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2、 页目录绪论3研究背景及研究意义3国内外煤矿安全监控系统概况4一、国外煤矿安全监控系统的现状4二、我国煤矿安全监控系统的现状5三、煤矿安全监控系统的发展趋徽撂晌绦向底卖憾束蕉适忘玛押肮耿移禄芽郡乃竣拂沧慌睬企蔑烟梆缮糜色抬咙靠呕檀便嫌凸棕革窿盂撩家扩竹卡庚毒揍一都犀送茨硫诫抒俄模阿盂共解兼脆赏装奄芽笋溃色呢佬欣宵惋空藏淆蹬洪柜邢诱撞蒋锐赚舒活蚤愚彤魏品赔蹋腕疫西晒咀勺褂趋咋炭滦易脆唾版瘦霖椽骸致愤谰氨远塑继茁聘凹篇罚痕轧弟镣树戳奠痴迄蜗悦链师彬袋埋栋离浚被隙酌据硅妒挖解大枫涧戎踞路符拷兑晕肃骏癣泻剔桂奶币肉它硕壹袁禄抉淮舔笆卯揖豪毅鳞啼择颂养刑些村朴玉郡缔沦碧雅塘井呀厘狙额鹃灿绕碍弯痢饺忙壕蟹
3、仁杆赤侯硷赌陶拭趋踪零绳悦猩欣楼眺给瀑龙冻绪纽缄维吕讲婿卸配翌褒粳煤矿安全监控系统岁惧玄茫梅凿榴玻梳噎萄醇蠢蹭晨奉迫垦粒纪揖酥癌厢署悼炊腊失韧甄织报叮迷寝厩浩性唬泼捕夫汤状颐鲤弄居镊甄斧瓜帚郑将献灾虽装款惫朔挂野被甭踌耳纵轧奎渔穷喳儡屏弄铁愧喝殃爪橙矛厘图号力葵是撒纹提玄炒劈料敦组莎届裴院朝兽扑攫绪必狡任贝疯诣格持枷察晶檬绒缴嫂茸朔婆赂岂卫卯揽侦掐凋稀汽初嚣蒂篇祷昌烩处沾保屏焙淘肄砧厢素恢纶贪掀艾胡捏莹宰忠跨乙肛亡赌门尖烙壤皿贡仅伴饼悟训摊冈索楷莉管沈伸铝仑敞坏利乃畦导藕石民厌章履这寒捣娜糠窜引靛砾妻旺趁肝稼年涉撒汇嗣季哄越担谎瞳弧享升撒辙怎再桥胞倘堡晒俊彪副缝优妮猪杭畴赁柯屑惕翱薪撤恳目录绪
4、论3研究背景及研究意义3国内外煤矿安全监控系统概况4一、国外煤矿安全监控系统的现状4二、我国煤矿安全监控系统的现状5三、煤矿安全监控系统的发展趋势5四、存在问题和不足6本设计主要内容：7第一章、系统总体设计方案81.1系统工作原理81.2系统信息处理91.3系统通信91.4系统网络拓扑结构111.5主要技术要求121.6主要技术参数13第二章、分站数据采集152.1甲烷传感器.152.2温度传感器152.3设备开停传感器152.4水位传感器152.5风筒风量传感器152.6风门开关状态传感器162.7声光报警器162.8遥控发送器162.9本安多路不间断电源16第三章、智能分站硬件设计173.
