实验对象,给出了实验数据以及数据分析结果,分析了该监控设备应用的可行性。最后,对系统监控分站和上位机监控系统软件进行了相应的研究。监控分站采用的是周立功公司开发的一款嵌入式网络以太网转串口模块ZNE-100,它内部集成了TCP/IP协议,用户利用它可以轻松完成嵌入式设备的网络功能,组成了井下设备的网络通信系统,并成功与以太网进行了互联。
　　文章简单的介绍了上位机监控系统的设计,给出了相应的监控界面以及设计代码。最后对于本文的研究工作做了一些相对应的总结和展望。

目录

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究的现状及发展趋势

1.3 课题的主要研究工作

1.4 论文的组织安排

第二章 系统总体设计

2.1 系统概述

2.2 系统的总体结构

2.3 系统总的特点

第三章 主要关键技术及其应用

3.1 以太网技术及其在煤矿监测报警系统中的应用

3.1.1 以太网技术

3.1.2 以太网技术在煤矿监测报警系统中的应用

3.2 RS485总线及其在煤矿监测报警系统中的应用

3.2.1 RS485总线

3.2.2 RS485总线在煤矿监测报警系统中的应用

3.3 最小二乘法及其在煤矿瓦斯监测设备中的应用

3.3.1 最小二乘法介绍

3.3.2 最小二乘法在煤矿瓦斯监测设备中的应用

3.4 本质安全电路的设计

3.5 小结

第四章 瓦斯浓度和温度监控设备设计

4.1 瓦斯浓度和温度监控设备的总体设计

4.2 瓦斯浓度和温度监控设备的硬件实现

4.2.1 瓦斯浓度数据采集模块

4.2.2 温度采集模块

4.2.3 微控制器

4.2.4 显示模块

4.2.5 声光报警模块

4.2.6 RS485收发模块

4.2.7 电源和电池组模块

4.3 瓦斯浓度和温度监控设备的软件实现

4.3.1 程序总体设计及实现

4.3.2 A/D采集与温度采集程序设计

4.4 实验结果及分析

4.4.1 测试流程与数据

4.4.2 数据处理分析

4.5 小结

第五章 井下监控分站实现

5.1 嵌入式TCP/IP协议

5.2 ZNE-100T模块功能简介

5.3 ZNE-100T模块硬件电路说明

5.4 ZNE-100T的软件配置

第六章 上位机监控系统设计

6.1 上位机监控系统设计方案

6.2 监控界面的设计

第七章 总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

附录一

附录二

附录三