智能瓦斯仪表设计毕业论文p47

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1、1 1 绪论绪论1.1 本次课题研究的背景与意义在工业生产中有各种各样的控制问题，其解决的程度直接关系到经济效益 和管理水平。最初的工业过程控制是通过单元组合仪表进行原始分散控制，各 控制回路相互独立，其优点是某一控制回路出现故障时，不影响其它回路的正 常工作；其缺点是硬件过多，自动化程度不高，难以实现整个系统的最优控制。 随后出现了集中控制，它是通过计算机将控制回路的运算、控制及显示等功能 集于一身，其优点是硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易实现系统的最 优控制；其缺点是危险集中，局部出现故障会影响整体。鉴于以上原因，人们 开始研究集中分散控制。随着控制技术、计算机技术、通信技术、图像显

2、示技 术的发展，70 年代中期，吸收原始分散控制和集中控制两者优点，克服其缺点 的集中分散控制系统诞生了。 现代集散控制系统应用范围非常广泛，一些高精度、高危险行业相继采用 了集散控制系统，均取得了很好的效果。煤炭生产作为现代工业生产中一个危 险系数较高的行业，其安全问题一直倍受关注，而且越来越多的人开始重视这 一问题。于是煤矿中的安全监控系统就应运而生了，安全监控系统中处核心地 位的就是集散控制系统(DCS)了。 我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量大，分布广，而且种 类齐全，煤质优良，为我国实现工业现代化提供了极为有利的条件。但在我国 煤炭生产中，煤矿事故的死亡率一直居高不下。据

3、报导，2005 年全国煤矿企业 共发生伤亡事故 3341 起，死亡 5986 人。其中，因瓦斯造成的事故占绝大多数， 只要是因瓦斯发生的事故，非死即伤，形势非常严峻。 矿井中的爆炸性气体主要成分是甲烷，是易燃易爆气体中的一种，约占井 下易燃易爆气体的 85%左右。当甲烷浓度达到 5%-15%时，遇到火源或者火花 就会发生爆炸；当达到 25%-30%时，人就会出现窒息前的症状，头晕、呼吸增 快、浑身乏力，注意力不集中，甚至窒息。因此，在煤矿井下，甲烷浓度超出 安全范围非常危险，将对矿工的生命安全和生产安全产生巨大的威胁。所以， 能否对煤矿中甲烷气体浓度进行有效的监测，直接影响着矿工和生产的安全。

4、 而甲烷传感器是煤矿下监测甲烷浓度的主要设备。1.2 本次设计的任务煤矿安全监控系统需要监测的环境参数很多，其中最重要的就是瓦斯的浓 度。监测瓦斯浓度的主要设备是瓦斯传感器系统，目前市面上通用的瓦斯传感 器有很多，一般各有各的适用场合。本次设计则是设计一个煤矿安全监控系统 中最前端、最重要的设备智能瓦斯传感器，用来监测矿井中瓦斯的浓度。在传感器的设计中，先提出总体设计方案，然后分别设计各硬件方面、软 件方面、通信方面、抗干扰方面。最后，对全文进行总结。 2 集散控制系统2.1 集散控制系统概述集散控制系统又名分布式计算机控制系统，国外最早称为分散控制系统， 即 DCS( Distributed

5、 Control System)。后来又叫做集中(总体)分散控制系统 ( Total Distributed Control System)，我国习惯上称之为集散控制系统或 DCS。它是以微机处理器为基础，继承单元组合仪表及计算机系统的优点，充 分利用了控制技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术(即 4C 技术)的应 用成果；集中了连续控制、批量控制、逻辑控制和数据采集功能的计算机综合 控制系统。其主要特征是:集中管理，分散控制。自 1975 年第 1 套集散控制系 统 TDC- 2000 诞生以来，以后的 20 多年中，各类集散控制系统广泛应用于石 油、化工、煤矿、冶金、炼油、纺织、制药等

