（机械工程专业论文）基于光纤传感的煤矿瓦斯监测系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 瓦斯是煤矿重大自然灾害发生的根源之一，瓦斯爆炸严重威胁到煤矿作业 人员的生命安全，影响煤矿的正常生产。实时准确地监测煤矿瓦斯气体浓度对 保障安全生产具有十分重要的意义。 本论文针对国家煤矿对瓦斯监测的具体要求以及煤矿瓦斯监测的现状，研 究设计了基于光纤传感的井下瓦斯监测系统。监控系统包括瓦斯传感器、监控 分站、传输接口、中心计算机、网络交换机等设备。在本设计的过程中，充分 利用了传感器、通信、嵌入式单片机、计算机软件编程等各方面的知识，完成 了煤矿安全生产监测系统对瓦斯浓度的实时采集和管理。论文的主要工作如下： ( 1 ) 将工业以太网技术和光纤传感技术结合起来，构建基于光纤的环状冗余 网络，将其应用延伸到煤矿井下。系统主干采用工业环型光纤以太网 ( e t h e r n e t ) ，以光缆为介质传输，以工业级交换机为核心设备，通过工业环网 节点交换机与现场各监测分站连接，建立了稳定、安全、可靠的传输链路。 ( 2 ) 重点对瓦斯传感器进行设计，基于气体光谱吸收原理和可调谐半导体激 光吸收光谱技术，设计出了性能优越的光纤传感器。在设计过程中合理地划分功 能模块来进行，完成了各模块的硬件设计和总体的软件设计。对传感器的壳体和 气室的结构做了防水防尘处理，并设计了红外遥控、数码管显示和声光报警电路。 光纤瓦斯传感器的设计达到了稳定性可靠性的要求，并降低了整体功耗，实现了 远距离传输。 ( 3 ) 完成了监控分站的设计，选用s 3 c 4 4 b o x 作为中央处理器，相比传统 8 9 c 5 1 而言，大大提高分站处理速度。外围电路的设计采取一系列低功耗措施， 如采用多级电源模式，液晶屏显示，采用低功耗的控制芯片等；同时采用触摸屏 和l c d 显示使监控分站智能化，便于操作。 ( 4 ) 利用v b 和s q ls e v e r2 0 0 0 完成了地面中心计算机的软件设计，实现了 参数维护、数据实时显示、报警显示等功能。编写了基于m o d b u s 的通讯协议， 完成了整个系统的通信。 ( 5 ) 对系统进行测试与实验，模拟煤矿井下环境对系统进行测试。测试的主 要内容有传感器的稳定性和误差、响应时间、声强和可见性；分站的数据采集、 通信传输、断电响应以及中心计算机的运行等。 关键词：瓦斯传感器，监控分站，监控系统，通讯协议，控制软件 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a m o n g t h em a j o rn a t u r a ld i s a s t e ri nt h ec o a lm i n e ，t h eg a si so n eo ft h es o u r c e s f i r ed a m pe x p l o s i o nn o to n l yi n f l u e n c e st h en o r m a lp r o d u c t i o no ft h em i n e r a l ，b u t a l s ot h r e a t e n st ot h es a f e t yo ft h ec o a lm i n ew o r k e r ss e r i o u s l y i ti sv e r yi m p o r t a n tt o m e a s u r et h ed i s t r i b u t i o no f m e t h a n ec o n c e n t r a t i o ni nr e a l - t i m e a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t h ec o a lm i l l e g a sm o n i t o r ，t h i sp a p e rd e s i g nt h eu n d e r g r o u n dg a sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n o p t i c a lf i b e rs e n s i n g s u r v e i l l a n c es y s t e mi n c l u d e st h eg a ss e n s o r s ，t h es e c u r i t y p r o t e c t i o np o w e rs u p p l y , a c t u a t o r s ，r e l a y s ，m o n i t o r i n gs t a t i o n s ，t r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e ， t h ec e n t e rc o m p u t e ra n dn e t w o r ks w i t c h e se q u i p m e n t t h ei s s u em a k e sf u l l 墩o ft h e s e n s o r , c o m m u n i c a t i o n , e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r , c o m p u t e rs o f t w a r ep r o g r a m m i n g a n dv a r i o u sa s p e c t so ft h el m o w l e d g e a tl a s t , t h ep a p e rc o m p l e t et h ec o l l e c t i o na n d m a n a g e m e n to fg a sc o n c e n t r a t i o ni nr e a lt i m e t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ra r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) c o m b i n et h et e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a le t h e m e ta n dt h eo p t i c a l f i b e rs e n s o r ， c o n s t r u c tt h eg i g a b i tr i n gr e d u n d a n tn e t w o r kb a s e do no p t i c a lf i b e r , e x t e n dt h e a p p l i c a t i o nt ot h eu n d e r g r o u n dc o a lm m e u s i n go p t i c a la st r a n s m i s s i o nm e d i u m ， i n d u s t r i a ls w i t c h e sf o rt h ec o r ee q u i p m e n t , t h r o u g ht h ei n d u s t r i a lr i n gn e ts w i t c h c o n n e c t i n ge a c hm o n i t o r i n gs t a t i o n so ns i t e ，t h es y s t e me s t a b l i s h e das t a b l e ，s a f e ， r e l i a b l et r a n s m i s s i o nl i n k ( 2 ) t h ek e yo f t h ed e s i g ni st h eg a ss e n s o r b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h eg a ss p e c t r u m a b s o r p t i o na n dt u n e ds e m i c o n d u c t o r l a s e rs p e c t r u ma b s o r p t i o nt e c h n o l o g y ，t h ep a p e r d e s i g n st h es u p e r i o ro p t i c a lf i b e rs e n s o r t h ed e s i g nd i v i d e st h ef u n c t i o nm o d u l e r e a s o n a b l y , a n dc o m p l e t e st h eh a r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g no f t h eo v e r a l l t h es h e l l o fs e n s o ra n dt h es t r u c t u r eo fg a sc h a m b e ra r eb o t hw a t e rp r o o fa n dd u s tp r o o f i ta l s o d e s i g n st h ei n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l ，d i g i t a lp i p ed i s p l a y ，t h ea u d i b l ea n dv i s u a la l a r m c i r c u i t o p t i c a lf i b e rs e n s o ra c h i e v et h er e q u i r e m e n t so fs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , a n d r e d u c et h eo v e r a l lp o w e rc o n s u m p t i o n , r e a l i z et h et r a n s m i t i o no v e ra l o n gd i s t a n c e ( 3 ) t h em o n i t o r i n