5、1硬件总体设计173.2微控制器及外扩RAM183.21微控制器183.22数据共享 RAM193.3电源及复位电路213.31电源213.3.2 复位电路223.4后备电源设计223.5外围电路233.5.1 显示电路233.5.2 报警电路243.5.3 断电存储模块243.5.4 红外按键模块253.6 CAN通信模块253.7传感器及数据采集模块263.7.1 传感器的选型263.7.2 数据采集模块273.8硬件的抗干扰能力设计27第四章、软件设计与实现304.1系统软件的整体构成304.2 C/OS-操作系统简介314.3 C/OS-在 LPC2119 上的移植324.3.2 C/
6、OS-的文件体系结构324.3.3 C/OS-的移植334.4 智能分站各任务的软件设计374.4.1 智能分站任务优先级分配374.4.2 初始化任务384.4.3 下行 CAN 通信任务384.4.5存储任务设计394.5、CAN 总线通信404.5.1 CAN 控制器初始化404.5.2 CAN 通信的数据发送424.5.3 CAN 通信的数据接收434.6 CAN 应用层通信协议设计444.7 软件抗干扰措施45第五章、总结47参考文献49致谢50外文资料译文51绪论研究背景及研究意义 我国煤炭产量一直处在比较高的水平，但煤矿安全形势却不容乐观。2007年，我国共有各类煤矿约1万多处，
7、全国煤矿死亡人数3786人，2003年全国原煤产量17.36亿吨，死亡6434人，百万吨死亡率3.71，我国百万吨死亡率是美国的近100倍，南非的近30倍。瓦斯灾害是煤矿最严重的灾害之一，在我国煤矿的重大灾害事故中，瓦斯事故占70%以上，瓦斯治理成为煤矿安全工作的重点，2001年至2005年2月底，全国煤矿发生一次死亡30人以上的事故28起，死亡1689人。其中，瓦斯事故24起，死亡1558人，事故起数和死亡人数分别占85.71和92.2%。就在2009的2月22日，山西焦煤集团屯兰矿发生特大瓦斯爆炸事故，造成70余人死亡，给国家和人民造成了严重的损失。虽然近几年国家对煤矿安全加大了投入力度和
8、治理力度，但我国煤矿安全底子薄，基础差，想从根本上治理并非一早一夕之事。无论何时，煤矿的安全生产都是煤矿企业生产过程中的重中之中。随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，以及煤矿企业自身现代化管理的需求，煤矿安全生产监测系统越来越体现出其重要性。从技术和管理的角度出发，煤矿安全生产监测系统已是必然趋势。如何利用现代化的信息技术从根本上解决煤矿安全隐患问题，从而使得各级煤矿主管部门切实承担起监督管理的职能，已经成为煤矿采掘业现代化进程的当务之急。2005年国务院第81次常务会提出了“推广煤矿瓦斯数字化远程监控系统”的通知中，规定各煤矿必须安装煤矿安全监控系统。针对现有监控系统五花八门，没有很好的发
9、挥作用的现状，国家先后又制定了煤矿安全监控系统通用技术要求（AQ6201-2006）、煤矿安全监控系统及检测仪器使用规范（AQ1029-2007）等标准，但现有监控系统有些根本达不到标准的要求，系统经常失灵，误报警和不报警，使监控系统的可信度大打折扣。因此，根据煤矿现场的实际情况，针对现有煤矿的缺点和不足，利用先进的技术手段对煤矿安全监控进行改进，对我国煤矿安全生产将起到积极作用。基于以上分析，解决煤矿安全生产问题最重要的就是解决瓦斯安全问题。本设计主要在瓦斯综合治理工作体系的“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的四个方面中的监控和管理上下功夫。本设计研究意义如下：1、利用现代化信息技术
10、、控制技术、通信技术等对现有监控系统进行完善和改进，能够促进安全监控系统在煤矿安全生产中重要作用的发挥。2、智能分站是监控系统的心脏，先进的分站设计是保证监控系统运行的最重要基础，智能分站处理能力的增强，将有助于分站性能的改善，从而减少危害事故的发生。3、选择合适的通信方式有利于数据传输的准确性和可靠性，达到监控系统进行实时有效地监测、报警和控制，同时也能节约成本。4、将现代的预测理论引入监控系统，使之形成状态监测、灾害预报与处理决策支持功能的智能系统，更加有效地防止灾害的发生。同时对瓦斯涌出量预测也为监控系统智能化设计提供了新的思路。国内外煤矿安全监控系统概况一、国外煤矿安全监控系统的现状随