6、行业，均取得了很好的效果。计算机控制系统按结构划分，可以分为集中控制和分布式控制。集中控制 是指由单一的计算机完成控制系统的所有功能，并对全部被控对象实施控制的 一种系统结构。其优点是系统的整体性和协调性好，但对计算机的可靠性和安 全性要求甚高；而分布式控制系统（DCS）则以多台计算机分别承担不同的控 制功能和处理范围，不仅处理能力大大提高，而且将危及到系统安全的因素降 到了最低。传统意义上的 DCS 系统的最基本构图式如图 2-1 所示。图中: C1，C2，Cn 为控制；f1，f2，fn 为反馈信息。对 DCS 系统而言， 各控制单元之间没有直接的信息联系，各控制单元有自己的性能指标，控制策

7、 略和算法，且其性能指标和控制算法等由决策单元按一定优化准则调节给出。 如果图 2-1 中去掉决策单元，就成了分散控制系统(Decentralized Control System)，它并不具备 DCS 的上述特性和功能。图 2-1 DCS 的基本构成构图在工程中，DCS 系统除了具有控制功能之外，还要实现监视、管理等其它 功能。所以其具体的组成就相对复杂，系统组成框图如图 2-2 所示。 图 2.2 DCS 系统组成框图由图 2-2 可见，DCS 系统实际上是一种分级递阶结构。各控制器完成过程 对现场的控制任务，根据控制对象特性，可以分别情况，采用顺序控制，程序 控制，模拟量控制等等，其控制

8、策略与控制算法要随被控对象与要求而定。数 据采集器用于收集控制信息和被控过程的各种状态信息，数据采集任务不但可 由控制器完成，也可由一般仪表和逻辑箱完成。控制器和数据采集器在控制现 场对信号进行预处理后经高速数据通道送到上级计算机和 CRT 操作站。CRT 操 作站是显示操作的装置，监控级(计算机)通过协调各控制器的工作，实现控制 过程的动态最优化。管理级(计算机)具有管理功能，又兼具对监控级实现监控 的功能。它具有丰富的信息资源，能够对被控对象进行监控，制定计划，进行 成本核算，对设备和人员进行管理等，以实现被控过程的静态最优化和综合自 动化。2.2 集散控制系统的特点集散控制系统主要特点有

9、：分级递阶控制、分散控制、功能齐全、易操作、 安全可靠性高等，下文就详细介绍这些特点。（1）分级递阶控制。 集散控制系统是分级递阶控制系统，它的规模越大，系统垂直和水平分级 的范围也越广。以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常 规的模拟控制，而且能实现复杂算法控制和程序控制。在基本控制器内可采用 固化的应用软件，在控制现场对输入输出数据进行数据处理，减少了信息的传 输，大大减少了上级计算机的数据处理量，降低了对上级计算机的要求，使系 统程序应用较为简单。（2）分散控制。 分散控制是集散控制系统的一个重要特点。分散的含义不单是控制的分散， 还包括人员地域的分散、功能分散、设备分散

10、、负荷分散、危险分散。它的目 的是将危险分散，提高设备的使用率。在现场就地安装控制器，不仅节省了输 入输出电缆的长度，同时减少了传输信号的干扰。在功能上各控制器各自为政， 各自独立完成各自的功能，使系统故障分散，从而使系统可靠性大为提高。 （3）功能齐全。可完成简单回路调节、复杂多变量模型优化控制，可执行 PID 控制算法、 前馈反馈复合调节、史密斯预估、预测控制、自适应控制等各种运算。可 进行反馈控制，也可进行间断顺序控制、批量控制、逻辑控制、数据采集，可 实现监控、显示、打印、输出、报警、历史趋势贮存等各种操作要求。 （4）易操作性。 集散控制系统根据对宜人学的研究，结合系统组态、结构方面

11、的知识，为 操作工提供了一个非常好的操作环境。为操作员提供的数据、状态等信息易于 辨认，报警或事件发生的信息能引起操作员的注意，长时间工作不易疲劳，操 作方便、快捷。 （5）安全可靠性高。 为了提高系统的可靠性，确保生产持续运行，集散控制系统在重要设备和 对全系统有影响的公共设备上采用了后备冗余装置，并引入容错技术。硬件上 包括操作站、控制站、通讯线路等都采用双重化配置，使得在某一个单元发生 故障的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站 仍能维持工作。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回 或指令复执的容错设计，使系统安全稳定。 （6）可设置多功能的 C