gs t a t i o n sc h o o s es 3 c 4 4 b o xa st h ec e n t r a lp r o c e s s o r c o m p a r e dt o t h et r a d i t i o n a l8 9c 5 1 ，i ti m p r o v e st h ep r o c e s s i n gs p e e dg r e a t l y p e r i p h e r a lc i r c u i t t a k eas e r i e so f m e a s u r e st or e d u c ep o w e r , s u c ha su s i n gm u l t i l e v e lp o w e rm o d e ，l c d s c r e e n , 州n ll o wp o w e rc o n s u m p t i o no f c o n t r o lc h i p ，e t c ；a tt h es a m et i m e ，t h et o u c h s c r e e na n dl c d d i s p l a ym a k et h es t a t i o ni n t e l l i g e n t , e a s yt oo p e r a t e ( 4 ) u s i n gv b a n ds q ls e v e r2 0 0 0t oc o m p l e t et h es o f h a r ed e s i g no ft h ec e n t e r c o m p u t e r , t oa c h i e v et h em a i n t e n a n c eo fp a r a m e t e r s ，r e a l - t i m ed i s p l a yo ft h ed a t aa n d a l a r md i s p l a y w r i t et h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lb a s e do nm o d b u s ，c o m p l e t et h e c o m m u n i c a t i o no ft h ew h o l es y s t e m ( 5 ) t e s ta n de x p e r i m e mt h es y s t e m t h et e s t ss i m u l a t et h ee n v i r o n m e n to f u n d e r g r o u n dc o a ll n m e n 他m a i nc o n t e n to f t h et e s t si n c l u d et h e n s o r ss t a b i l i t y a n de r r o r , r e s p o n s et i m e ，s o u n di n t e n s i t ya n dv i s i b i l i t y ；t h ed a t ac o l l e c t i o na n d s t a t i o n s c o m m u n i c a t i o n , p o w e r - o f fr e s p o n s ea n dt h eo p e r a t i o no f t h ec e n t e r c o m p u t e r , c t c k e yw o r d s ：g a ss e n s o r ， m o n i t o r i n gs t a t i o n s ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n i n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 煤炭能源是我国经济发展的重要基础。经济的健康、高速、持续发展离不 开煤矿。在今后相当长的一段时期内，我国对煤炭的需求量还将持续增长，这 就要求煤炭的产量也应该相应地增加。 然而，煤矿行业危险系数高导致各种灾害频频发生。其中，瓦斯( 煤尘) 爆炸事故是煤矿生产最严重的灾害。在我国，发生一次死亡1 0 人以上的煤矿 重特大事故中，重特大瓦斯事故数和死亡人数分别占6 6 5 2 和6 8 7 2 n 3 。因此， 防止瓦斯灾害，保障煤矿安全生产是减少煤矿死亡事故总量和重特大事故的首 要工作，是煤矿安全生产工作的重中之重。 煤矿监控系统是煤矿安全生产的重要保障，在预防瓦斯事故、井下作业人 员管理等方面发挥着重要作用。煤矿井下复杂的环境条件需要一定的技术来确 保安全生产，提高煤矿的安全系数。在监控的诸多危险有害因素中，对瓦斯的 研究和监控是重中之重。 1 1 2 研究意义 为防止瓦斯灾害的发生，主要是防止瓦斯积聚和瓦斯( 煤尘) 爆炸。瓦斯 监测系统最主要的功能就是监测煤矿井下瓦斯浓度，当监测到的瓦斯浓度达到 或者超过预设的报警值时，瓦斯传感器立即声光报警，并将报警信号上传至监 控分站，监控分站立刻控制断电远动开关，断电远动开关断电。当瓦斯浓度降 到报警值以下时，断电远动开关自动复电。 