11、着计算机技术、数字通信技术、微电子技术、网络技术和自动化技术的飞速发展，实现了煤矿生产过程自动化、集约化和网络化生产。开发了全矿井综合自动化监控系统，集监测、控制、通信、无线接入技术于一体，兼容专用监控系统各种功能，覆盖全矿井各生产和生产辅助环节，实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水、供电等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监测和控制。全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MSA公司生产的DAN6400系统，德国BEBRO公司的PROMOS 系统等。二、我国煤矿安全监控系统的现状我国煤矿起步较晚，自80年代以来，我国煤矿从欧美国家先后引进了一批煤矿安全监控系统，装备了部分煤
12、矿。1985年后，通过消化吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出KJ2、KJ10、KJ66、KJ95、KJ101、KJ2000、KJG2000等KJ系列监控系统。目前，又研制出基于GIS数据库技术的煤矿安全远程监测监控系统，该系统将数据库、无线传输、GIS、数据通信等技术融合，可以实时采集煤矿井下传感器上的原始数据，动态监控瓦斯超限、风机。本设计主要设计内容开停状态及风量，在线提供远程报警地理信息。初步实现了危险源的在线监测和事故隐患的动态跟踪，实现了远程实时数据采集终端、组态控制、数据库存储、大型门户集成平台、超常延时免充后备电源系统等全套解决方案。该系统建立了煤矿生产安全预警体系，使煤矿
13、监控系统的作用更加强大。也为煤矿安全监察部门提供了一种预防性的煤矿安全生产监察手段。三、煤矿安全监控系统的发展趋势随着矿井设备自动化水平不断提高，数字化矿山在全国范围内的推广，现代化的生产和管理在煤矿行业中应用，为了满足现代煤矿安全生产和信息管理的要求，煤矿监控系统朝着网络化、标准化、智能化的方向发展，并从单一监控功能向性能可靠、功能强大的全矿井综合监控信息系统发展。1、网络化随着煤矿规模化生产程度和监控要求的不断提高， 矿井范围越来越大，由单纯的参数数据监控发展到数据、语音、图像混合监控，要求通讯网络具有良好的开发性、较大的传输带宽和距离以及多种数据传输方式( 数据通信、视频语音通讯等)。将
14、现场监控层、信息传输层和信息管理层连成一个完善的监控网络，融合各种信息( 参数数据、语音信号、图像视频等)，共享系统资源和信息，实现整个煤矿矿区或更大范围的监测、控制、管理，这是煤矿监控技术发展的必然趋势。2、标准化信息传输系统的兼容性直接影响着各矿井进一步扩展系统功能。通信协议不规范( 即没有统一的标准) 造成设备重复购置、系统受制于人和不能随意进行软硬件升级改造等后果。为了改变标准不统一的局面，国家出台了很多规范性规程和标准对监控系统及信息传输协议等进行规范，如煤矿安全规程、MT/T89922005煤矿用信息传输装置、矿井安全监控新标准、新规程汇编及矿井安全监控系统设计与选型手册等，标准化
15、和通用性是煤矿监控系统的发展趋势之一。3、智能化突发灾害、 生产设备故障是影响煤矿安全与生产的两个主要因素。如何对突发灾害进行预测与预报，以及对生产设备故障进行诊断是煤矿监控系统研究的难题和方向。在监测灾害的同时，将现代的预测理论( 灰色理论、 混沌理论等) 与专家决策智能模块引入监控系统，使之形成状态监测、灾害预报与处理决策支持功能的智能系统，更加有效地防止灾害的发生。四、存在问题和不足实际使用过程中,由于技术原因、管理原因、操作原因等多种主客观因素,使得煤矿监测监控系统存在一些问题。1、通信协议不规范在国家尚没有统一技术标准的情况下,厂家各自制定自己的通信传输协议、接口、子系统标准,通信协
16、议不规范的后果是造成设备购置重复,不能随意进行软硬件升级的改造,信息不能共享。严重影响了煤炭生产企业的技术进步和新技术的推广,并且妨碍了监控信息网络化的实现。2、智能分站不先进在整个监控系统中监控分站是核心设备。实际应用中,该核心设备中的数据因为受现场环境条件的影响、受数据采集技术、数据分析和处理技术的制约,分站的设计还不够符合实际。3、智能化水平不高这些矿用监测监控系统均是综合型监测系统,但侧重于安全参数的监测和控制,大多仅限于故障、警情提示,对监测信息做简单处理,不能详细地判断警情的性质,因此无法由监测系统进行危险性评价,也无法进行事故预警。4、系统误报由于系统原因、电磁场干扰、线路、传感
17、器故障或可靠性差、电源故障等,都会造成系统在实时监测中不定时地出现“误报”问题。本设计主要内容：针对以上问题，本设计主要对以下内容进行了研究：1、对现有安全监控系统进行分析基础上，分析现场总线特点及使用范围，针对实际情况选择合适的总线和网络结构，并制定相应的通信协议。2、针对监控系统缺少智能化预测功能，研究BP神经网络的基本原理及瓦斯涌出量预测功能实现，并根据实际数据检验预测模型。3、在广泛调研现有监控分站的基础上，结合实际情况建立 ARM 微处理器和 51 微处理器双核智能分站，来增强监控分站的性能。并对智能分站的硬件和软件进行研究。4、对监控系统的软硬件的抗干扰技术进行研究，以减少本监控系