12、RT 操作站以实现集中监控与操作。3 DCS 在煤矿安全监控系统的应用集散控制系统(Distributed Control System,简称 DCS)是以多台微处理器 为基础的集中分散型控制系统。DCS 以其控制分散、集中管理、系统规模可大 可 小、配置灵活、组态方便以及高可靠性等优点广泛应用于各个工业领域。是目 前工业过程控制中，尤其是大中型生产装置控制中应用最多、可靠性最高的控 制系统，如石化企业的各种装置(减压精馏装置、催化裂化装置、乙烯装置等)； 冶金企业的高炉、电弧炉、连续加热炉、锅炉、轧机等控制；火力发电机组和 各种大型变电站的自动控制；企业的能源控制和管理系统；高级楼宇自动化系

13、 统等。下文就着重讲述 DCS 在煤矿安全监控系统中的应用。3.1 煤矿安全监控系统的产生背景近年来，煤矿矿井开采逐渐增多，自然灾害的威胁也不断突出。不少矿井 的瓦斯涌出量增多，粉尘危害变得更加严重，煤炭自然发火也更难于控制。原 有的矿井通风系统已不能适应高产高效矿井安全生产的需要。由于这些自然条 件和生产环境的变化，使得矿井的不安全因数增加。 矿井安全问题已经成为影响煤炭工业生产，保持矿井持续、健康发展以至 于影响社会稳定的重大问题。这对矿井安全的科研工作提出了更高的要求，需 要进一步研究矿井自然灾害的预防及控制技术，不仅要为国家重点矿井、高产 高效矿井提供有效的安全保障系统，同时也要为地方

14、矿井、乡镇矿井提供简易 有效的安全保障系统，以便有效的防止和减少灾害的发生和由此带来的损失。 矿井监控技术的开发和应用，在国内起步于 80 年代初期，至今已得到广 泛的发展和应用。期间，随着新材料技术、传感技术、数字通信技术、控制技 术、计算机技术、软件技术和网络技术的迅速发展，越来越完善。监控系统从 其通讯方式上划分，先后经历了三个阶段：第一阶段是每个传感器需一对传输 线连接到地面的星型结构；第二阶段是在一对传输线上实现多路频率分割的载 波传输；第三阶段是目前应用最多的中心站和分站之间的半双工时分总线方式。 此外，还有中心站和分站之间的星型网络结构、环型网络结构，但这两者也分 别因使用电缆多

15、和抗故障能力差的缺点，逐步被淘汰。如今，在总线方式结构 下，开发了以微处理器为基础，继承单元组合仪表及计算机系统的优点，充分 利用了控制技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术(即 4C 技术)的应用 成果，集中了连续控制、批量控制、逻辑控制和数据采集功能的计算机综合控 制系统集散控制系统被用于各个领域。其主要特征是：集中管理，分散控 制。集散控制系统即 DCS 广泛应用在各种煤矿矿井中，均取得了不错的效果。 下面就详细介绍以 DCS 为基础的煤矿安全监控系统。3.2 煤矿安全监控系统煤矿安全监控系统将计算机网络技术、监测监控技术、远程控制调度通信 技术综合于一体。作为整个矿井网络信息管理系统

16、的一部分，主要监控矿井上 下各类安全参数、生产参数及电力参数。其主要工作过程就是：井下分站将所 接的各种传感器接收的各种参数一方面传输给地面主机，另一方面根据参数自 行判断输出控制信号。而主机接收到信号后，对它们进行判断处理，一方面发 出控制信号和其它信号，另一方面进行外设输出显示并存贮，使整个煤矿生产 安全中进行。下图 3-1 就是一个煤矿安全监控系统的结构图。图 3-1 KJ103 煤矿安全监控系统结构图3.2.1 系统主要功能介绍（1）可监测监控瓦斯、风速、负压、一氧化碳、烟雾、温度、风门开关 等环境参数，煤仓煤位、水仓水位、压风机风压、箕斗计数、各种机电设备开 停等生产参数和电压、电流、功率、电度等电量参数。（2）可以配接胶带集中控制、轨道运输通信集中、电力监测、火灾监测 等系统，实现局部环节的自动化。（3）可以在全监测系统范围内通过便携式调试电话机与地面中心站或分 站、传感器进行语音通信。（4）系统操作平台采用 Windows2000 软件，所有功能操作均具有在线帮 助，在中文菜单提示下完成 。并可方便的点击图形，即点即得所需信息。可