本课题结合当今煤矿安全生产的现状，充分吸收当前先进的煤矿瓦斯监控 技术进行开发设计。监测系统中，监测瓦斯浓度的传感器一直采用热催化元件， 但在实际应用过程中，其检测准确度偏低，稳定性差、寿命短易老化等缺点已 严重制约了系统的可靠性盥1 。本文基于光纤传感技术开发的瓦斯传感器具有灵敏 度高、稳定性好、抗干扰能力强、响应速度快、寿命长等优点；监控分站的智 武汉理工大学硕士学位论文 能化设计，提高了分站处理速度，降低了功耗嗍；地面中心计算机的软件设计， 实现了参数维护、数据实时显示、报警显示等功能。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 监测系统的发展 国外的煤矿监控技术起步比较早，从2 0 世纪6 0 年代开始发展，至今已有 四代产品，随着信息传输的进步每5 - - - 1 0 年会更新一代产品。 6 0 年代中期，第一代煤矿监控系统产生了。它采用空分制来传输信息。英 国煤矿的运输机、日本煤矿中的固定设备大部分采用这种监控系统控制。波兰 在7 0 年代从法国引进技术研制了c m c - 1 系统，它有1 2 8 个测点，可以监测瓦 斯、c o 、风速、温度等参数。 信道频分制的出现诞生了煤矿监控技术的第二代产品。采用频分制，可以 很大程度上减少传输信道的电缆芯数，这样空分制系统迅速被频分制系统淘汰 了。在第二代产品中，西门子s i e m e n s 公司生产的t s t 系统与f + h 公司生产的 t f 2 0 0 系统是最具代表性的且至今仍影响不凡。频分制主要采用晶体管电路来 传输信息。将大规模晶体管电路集成，产生了时分制系统的概念。紧接着以时 分制为基础的第三代煤矿监控系统产生了，其中以英国发展最为突出。1 9 7 6 年， 英国煤矿研究院因推出了以时分制为基础的m i n o s 煤矿监控系统而名声大作。 它成功的应用在洗煤厂监控、井下环境监测、供电供水监测和胶带输送等方面。 这一系统成功的实现了全矿井监控，开创了从未有过的新局面，促进了煤矿自动 化技术和煤矿监控技术的发展。 到了8 0 年代，美国利用其雄厚的高新技术优势，率先将煤矿监控系统运用 现代高新技术，如美国m s a 公司开发的d a n 6 4 0 0 系统，结合了数据通信技术、 大规模集成电路技术、计算机技术等，这时逐渐形成了以分布式微处理机为基础 的第四代煤矿监控系统，虽然其信息产生方式仍属于时分制范畴，但用原来的 时分制概念明显不足以反映这一高新技术的特点。 我国监控技术起步较晚，在七十年代以前，矿井瓦斯气体监测采用的设备 是日本二十年代研制的光干涉瓦斯检测仪，监测工作主要还是人工进行。当时 工人必须手持瓦斯监测仪到现场，进行人工操作监测瓦斯。这时的监测技术就 2 武汉理工大学硕士学位论文 是一人加一检测仪器而已。 到了八十年代，我国煤矿监测系统迅速发展。在引进英国和美国的监控系 统后，充分吸取和借鉴其先进技术，开发出适合我国煤矿环境的安全监控系统。 此时的监控技术已经能够实现在地面远程控制井下煤矿参数，完整的系统基本 满足了安全生产的要求。 九十年代以来，我国紧跟世界监控系统的发展潮流，研制开发出了一批具有 世界先进水平的监控系统，如煤炭科学研究总院重庆分院的k j g o 系统、煤炭 科学研究总院常州自动化研究所的k j 9 5 系统等，这些系统提高了测控分站的智 能化水平并具备了网络连接功能。 1 2 2 监控系统存在的问题 煤矿监控系统离不开传感器技术、计算机软件技术、通信传输技术、网络 技术等各种高新技术。这些技术有机结合而生成的系统，为瓦斯监控提供了高 效可靠的手段和方法。监控系统的主要功能就是对煤矿环境中的重要参数进行 实时采集和处理。目前，市场上的监控系统都还不是太完善，或多或少存在些 技术问题，归纳起来有如下几条： ( 1 ) 瓦斯传感器的采集准确度低 ( 2 ) 瓦斯传感器的抗干扰性差 ( 3 ) 瓦斯传感器的稳定性差 ( 4 ) 监控分站的功耗大和响应速度慢 ( 5 ) 系统整体的通讯不兼容 本研究采用光纤传感技术、嵌入式技术、计算机软件编程等知识结合来解 决上述问题。 1 3 系统的设计要求 1 3 1 设计要求 煤矿瓦斯监测系统有如下要求“3 ： ( 1 ) 瓦斯传感器稳定性、采集精度符合国家新标准，传输距离在2 5 k m 以上。 ( 2 ) 具有遥测功能。各传感器安放点需进行高速数字处理。现场实时采样，主 控机循环采集分站数据。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 各个分站内置数据存储器，现场能够智能控制。 ( 4 ) 分站具备通信功能。分站既能识别中心计算机的命令，又能将采集和处理 后的数据上传至中心计算机。 ( 5 ) 分站接受并执行遥控指令，并具有故障闭锁、超限断电、正常复电等功能 等功能嘲。 1 3 2 硬件设计准则 本系统的瓦斯传感器和监控分站均有硬件电路设计，设计的好坏直接影响 监控系统的可靠性。硬件设计不仅要兼顾功能的实现，还要考虑抗干扰性。一 般来说，有以下几条原则： ( 1 ) 合理分配软硬件：系统的功能由软件和硬件两部分完成。软件涉及系统的适 应性与灵活性，硬件涉及系统的实时性、速度、精度。在保证系统功能实现的 情况下，应合理分配软硬件功能。 、 ( 2 ) 简化电路：接点、元件之间的连线和封装数目应尽量少，系统的集成度尽量 高。