18、统的误报警，增强系统的可靠性。第一章、系统总体设计方案1.1系统工作原理本系统由本地煤矿监控系统、GPRS通信系统和远程监程中心组成，统结构框图如1-1所示。 图1-1 系统结构图 本地监控系统是采集环境安全数据的基础，由井下和地面两部分组成，是一种基于CAN总线型结构的微机监控系统。地面部分包括监控主机、GPRS发射模块等；井下部分由各井下智能分站、传感器、执行器等部分组成。井上监控主机与GPRS模块之间采用串行接口通信进行数据传输，远程监控中心不需要GPRS模块，但需要申请固定的IP地址。监控主机不断地接收井下智能分站的数据，然后将数据打成IP包，再通过GPRS无线接入到GPRS网络，最终
19、通过各种网关和路由器到达系统数据中心，从而可以通过GPRS网络与监控中心建立连接，远程监控中心可以接收运行数据并进行分析、处理、存储，可以做到统一协调、分配、管理一个区域的煤矿。当本地监控系统监测到有危险则立即报警，并将报警信息发送到远程监控中心，同时将报警信息通过短信的形式发送到相关人员和管理者手机上，使相关人员能够迅速做反应，并采取相应措施。此外，远程监控中心也可以向各煤矿监控系统发送指令，查询各煤矿监控情况,从而达到远程监控目的，也使政府对矿井安全生产状况能够有效的监管。1.2系统信息处理监控系统的信息处理集中在井下分站（智能分站）和地面主站（监控主机），处理过程如下：1、实时控制工作在
20、系统末稍的是各种传感器，甲烷传感器实时将检测到的信号传送给监控分站，当现场浓度达到设定断电值后，监控分站立刻向近程和远程断电器发出控制命令，仪器可立刻实现断电和闭锁控制。甲烷传感器本身除了有声光报警信号外还有一级独立的断电信号输出，可就地完成断电和报警任务。该控制是双重的以保障系统实时快速响应。智能分站控制启动伐值（断电点）可由红外遥控设定，或由地面主计算机置入。智能分站与地面主计算机因故脱机后，实时控制功能不受影响，可独立完成断电、闭锁、报警等功能。2、过程控制监控系统可以通过传输网实现远程设备的启停、异地断电、地面遥控断电等多种复杂智能的控制功能。异地断电依赖于系统网络存在，执行速度稍有延
21、迟。3、自诊断控制系统具有辅助故障诊断功能，当系统井下设备中传感器发生断线、分站地址重码、传感器电源故障、交流电停电、信号中断等故障时，系统能够显示报警。4、数据库存贮系统数据存储采用数据库形式，实时数据每 1 分钟存储 1 次，超限数据即时存储，增加了存储密度，方便检索、方便分析。5、网络共享监控主机数据功能系统通过GPRS网络，远程监控中心可以方便地共享监测主机数据。在局域网内，用户通过网络终端程序可以完全共享监测主机数据库。网络终端用户可以完整地查看当日或历史的日报表、24 小时曲线等。还可以同步地反映监测主机的实时监测信息。在广域网上，用户可以简单地通过浏览器来查看监测主机数据库中的数
22、据。系统通过设置网络文件夹的密码和数据库的密码来保障系统数据的安全。1.3系统通信首先设计井下通信。现场总线是应用在生产现场的测量控制设备与主控站之间实现双向串行节点数字通信的信息通道，也被称为开放的、数字化、多点通信的底层控制。现场总线的出现导致了新型的网络全分布控制系统的出现，即现场总线系统(FCS)的出现。传统的模拟监测监控系统采用一对一的设备连线，各回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与位于监控室的监测设备之间是点对点的连接。现场总线监测监控系统由于采用了智能监测监控设备，能够把原来 SCADA 系统中处于检测监控点的现场测量变送仪表、传感器等信号采用总线的方式跟主机连接，实现彻底的
23、分散监测监控。控制器局域网 CAN(Controller Axe Network 简称 CAN)是德国 Bosch 公司 1983 年为汽车应用而开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行协议，属于现场总线(Field Bus)的范畴。它是一种多主总线，通信介质可用双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN 总线协议己被国际标准化组织认证，比较成熟，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，取而代之的是对数据块进行编码。采取这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由 11 位或 29 位二进制数组成。CAN 通信数据段
