《毕业设计论文基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统的设计（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1绪 论 1.1定义 煤矿安全监控系统（coalminesafetymonitoringsystem）是具有模拟量、开关量、累计量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能，用于监测甲烷浓度、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，由主机、传输接口、分站、传感器、断电控制器、声光报警器、电源箱、避雷器等设备组成的系统。1.2项目研究的意义煤矿安全生产是各国煤炭行业的共同话题，各国政府都极为重视。中国自1949年以后，更是高度重视煤矿的安全。经过广大科技人员和煤矿职工的努力，安
2、全生产技术有了长足的发展。煤矿安全的内涵随着社会的发展也在不断丰富和扩展。但同时我们也应看到中国煤矿井下生产条件复杂，地质条件多变，自然灾害较为严重。与世界发达国家相比，中国的煤矿安全状况和水平仍有相当大的差距，形势非常严峻。与世界发达国家相比，中国的煤矿安全状况不容乐观。在中国的基础产业门类中，煤炭是事故最多、伤亡最大的一个行业，占工业死亡总人数的60以上。据国家煤矿安全监察局发布的全国煤矿生产和安全情况统计，我国煤矿百万吨死亡率仍维持在一个较高的状态。如表1所示。表1 09至11年全国煤矿生产和安全情况 年份原煤产量（亿吨）死亡人数（人）百万吨死亡率1）200929.6 26310.892
3、2010 32.424330.798201135.219730.564注：1）煤矿百万吨死亡率：即每生产100万吨煤炭允许死亡的人数比例虽然表1中显示近年来，百万吨死亡率持下降趋势，但是煤矿死亡人数仍旧过高。这种局面已经在影响到我国经济社会的发展，造成上述结果的因素之一，是部分煤矿安全生产工作不到位，在管理和生产上存在较大漏洞，因此尽快建立健全一套煤矿井下安全监控系统以辅助煤矿企业管理安全生产是很有必要的。针对我国煤矿的现状，一批用于井下安全监控的系统正处于研发过程中，这些矿山井下安全监控系统，对于煤矿系统加强安全生产管理有较好的作用。就目前煤矿安全的形势，国家贯彻落实全国煤矿瓦斯治理现场会精
4、神和“先抽后采、监测监控、以风定产”的方针，为保障煤矿安全生产，必须加强煤矿安全监控系统监察工作。1.3项目研究的现状及发展趋势煤炭是我国最为重要的能源资源，煤炭生产的安全事关重大。我国煤矿安全生产面临着非常严峻的形势，而广泛应用监测监控是加强和改进煤矿安全生产工作的有效手段。国有煤矿一般都安装有安全监控系统、工业电视系统和其他一些小型系统，例如水文资料监测、瓦斯传感器管理系统等。随着生产的发展，可能会产生越来越多的子系统。但所有这些系统绝大多数都存在信息孤岛问题，是相对独立的系统。这些系统都有自己独立的数据存储方式，调研后认为这些系统有的数据冗余度较大。所以将多业务统一集成，充分利用监测监控
5、系统的海量数据，提高数据的利用率和清晰化，是提高煤矿安全监测监控效果的重要方式。随着对安全生产的更高要求，尤其是在煤矿安全形势严峻的情况下，通过通信、网络技术实现全局煤矿监控系统的集中监测，为局领导及相关技术人员提供各矿实时监测数据，有利于局领导对下属各矿的管理，有利于安全生产和指挥调度。为适应当前发展需要，需尽快建立适应局矿的网络化煤矿综合监控信息系统。特别是煤矿企业安全生产的监管问题，使矿区和地方管理部门能够真实地看到安全生产的状况，以便及时的制定政策，使煤矿开发合理化、安全化，透明化。近年来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业安全生产的需要，许多煤矿加大了安全投入，煤矿安全监
6、控系统得到了普遍应用。越来越多的煤矿企业装备或更新改造了矿井安全监控系统，大大提高了矿井安全生产水平，同时也为该技术的使用、维护和发展提出了更高的要求。1.4本文的主要内容本课题是基于虚拟仪器而设计的煤矿安全监控系统。该系统不仅提高了井下安全参数的检测能力，并且加强了计算机与人的交流功能，是系统更为的人性化。本文的工作有：（1）调查了国内煤矿安全生产情况，以及煤矿监测监控系统在国内煤矿生产中的发展情况和重要作用。（2）结合煤矿实际情况，设计安全监测系统的总体框架。（3）根据建设综合监测应用平台的需要，主要针对关键技术：底层数据采集、数据传输等进行了重点分析。本文主要内容有：本文首先介绍了课题的
7、研究背景和意义以及煤矿安全监测技术在国内的发展，讲述了论文研究的目的和意义，以及文章的主要内容和结构。然后介绍本系统总体设计，这里主要介绍了基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统的优势以及系统设计的任务分析，从而给出了系统的原理框图。在介绍总体设计之后本文再分别介绍了系统的模块设计过程和软件设计过程。在模块设计过程中主要介绍硬件设计和选择，并分别列出了采集模块、信号处理模块、数据采集卡模块和显示模块的设计。而在系统软件设计介绍中，提出了系统的软件设计方法和使用的仿真软件Labview,给出了系统的软件流程框图，并对子程序进行了介绍。系统设计完成之后再对系统进行调试及仿真。文章最后对整篇文章的主要设计工
8、作给以简要总结，然后分析煤炭行业的业务发展和安全监测技术的发展趋势，并指出需要进一步研究和完善的问题。2系统的总体设计2.1系统的方案论证与选择国内煤矿都安装有煤矿安全监控系统，下面我们分别就传统的煤矿安全监控系统和基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统分别加以介绍和比较。方案一：传统煤矿安全监控系统国有煤矿一般都安装有安全监控系统、工业电视系统和其他一些小型系统，例如水文资料监测、瓦斯传感器管理系统等。随着生产的发展，可能会产生越来越多的子系统。但所有这些系统绝大多数都存在信息孤岛问题，是相对独立的系统。这些系统都有自己独立的数据存储方式，调研后认为这些系统有的数据冗余度较大。传统的煤矿安全监控系统