尽可能用集成电路代替分立元件。 ( 3 ) 模块化设计：硬件设计可分为若干模块来完成，为方便检验硬件故障，各模 块的功能尽量独立。 ( 4 ) 抗干扰设计：煤矿井下环境比较恶劣，抗干扰设计不容忽视。对传感器、监 控分站的硬件设计应采取抗干扰措施，来增强系统的稳定性。 1 3 3 软件设计准则 本系统的软件主要涉及两部分：瓦斯传感器和监控分站的软件设计；地面 中心计算机的监控软件设计。这两部分的软件既彼此关联，又相互独立，编写 设计时应围绕各自的功能，满足系统的工作要求。 ( 1 ) 本系统监控分站需要用软件来完成数据的采集与处理，与地面中心计算机通 信，显示并存储系统当前状态，调用历史数据。软件不仅需要实现这些功能， 还应提高可靠性，程序的可读性，功能的可拓展性。按功能采取模块化编程， 以降低编程工作量和难度。 ( 2 ) 地面中心计算机软件设计要显示和处理监控分站上传的数据，并下发初始化 和巡检指令给监控分站，界面要能够实时显示数据，调用历史记录。 4 垂茎垫理工大学硕士学位论文 第二章监测系统的方案及论证 2 1 煤矿实时监测系统方案 目前，国内的各种煤矿安全监控系统可以用图2 - 1 来描述。系统采用集散型 结构，以主燃通信线缆( 井筒部分可采用光缆) 按r s 4 8 5 总线、f s k 、d p s k 等模式 传输数据；地面监测主机与井下数据采集分站通过数据传输接口相连，通过串 行数据总线以巡检的方式通讯阳1 。 图2 - 1 现有的煤矿安全监控系统 随着技术的发展，新的监控系统不断涌现，以下是吸取国内外先进技术提 出的四种监控系统方案。 方案一：采用c a n 总线采集数据的监测系统结构图，如图2 - 2 所示 i n t e r n e 雹圈一燃h 局蝴i i l 图2 - 2 基于c a n 总线监控系统结构 5 武汉理工大学硕士学位论文 c a n 总线的全称是控制器局域网( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 。它采用双绞线传 输信号，可达1 m b p s 4 0 m 的最高通讯速率，l o k m 5 k b p s 的最远传输距离忉。c a n 总线上可连接多达1 1 0 个设备，这些设备通过c a n 控制器，按照c a n 总线协议 来实现通讯。目前很多设备都能兼容c a n 总线协议。 方案- - ：基于p r o f i b u s 总线的数据采集监测系统，如图2 - 3 所示： 图2 3 基于p r o f i b u s 监测系统结构图 p r o f i b u s 是一种数据传送速率可达9 6m b i t s - - 1 2 m b i t s 的高速经济设备 及网络，主要用在分散i o 与现场控制器之间通讯。模块采用主从方式输入输 出数据。上位机通过总线接口卡将工业p c 机和现场总线相连，总线上所有i o 模块的状态字通过作为控制中心的下位机读取。这样工业p c 机和现场总线就构 成了一个能够快速响应的完整系统。图2 - 3 中采用双机冗余，将另一台工业p c 机与现场总线通过相同的总线接口卡相连，使系统更稳定。 方案三：基于w o r l d f i p 总线数据采集系统结构图，如图2 4 所示： 图2 - 4 基于w o r l d f i p 总线监控系统结构图 6 武汉理工大学硕士学位论文 w o r l d f i p 的全称是世界工厂仪器协议( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o n p r o t o c a l ) 。它采用双绞线或者光缆传输信号，在光纤中传输的最远距离可达4 0 千米，其传输速度和传输距离关系为：距离是5 0 0 米时对应的速度是2 5 0 0 k b p s ； 距离增至1 0 0 0 米时传输速度是1 0 0 0 k b p s l 当距离是5 0 0 0 米时传输速度可以达 到3 1 2 5 k b p s 。完全可以满足煤矿对远距离传输的要求。在图2 - 4 的w o r l d f i p 总线系统中，所有的设备均使用同一协议连接网络。但目前很多仪表不支持该 总线协议。 方案四：基于工业以太环网的监测系统结构图，如图2 - 5 所示： 图2 5 基于工业以太环网监测系统结构图 系统主干采用工业环型光纤以太网络( e t h e r n e t ) ，以光缆为介质传输，以 工业级交换机为核心设备，通过工业环网节点交换机与现场各监测分站连接。 工业级环网节点交换机提供r s 4 8 5 、r s 2 3 2 等硬件接口。为适应煤矿井下的特殊 环境，所有数据接口都经过本安转换隅】。因光纤环形网络的抗干扰( 电磁干扰及 脉冲干扰) 能力强，可以保证系统在主干及分支传输时，数据的可靠性嘲。 2 2 方案的对比与选择 方案一：c a n 协议的应用较广泛， 下，也性能良好。当出现严重错误时， 7 它的节点没有主从之分，即使是在重负载 它能自动关闭。c a n 总线的优点是价格低， 武汉理工大学硕士学位论文 可靠性高，但最大的缺点是不具备防暴功能。根据2 0 0 5 年的 煤矿安企管理规 则，具备防爆的电气设备至少要有1 0 种。 方案二：p r o f i b u s 协议用于p l c 与现场分散的i 0 设备之间通讯，是目前 比较先进的一种现场总线n 帕。