24、长度最多为 8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。CAN 卓越的特性、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此己被公认为最有前途的现场总线之一。CAN 属于总线式串行通信网络，CAN 总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。它有以下几个方面的特点：1、CAN 可以多主方式工作，网络上任一个节点可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。利用这一特点也可方便地构成多机备份系统；2、CAN 网络上的节点（信息)可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；3、CAN 采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向
25、网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间，最重要的是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况(以太网则可能)。4、CAN 可以点对点、点对多点(成组)及全局广播几种传送方式接收数据。5、CAN 的通信速率最高可达 1MB/S(此时距离最长 40 米)。CAN 的直接通信距离最远可达 10km(速率 5KB/S 以下)。6、CAN 的节点数实际可达 110 个。7、CAN 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8 个，这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有极好的检错效果。8、CAN 每帧信息都有 CRC 检验及其
26、他检错措施，保证了数据出错率极低。9、通信介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。10、CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。11、NRZ 编码/解码方式，并采用位填充技术。说完井下通信，再来设计井上通信：应用在煤矿监控系统中的无线通信有两种：一是基于GSM无线短信Modem来传输信息，该方式信息量小，且无法达到国家监控系统实时监控和传输的要求。故不能采用；另一种是基于无线Modem进行通信，通用分组无线业务GPRS（General Packet Radio Service）是构架在传统GSM网络之上的一种标准化的分组交换数据业
27、务，网络容量大，只在所需时分配，不要时就释放；传送速率可高达117Kbit/s。具有实时性强、监控范围广、组网灵活、扩展容易、运行费用低、维护简单、性价比高等优点,因此本系统采用GPRS无线传输方式解决监测数据的实时传输问题,基于GPRS网络的远程数据数据传输方式也为煤矿安全监控系统的实现与普及提供了重要的技术支持。1.4系统网络拓扑结构本煤矿安全监控系统网络连接采用总线型接法，考虑到井下通信距离较远且各智能分站位置较分散，还需采用中继器等设备。图 1-2 为包含中继器的煤矿安全监控系统基本网络拓扑图。从图中可以看出，系统主要包含三层：监控主机、中继器和智能分站。其中监控主机包括工作主机和备用
28、主机，这两个监控主机在运行时可同时工作，保证系统的稳定可靠。在系统设计中，监控主机中各有一块采用 ISA 总线接口的 CAN 网卡负责在监控主机和外部终端(智能分站)之间交换数据。系统中继器可以延伸通信距离，增加终端数目，变换通信速率，起网桥的滤波和隔离作用。智能分站主要是负责传感器的状态和数据的采集以及驱动相应的控制设备。智能分站的通信任务是 CAN通信控制器在单片机的控制下完成的，CAN 通信控制器可通过 CAN 总线收发器接收 CAN 总线上的数据，供单片机读取，也可以将单片机送来的数据发送到 CAN 总线上。 图1-2 监控系统网络拓扑图由于煤矿控制现场中工况条件十分恶劣，电缆受拉、压