9、如图1所示。瓦斯传感器温度传感器XX传感器湿度传感器瓦斯监控分站温度监控分站湿度监控分站压力监控分站数据传输接口地面中心站压力传感器XX监控分站图1 传统的煤矿安全监控系统原理框图方案二：基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统，是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成，具有可视化界面的仪器，它可使任何一个用户方便灵活的用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作；并可以根据不同的测试要求，通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。虚拟仪器系统利用各种仪器驱动程序和实用软件包，实现对各种仪器的编程控制
10、，完成数据的采集、传输和分析处理。该系统如图2示。 瓦斯传感器温度传感器XX传感器湿度传感器数据采集卡计算机虚拟仪器压力传感器图2 基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统原理框图该系统的特点在于：(1)性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I0，工程师在数据高速倒入磁盘的同时就能实时的进行复杂的分析。(2)扩展性强由于虚拟仪器软件的灵活性，用户只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级就可以改进整个测试系统。(3)开发时间少在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器高效的软件架构
11、能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新科学技术结合在一起。(4)软件与硬件无缝连接虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。虚拟仪器软件平台的发展趋势就是为所有的I0设备提供了标准的接口，帮助用户轻松的将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。鉴于虚拟仪器的煤矿安全监控系统有以上一些特点及优势，本文选用虚拟仪器设计煤矿安全监控系统。2.2系统的任务分析煤矿井下环境参数测试系统是针对目前国内煤矿的环境参数(包括瓦斯浓度、温度、湿度、压力等)进行设计的。它负责对矿井下的各项环境参数进行采集、处理、分析、判断、显示，当任何一个参数超出设定范围时，发出报警信号并做出相应的处理（例如断电）。为
12、了保证系统的可靠稳定，本系统采用模块化设计方案。系统由以下几个模块组成：（1）采集模块，主要完成煤矿井下环境参数的测量采集。模块包括四个传感器：温度传感器、瓦斯传感器，湿度传感器，压力传感器。（2）信号处理模块。主要是将传感器送来的电信号转变为能被数据采集卡采集的电信号。（3）数据采集卡（DAQ）模块。对处理过的信号进行采集，并传送到地面计算机。（4）输出模块。通过计算机中的软件对各项数据进行处理判断，得出井下的安全现状，并显示各项参数。2.3系统的原理框图通过对系统的任务分析，得到系统的总原理框图。如图3示。采集模块输出模块数据采集卡模块信号处理模块图3 系统的原理框图3 系统硬件设计本设计
13、主要包括四大模块，采集模块，信号处理模块，数据采集卡模块，输出模块。 由采集模块采集环境参数信号，通过信号处理模块进行处理转变成符合数据采集卡参数要求的信号，处理过的信号在发送到计算机进行判断显示。如图4所示。传感器采集信号信号处理数据采集卡采集信号计算机判断显示图4 系统的工作流程框图3.1采集模块本设计中采集模块是通过个类传感器对信号进行初步采集的模块。设计中共测取四种安全参数，分别用到了瓦斯传感器、温湿度传感器和气压传感器。下面我们分别介绍这几个传感器相关原理和参数。3.1.1瓦斯传感器GJC4甲烷传感器工作原理：当仪器置于存在甲烷气体的环境时，甲烷气体通过仪器外壳的气窗进入气室，气室内
14、的传感器（载体催化元件）表面产生无焰燃烧，其阻值增大，使桥路输出与甲烷浓度成正比的电信号。信号经线性放大器放大后输入A/D转换器，经微处理器数据处理，由数码管显示出甲烷浓度，并经信号输出电路输出信号，供其它设备使用。仪器的报警电路是由蜂鸣器、发光二极管及驱动电路组成，当甲烷浓度超过设定的报警点时，仪器会发出声光报警信号。当甲烷浓度超过设定的断电点时，仪器会有断电指令信号输出；甲烷浓度超过断电点以后，只有当甲烷浓度降低到设定的复电点以下时，仪器才会解除断电指令输出。仪器具有防冲击保护措施，当甲烷浓度4.00%时，数码管闪烁、蜂鸣器鸣叫，仪器自动对黑白元件进行断电保护，并恒定输出1000Hz频率。
15、在本系统的设计中，我们选用了GJC4矿用低浓度甲烷传感器。如图5所示。图5 GJC4矿用低浓度甲烷传感器其输出是2001000Hz的频率信号，相对应的瓦斯浓度范围是04，当检测到的瓦斯浓度超过给定值时，它上面的红色LED灯会闪烁，峰鸣器会连续鸣叫，提示操作人员瓦斯浓度超限。其主要参数指标如表2示。 表2 GJC4矿用低浓度甲烷传感器主要参数指标项目技术指标测量范围（CH4）（04）%基本误差（CH4）01.0013.003.004.000.1真值10%真值0.3真值分辨率0.01% CH4响应时间20s工作电源DC（924）V/50mA(本安电源)输出信号（2001000）Hz、RS485（波特率可调）数字信号2400bps传输距离2km报警方式继续声