它尤其适用于工业现场，与其他局域网相比，它 的实时性较高，但缺点是当增删站点时，整个网络需要重新初始化，而且各站 点也需重新排序。 方案三：w o r l d f i p 总线面向工业控制领域，按照工业控制系统的要求，定 义了严格的通讯协议和传输介质。它使用曼彻斯特码传输，传输类型与i n t e r n e t 相似。以光纤为介质的速度更快的高速网也在逐渐形成。它在每个网段传输距 离可达l k m ，加中继器后可延伸至5 k m 。w o r l d f i p 总线在同步性、实时性、冗余 性等方面表现出众。但是，支持其总线的公司产品比较单一，会出现数据格式 不兼容等情况。 方案四：将以太网技术引入工业控制领域，可以真正实现全开放的一体化网 络，不同厂家的设备只需遵循网络协议便可实现互联；随着以太网技术的成熟， 众多的软件开发环境和硬件设备都支持这种技术，用户有更多的选择权，软硬 件成本也可以降低；同时以太网的通信速率高，目前广泛应用的是i o m 、1 0 0 m 的网络，更高速率的以太网也在研究中，可持续发展空间很大n 1 1 。 在我国煤矿环境下，基于p r o f i b u s 和c a n 总线的煤矿监控系统应用相对较 广，但已反映出数据延时等现象。w o r l d f i p 通讯协议已经形成标准，但是支持 该协议的仪表不多，仪表选型时受限制。所以实施w o r l d f i p 方案需对现有监控 系统进行大改造，但改造难度系数大，不可能在短时间内全部更新，只能逐步 进行，因此暂时还不适合我国煤矿环境。 总的来说，前三种方案在应用过程中存在以下问题： ( 1 ) 总线型的结构影响了系统的传输速率，对传输距离也有限制，当增加系 统接入的数据采集设备时，( a q 6 2 0 1 - 2 0 0 6 煤矿安全监控系统通用技术要求所 规定的巡检时间小于3 0 s 的要求无法满足； ( 2 ) 在井下各种大型机电设备同时运行的强烈电磁干扰下，以电缆传输数据 的主干网会受到很大干扰； ( 3 ) 采用单一的总线结构制约了传输线路的可靠性，局部通信线路受损直接 导致井下设备数据采集中断、严重时系统会故障断电甚至瘫痪。 方案四构建基于光纤的环状冗余网络，将工业以太网应用到煤矿井下。光 纤传输具有抗干扰能力强、传输距离远、传输带宽容量大等不可比拟的优点， 8 武汉理工大学硕士学位迨塞 结合工业以太网传输速度快、兼容性好、低耗、易于安装，并且几乎支持所有 流行的网络协议的特点，能够使系统稳定、安全、可靠。系统只需连接成熟的 远程i o 模块，便可实现远程数据采集与监测u 刁。 针对我国煤矿监控的现状，结合现代网络监控技术的发展，选择方案四是 比较优越的。在网络信号传输质量、通讯协议、信息的自动化管理方面都可以 满足煤矿监控的技术要求，而且还能达到美国e d a s 等监控系统水平。因此能符 合未来煤矿监控系统的发展趋势，能达到国内领先水平的技术方案四是具有实 际性和前瞻性的。 2 3 系统的设计及实施 系统的核心是构建一个符合防爆要求的井下l o o m b p s 高速互联网，提供一 个高速信息平台实现煤矿自动化，建立一个协议开放的煤矿工业数字网络系统。 采用光纤工业以太环网的煤矿安全监控系统，其主要由传感器、数据采集分 站、工业以太环网节点交换机以及地面监控中心、单模4 芯阻燃光缆等组成， 结构如图2 - 6 所示嗍。 图2 - 6 基于光纤工业以太环网的系统架构图 主干环型光纤网的覆盖区域根据要监控的矿区面积来安装设备，监控总站 有中心主机、工业管理交换机及其它共享的办公设备，通过主干网互联，构成 以远程计算机为核心的实时网络监控系统n 1 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 - 6 所示，在方案实施过程中，首先建立基于光纤的l o o m b p s 工业以 太环网： ( 1 ) 在煤矿井下的主要生产区域安装e t - 5 r s 一4 s c ( 美国s i x n e t 公司) 工业以 太网节点交换机； ( 2 ) 光纤分布式数据接口( f d d i ) 通过单模4 芯阻燃光缆连接各节点交换机，以 全双关形式构成环状冗余线路； ( 3 ) 地面核心交换机通过位于主、副井2 条4 芯阻燃光缆与井下冗余环网节点 交换机连接，形成地面到井下的线路冗余。 其次是将工业以太环网节点交换机通过r s 4 8 5 总线接口连接安全分站，如图 2 - 7 所示。 环阿揍入基 图2 7 工业以太环网节点交换机接口连接示意网 监控分站通过光缆与传感器的仪表体部分连接，传感器的仪表体与气室通 过单模双芯光缆连接，光缆长度应小于2 0 k m ，如图2 - 8 所示。传感器的安装应 垂直固定在巷道的上方，不影响人及车的行走；井下光缆每5 0 0 m 为一段铺设， 而且要在光缆两端熔焊光纤跳线接头。 呵汛腐= 传g - _ l 一_ = = - ! 图2 - 8 传感器的安装 1 0 一翠 武汉理工大学硕士学位论文 最后，地面中心计算机通过网线连接工业以太环网核心交换机，按串口巡 检与井下监控分站交换数据。特别值得注意的是建筑上需安装避雷针，使各仪 表在天气异常情况下能正常工作。 2 4 系统通讯传输的协议设计 在整个网络中，数据共享和快速传递十分重要。