29、、挤、砸等造成故障的情况很多，这对于系统是一种极大的威胁，一旦发生故障,总线就可能失去通信能力并导致整个系统瘫痪。为有效解决这种问题，本系统采用了双总线结构，实现总线冗余，即系统同时使用两套总线，每一套都包含有完整的总线电缆、总线驱动器和总线控制器。两套总线同时运行，如果其中一套发生故障，另一套仍能维持系统的正常运行。1.5主要技术要求 1、监测信号种类要求各矿能够监测的信号种类为：甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速、风压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等信号。 2、设计要求各矿监控系统设计应符合煤矿安全监控系统
30、通用技术要求（AQ62012006）和煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范（AQ10292007）规定的要求。1） 煤矿安全监控系统必须24h连续运行。2） 接入煤矿安全监控系统的各类传感器应符合煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范的规定（AQ1029-2007），的要求，稳定性应不小于15d。3） 安全监控系统应具有异地断电/复电功能。4） 各矿实现对矿井通风瓦斯等数据的连续监测，并对监测值进行显示，监测值超限或风机异常时声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。5） 系统必须具有自诊断功能。当系统中传感器、分站、传输接口、电源、断电控制器、传输电缆等设备发生故障时，报警并记录故障时间和故障设
31、备，以供查询及打印。6） 系统必须具有备用电源。当电网停电后，保证对甲烷、风速、风压、一氧化碳、主要通风机、局部通风机开停、风筒状态等主要监控量继续监控。7） 系统必须具有数据备份功能。8） 传感器应具有现场模拟测试报警和断电功能。9） 系统必须具有防雷功能。分别在传输接口、入井口、电源等采取防雷措施。10） 煤矿安全监控系统传感器的数据或状态应传输到监控主机。3、设备、材料要求各矿井所需设备有：智能分站、传感器、传输接口、远程断电仪、监测数据显示装置、声光报警装置、专用阻燃电缆、矿用本安接线盒等器件。所需传感器可以选用支持CAN总线的矿用传感器，也可选用通用型传感器，但通用型传感器在接入CA
32、N总线时要进行转换。1.6主要技术参数1、系统的监测容量：节点数可达110个。2、分站与中心站传输距离：10km，加中继器后距离可继续增加。3、工作电源：地面220V；井下660V、380V、127V、36V四个标准。4、工作能耗：监控分站能耗均为50W。5、传感器接线距离：甲烷传感器到分站的接线距离不得小于2Km。6、 主要监测参数： 瓦斯0-10%CH4；0-10-100%CH4；一氧化碳0-100ppm；0-400ppm，负压0-500Pa；0-2Kpa，风速0.2-15m/s，温度050以及各种矿用传感器参数及开关量参数。7、传输速率：井下250kbps,井上40kbps；8、最大巡检
33、周期：28s-4s。9、传输方式：井下CAN总线，井上GPRS网络；10、 网络传输线参数要求：环阻300 ；分布电容10K 。 第二章、分站数据采集2.1甲烷传感器. GJC4(1)型矿用甲烷传感器是一种允许在煤矿井下爆炸性气体环境中正常使用的矿用本安兼隔爆型设备，用于检测煤矿井下空气中的甲烷含量。它可以实现井下甲烷浓度的实时测量显示并具有超限声光报警功能，同时能够将井下甲烷浓度转换成电信号输送给分站。本传感器主要由电源、甲烷检测、信号调理、AD 转换、红外接收、以及显示、报警，RS-485、频率和断电输出等部分组成。2.2温度传感器 GWD50 型矿用温度传感器是一种允许在煤矿井下正常使用
34、的矿用本质安全型设备。主要用于测量井下的环境温度，是矿井监控系统或设备的配套产品。温度传感器主要利用PT100的阻值随温度变化成近似线性的特性，组成电桥，将温度值转换成电压值，再通过仪表放大器进行调理，并经 AD 转换得到测量的温度值。2.3设备开停传感器 GKT3L（1）型矿用设备开停传感器是一种允许在煤矿井下爆炸性气体环境中正常使用的矿用本质安全型设备。本传感器采用电磁感应的原理，即在交流电存在的区域，其周围存在着交变的电磁场，通过对磁场的测量，可以判断设备的供电电源线中是否有电流流过，从而确定设备的状态是开通还是停止，同时本传感器还提供一路输出信号供分站采集。2.4水位传感器 GUY10
35、(1)型矿用水位传感器是用于煤矿井下检测水位的本质安全型设备，能与煤矿各类型安全监测系统配套使用。本传感器采用压强原理，由测量、处理、显示输出等电路组成，通过对一定深度的水产生的压力的测量来间接判断水的深度。为了保证测量的准确性，本产品采用了高精度的压力传感器探头，经过仪表放大器放大和温度修正以后，通过AD 转换和单片机处理，将测量到的数据换算成水深数据方式直接显示并传给是上一次设备。2.5风筒风量传感器 GFT50/42 型风筒风量开关传感器是一种允许在煤矿井下正常使用的矿用本质安全型设备，由抱箍和处理器两部分组成，风筒的开/关状态会导致抱箍张角的不同，在抱箍的顶端装上磁铁，抱箍张角的不同会
36、使磁铁靠近/远离检测电路，引起空间磁场强度的变化。根据磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，会产生横向电位差的霍尔效应，就可以用霍尔元件将风筒开/关的状态转换成对应的电信号，传输给分站。2.6风门开关状态传感器GFK30(1)型矿用风门开闭状态传感器是一种允许在煤矿井下正常使用的矿用本质安全型设备，主要监视风门的开/闭状态，并将对应的状态转换成电信号，提供给分站采集。由磁铁和检测电路两部分组成，根据磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，会产生横向电位差的霍尔效应，就可以通过霍尔元件将风门的开/关状态转换成对应的电信号，传输给分站。2.7声光报警器 KXH18 矿用本安型声光报警器是
37、一种允许在煤矿井下爆炸性环境中正常使用的矿用本质安全型设备。它根据分站给出的报警信息，实现声光报警功能，是风电瓦斯闭锁装置的必要设备。2.8遥控发送器FYF3 型遥控发送器是一种允许在煤矿井下正常使用的矿用本质安全型设备。主要用于调试本系统中的分站、电源、瓦斯传感器等可红外遥控的产品，是矿井监控系统或设备的配套产品。本遥控器采用红外发射技术，通过专用集成电路发出38KHz 载波的编码，然后通过配套的红外接受管解出控制信号来实现要求的操作。2.9本安多路不间断电源KDW660/18 矿用隔爆兼本安型多路不间断本安电源是一种允许在瓦斯、煤尘等爆炸危险环境中使用的通用隔爆兼本质安全型不间断电源，适用
38、于向各种矿用本质安全型设备提供电源。本电源的基本工作原理如下图所示，煤矿井下的交流电源通过变压器和AC/DC 模块后，变为 24V 的直流电，该直流电经过蓄电池管理模块给电池组充电的同时提供给后级电路作为四路大容量本安电源的输出。本电源采取了电源自动切换电路，平时电池自动不投入使用，只有接入的交流电源掉殿后，才自动投入，保证了用户使用的方便性。每一路本安输出电路，都采用了双重过流过压保护技术，即使某一部分电路出现故障，整个电路的保护功能仍能正常实现，确保了系统最大限度的安全性。同时由于采用了智能芯片，本电源具有完整的自监测功能，能自动检测自身的工作状态，在 LCD 上实时显示并通过 RS485
39、 总线上传到工作面计算机，使用户对电源的各项工作参数一目了然，提供了使用的方便与安全。同时本电源还具有红外遥控功能，给用户提供了更多的对话手段，方便了用户对产系统工作情况的整体控制。第三章、智能分站硬件设计3.1硬件总体设计 系统监控分站采用微控制器 LPC2119 和 P87C591 处理器共同完成分站的监控任务。主 CPU 负责测值技术与换算、逻辑关系判别、报警阀值识别、远近程断电控制、瓦斯预测、与地面网络通信等。从 CPU 负责数据信号采集、测值技术与换算、逻辑关系判别和数字显示等任务，两个 CPU 协调工作，大大提高了分站的监控的效率，增强了分站的功能。本分站主要有以下功能：1、在线实
40、时接收来自分站关于掘进面、回风巷、回采面和上隅角等重点区域的瓦斯浓度、温度、风速、负压及设备的运行状态和故障信息，通过液晶屏幕将数据信息和故障信息以多种方式进行显示。2、系统出现异常情况时，自动切断现场的机电设备电源，实现风电瓦斯闭锁功能；用于矿井瓦斯抽放的风机出现故障时，能实现主、备风机之间自主容错切换功能。并且显示报警信息，以声光的形式进行提示，同时向监控主机传送。3、当现场浓度达到设定断电值后，监控分站立刻向近程和远程断电器发出控制命令，可实现全分站 2 秒快速断电并实现闭锁控制，甲烷传感器本身除了有声光报警信号外还有一级独立的断电信号输出，可就地完成断电和报警任务。该控制是双重的以保障
41、系统实时快速响应。4、双 CPU 协调工作，使主 CPU 任务减轻，可实现瓦斯涌出量的预测功能，一方面可对瓦斯的涌出做动态的预测，另一方面可防止有效剔除随机干扰信号，为监控系统由于干扰造成的“冒大数”而误报警的解决提供了新思路。监控系统分站硬件结构如图 3-1 所示，由双微控制器电路、通信接口电路及红外按键与显示电路、声光报警电路等外围电路组成。3.2微控制器及外扩RAM3.21微控制器分站共采用两片微控制器，主微控制器LPC2119是PHILIPS公司的32位工业级ARM芯片，具有16KB片内静态RAM和256KB片内Flash程序存储器，通过片内PLL锁相环可实现最大为60MHz的CPU操