本设计采用m o d b u s 通讯协 议u 即。它可以实现远距离的数据采集和远程控制，从而对工业现场集中管理。 控制器之间的串行通讯，控制器与其他设备的串行通讯都可以通过此协议来实 施。 现在m o d b u s 通讯协议广泛应用在电子控制器上，它已经是全球工业领域最 流行的协议。它支持传统的r s 一2 3 2 、r s 一4 2 2 、r s 一4 8 5 总线和以太网设备。支持 该协议的仪表相当普及，仪表选购很方便。m o d b u s 协议已经成了许多工业设备 包括p l c 、d c s 、智能仪表等的通讯标准。不同公司生产的控制设备可以连成工 业网络，进行集中监控，避免了因设备不兼容而带来的数据通讯问题。 标准的m o d b u s 有a s c i i 、r t u 两种传输模式。但是，在配置控制器的通信 参数时，同个m o d b u s 网络上的所有设备都必须采用相同的传输模式，并且串行 接口参数也应一致。这两种模式协议规定了消息、数据的结构，命令和问答的 方式。a s c i i 协议和r t u 协议略有不同，它们的消息解码方式和消息打包方式有 所不同，其次网络上连续传输的消息段的每一位也不一样。它们之间的比较如 表2 一l 所示。 表2 - 1a s c i i 协议和r t u 协议对比 协议开始标记结束标记校验传输效率程序处理 a s c i i：( 冒号)c r ， l f l r c低直观，简单，易调试 r t u无无 c r c 高不直观，稍复杂 由表2 - 1 可知，a s c i i 协议有开始和结束标记，来确保数据传输的准确性， 在程序处理时，能快捷地识别相关数据内容。协议传输时，采用可见的a s c i i 字符方便调试，除此之外l r c 校验也比r t u 协议的c r c 容易。因此选择m o d b u s 的a s c i i 通讯协议。当需要传输的数据量比较大时，可以选用r t u 协议。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 通讯协议结构 当以m o d b u s 协议进行通信时，不管是何种网络，只要控制器能识别数据结 构即可。此协议要求每个控制器都要有唯一的设备地址，控制器按地址识别发 来的消息，执行相应的程序作出响应。如果需要响应，控制器按照m o d b u s 协议 发出反馈信息。主机查询和从机回复的消息结构如2 - 9 图所示： 图2 - 9m o d b u s 协议主机查询和从机回复消息结构图 地面主机与分站采用动态数据交换的方式进行通信，并遵循一定的格式。 根据煤矿监控系统的要求，地面中心站与井下监控分站的数据交互方式有以下 五种：1 ) 中心站需设置每个分站的各输入通道所配接的传感器类型；2 ) 中心 站能够读取监控分站各通道的监测数据；3 ) 中心站能够读取控制输出通道的工 作状态；4 ) 中心站能够下发控制输出命令：5 ) 井下监控分站将报警信号上传 给中心站。 另外，当井下环境参数异常或出现超限报警等紧急情况时，对应的监控分 站按照规定的通信格式，及时将报警信号上传至地面主机，以便尽快通知工作 人员在最短的时间内采取相关措施，将故障的危害降到最小。设计要满足相关 标准对煤矿井下报警信号上传的时间要求，必须做到通讯畅通n 耵。 当井下监控分站采用a s c i i 模式来进行数据传输时，数据帧中包含了l r c 校验码，这样可以有效防止信号干扰。煤矿井下传输的具体数据格式说明如下： 1 ) 配置各通道输入方式 【3 a h 分站地址】【功能代码 0 3 i - i a a i - q 输入通道编号】【输入类型】 t , a c 校 验码 0 r ) i - q 0 a i - q 1 2 一一一一 一一一一一一一 一一一一一一一一一萋| 武汉理工大学硕士学位论文 格式说明： 3 a h ：开始标志，m o d b u s 协议的a s c i i 模式数据起始符冒号“： 所对应 的十六进制码为3 a h ； 【分站地址】：采用m o d b u s 协议可以接的分站个数为0 - 2 5 5 ，各分站有相应 的地址编号； 功能代码：即标准m o d b u s 协议规定的功能代码； 【0 3 h 】：发送数据的长度： 蝴：输入通道配置标识： 【通道号】井下分站对应的八个输入通道的编号分别为0 1 - 一0 7 1 【输入类型】传感器的输入类型有两种：0 l 一频率型：0 2 一电流型。 l r c 校验是纵向冗余校验，校验较为简单，具体算法是按字节将需要传输 的数据进行叠加，然后取反加l 。l r c 校验码可通过校验程序算出。 0 d h 和0 a h 是信息的结束标志，对应的a s c i i 码分别为回车和换行。 2 ) 读取各通道监测值的命令格式 【3 a n 分站地址】 功能代码1 01h 】 f f i - 1 l r c 校验码】【0 d h 】 0 a n 【3 a h 、【分站地址】、 l r c 校验码】、【0 d h 、【0 a h q 的意义与1 ) 相同。 