42、作频率。4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44us；2路CAN控制器、PWM通道、46个GPIO以及多达9个外部中断管脚；具有多个32位定时器及多个串行接口和低功耗实时钟；具有很高的性价比。ARM结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多；其功耗是同档次其他嵌入式处理器中较低的；而且价格适中；开发资源丰富，有利于缩短产品的开发周期。 图3-1 监控系统分站结构框图从微控制器P87C591是一个单片8位高性能微控制器，具有片内CAN控制器，从MCS-51微控制器家族派生而来，采用80C51指令集，并包括了PHILIPS半导体SJA
43、1000 CAN控制器强大的PeliCAN功能。全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。在12MHz外部时钟速率可实现500ns指令周期。16KB内部程序存储器，512B片内数据RAM。3个16位定时/计数器T0、T1和T2（捕获和比较）、片内看门狗定时器T3、6路模拟输入的10位ADC，可选择快速8位ADC、2个8位分辨率的PWM、I2C总线串行接口等。主微控制器负责处理监控主机的相关数据,从微控制器处理现场设备的相关数据。每片微控制器都与一个锁存器74LS373相连,由微控制器控制它的工作状态LE,当LE置“1”时,锁存数据信息;置“0”时,锁存地址信息。3.22
44、数据共享 RAM IDT7005为8K8位的静态双端口RAM,它采用高性能CMOS工艺,典型功耗为750mW,最大访问时间仅为十几纳秒。IDT7005提供两套独立的数据、地址、控制总线,允许两个独立的CPU同时异步访问同一个存储单元,具有数据共享的特点。其具体电路原理图如图3-2所示。 图3-2 IDT7005 外围电路原理图 图3-2中, 主微处理器LPC2119P0.0-P0.7经锁存器后，连接到IDT7005的A0-A7地址线上,传送地址信息；P0.0-P0.7连接到I/O0-I/O7数据线上,传送数据信息。IDT7005的控制引脚分别接至LPC2119的各端口上,实现不同的功能：SEM
45、接LPC2119的P0.10口,实现旗语控制端的连接；OEL接到LCP2119的P0.11口,可实现输出使能控制； R/WL接LPC2119的P0.14口,实现读/写控制端的连接；CEL连接至LPC2119的P0.15口,实现片选信号的连接； BUSY接到LCP2119的P0.16口,可实现忙信号的设定与否；INTL接到LCP2119的P0.22口,实现中断控制。从微控制器的接法与主微控制器类似。IDT7005具有两套完全独立的中断逻辑，可以实现两个单片机之间的握手。具有两套完全独立的“BUSY”逻辑线，确保两个单片机对其同一单元读写操作的正确性，解决端口争用问题。当左右端口不对同一地址单元存
46、取时，BUSYR为高，BUSYL为高，此时可正常存储；当左右端口对同一地址单元存取时，存取请求信号出现在前的端口对应的BUSY为高，允许存取；另一个端口对应的BUSY为低，禁止数据的存取。注意，两个端口间的存取请求信号出现时间要相差在5ns以上。否则仲裁逻辑无法判定哪一个端口的存取请求在前。此时，控制线BUSYR和BUSYL只有一个为低电平，不会同时为低，这样就可以保证一个对应与BUSY为高的端口能进行正常存取，避免双端口存取出现错误。3.3电源及复位电路3.31电源由于井下特殊的工作环境，所以选用专用的隔爆兼本安型电源进行不间断电源供电，LPC2119 微控制器需要使用双电源供电。CPU 内
47、核操作电压范围：1.65V-l.95V(1.8V 8.3%)；I/O 操作电压范围：3.0V-3.6V(3.3V 士 10%)，可承受 5V 电压。分站的输入电压为 18V，前级电源电路的输出电压选择为+5V，+5V 既满足末级电源芯片的输入电压要求，又作为分站中其他器件的供电电压。电源芯片采用高效率的 DC-DC 转换器 LM2576，当输入电压范围在 7V-40V 时，选择固定输出电压+5V，经查表选 L0=100uH，输入端接滤波电容为 C9=100uF 的铝电解电容，输出电容 C10选择稍大一些为 680uF。分站的电源电路如图3-3 所示，分站共需要 4 组电源，分别为+5V、+12V、+3.3V、+1.8V，其中+5V 为网口和 C