【功能代码】：即标准m o d b u s 协议规定的功能代码： 【0 1 h 】：发送数据的长度： 【f f h 】：要求读取监测值的命令标识； 3 ) 要求读取输出控制口状态的命令格式 【3 a h 分站地址】 功能代码】 o l h i 0 0 h i l r c 校验码】【0 d h 】 0 a n 【3 a n 、【分站地址】、【o l h i 、【l r c 校验码】、【o d h i 、【0 a r l 的意义2 ) 相 同。 【功能代码】：即标准m o d b u s 协议规定的功能代码 【0 0 h - 要求读取输出通道通断状态命令标识 4 ) 控制输出命令的格式 【3 a h 分站地址】【功能代码】 0 3 h 】 b a h 【输出通道编号】【输出状态码】【l r c 校验码】 o d h 】 0 a n 格式中【3 伽、【分站地址】、 0 3 h 】、【0 d h 】、【0 a h 的意义与1 ) 中相同。 【功能代码】：即标准m o d b u s 协议规定的功能代码； b b h ：输出通道设置命令标识 【输出通道编号】：井下监控分站设计有四个输出通道接口。对应的编号分别 武汉理工大学硕士学位论文 为：0 1 h 、0 2 h 、0 3 h 、0 4 h 。 【输出状态编码】：井下监控分站的输出通道所配接的设备的起停状态，两种 状态的编码为：0 5 h 一通，1 0 h 一断。 5 ) 报警信号上传的数据格式 【3 a h 分站地址】【通道编号】【o d h 】 0 a i - i 报警信号上传的数据格式同样采用了协议中固定的起始符与结束符，这样 做是为了与m o b d u s 通信协议兼容。 煤矿安全监测系统正常工作时，上位机采用轮巡的方式与各井下分站进行 通信，分站按照上述五种格式响应上位机的对应命令。当某一分站所采集的数 据超限时，则立即按照5 ) 中的数据格式上传至地面主机，这样报警信号可以及 时的传到监控室，工作人员可以立即采取措施。 另外，当系统需要添加硬件时，不需要对已有的各区地址重新设置，网络 自动分配给新添加的设备仪表p 地址。 2 4 2 基于r s 4 8 5 总线的通讯 如上所诉，以太环网节点交换机与监控分站采用串行通讯，串行通讯因其 数据交换方式简单易行而在工业上应用广泛；常见的串行通讯方式有i t s 2 3 2 、 r s - 4 8 5 。t 业环境一般比较复杂，参杂的噪声会干扰传输线路，用r s 2 3 2 做通 讯传送时，经常会受n # i - 界的电气干扰，而使信号发生错误，并且它的传输距 离有限，最大距离也只有1 5 米。为了解决上述问题，选用r s - 4 8 5 的通讯方式n 力。 r s - 4 8 5 较r s 2 3 2 c 具有传输距离远、速度快，可驱动多个负载等特点，因此广 泛应用于智能仪器仪表系统中。 图2 - 1 0r s - 2 3 2 信号与噪音 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 1r s 一4 8 5 信号传输方式 可知r s - 4 8 5 的信号在传送出去之后会先分解成正负两条线路，当到达接受 端时，再将信号相减还原成原来的信号。如果将原来的信号标注为( s ) ，被分 解后的信号分别被标注为( s + ) 和( s ) ，那么被分解后的信号经传输端传送出 去时与原始信号的关系如下 ( s ) = ( s + ) ( s )( 2 1 ) 同理，接收端在接收到信号后，也会将信号按上式还原。但如果此线路受 到干扰，分解的两条信号分别为( s + ) + n o i s e 与( s ) + n o i s e ，那么接收端按 式( 2 1 ) 方式接受时，信号合成为 s = 【( s + ) + n o i s e - 【( s 一) + n o i s e 】= ( s + ) - ( s 一) ( 2 - 2 ) 从上式可以看成，r s - 4 8 5 可以有效的防止噪声干扰。正因为如此，现在很 多仪器都带有r s - 4 8 5 通讯接口l i e ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章瓦斯传感器的设计 3 1 瓦斯传感器的设计 瓦斯传感器是系统中的主要设备，用于连续监测环境中的瓦斯浓度。瓦斯 的主要成分是甲烷，因此对瓦斯的检测可以看成是对甲烷的检测。 目前我国煤矿井下使用最普遍的三种瓦斯传感器是载体催化燃烧式、光干 涉式、热传导式。它们的缺点是：检测技术落后，监测范围窄、调校频繁、使 用操作繁琐、极易因误报或漏报而导致事故。 在我国，传感器的发展相对滞后于其他设备的更新速度。主要表现在两个 方面，首先在电路设计上，仍采用的是模拟电路来进行信号的采集、处理，因 而性能、可靠性较差，寿命短，调校不方便，抗干扰能力弱，故障率较高，技 术上只相当于发达国家八十年第初期的水平；其次，热催化元件的性能指标偏 低、稳定性差、寿命短，严重制约着传感器性能的进一步提高。瓦斯监控环节 中使用这种目前较为落后的瓦斯传感器，必将大大降低环境监测系统的先进性、 可靠性，严重影响瓦斯监控分站在煤矿中的正常使用。因此，采用新的、高可 靠性的瓦斯传感器是十分必要的。 基于以上的考虑，本设计基于气体光谱吸收原理n 町，开发出光纤瓦斯传感 器。与传统的黑白元件的瓦斯传感器相比，它工作稳定、测量精度高、使用和 维护简单、易损元件少，所以它使用寿命长、维护频率及维护费用低。从应用 情况来看，它完全可以满足理论和生产的要求，并且表现出了良好的适应性。 传统的黑白元件的传感器调