煤矿课程设计报告

课程设计报告设计题目煤矿信息化系统综合设计系部计算机工程系专业班级网络技术12-11学号2012232105姓名辛凡凡指导教师赵德群、蔡亚永完成日期2014.7.7新疆工程学院教务处印制课程设计任务书专业网络技术班级12-11课程名称煤矿综合信息化设计题目煤矿信息化系统综合设计指导教师赵德群、蔡亚永起止时间2014年6月30日至7月8日周数1周设计地点B509实验室设计目的：掌握井下安全生产监控系统、人员定位系统和无线通信系统的组成、结构、功能和工作原理。设计任务或主要技术指标：绘制井下安全生产监控系统、人员定位系统和无线通信系统的具体接线图。明确系统及各个环节的功能；说明各设备的工作原理。设计进度与要求：第1天：布置任务，查找相关资料，硬件连接；第2-3天：熟悉硬件原理，绘制系统图，研究软件功能；第4-5天：查找相关资料，撰写课程设计报告；第6-7天：进行答辩；主要参考书及参考资料：韩晋川.煤矿监控网络系统安装与维护，电子科技大学出版社，2009年12月;李树刚.安全监测监控技术，中国矿业大学出版社，2008年8月。教研室主任（签名）系（部）主任（签名）年月日课程设计评定意见设计题目：煤矿信息化系统综合设计学生姓名：辛凡凡专业网络技术班级12-11评定意见：评定成绩：指导教师（签名）：年月日摘要煤矿安全生产关系人们的安全，关系着煤矿行业的健康稳定发展。通过煤矿信息化系统综合设计的需求分析，设计一个简单的集煤矿监控、人员定位、无线通讯于一体的井下煤矿安全监控系统，实现＂管控一体＂的井下安全生产模式。系统设计以安全生产为原则，以人员定位和无线通讯为核心，配置各个监控分站和传感器的参数，并在监控主机上安装相应的软件，实现矿井协调统一的综合监测、监控、调度指挥与控制。并且详细论述井下安全生产监控系统、人员定位系统和无线通信系统的组成、结构、功能和工作原理。关键词：无线通讯；人员定位；传感器；监控主机；分站

目录第1章系统概况 第1章系统概况1.1建设目标此次煤矿信息化系统综合设计的内容主要是建设一个集煤矿监控、人员定位、无线通讯于一体的信息化系统，将矿井的各个控制系统及各工业现场的视频监控汇聚到集成监控平台，充分考虑子系统的接入与整合，节省投资、资源共享，提高系统功能，从而为信息化矿井建设奠定坚实的技术基础。系统建成后，使各自动化子系统数据进行有效集成和有机整合，实现相关联业务数据的综合分析，集控中心人员或相关专业部门人员通过相应的权限对安全和生产的主要环节设备实时监测和进行必要的控制，实现全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥的信息化，为矿井预防和处理各类突发事故和自然灾害提供有效手段。总之：系统运行后，设备稳定，传输可靠，系统安全，实现三网合一，达到监控、管理、通讯一体化的目的，建成本质安全型的数字化矿井。1.2建设要求煤矿信息化系统由软件集成和硬件部分组成，集控中心服务器与井下子系统通过数据交换方式进行数据通信与采集，并对数据进行有效综合集成，将实时、历史及综合的数据形成生产调度信息，分析后为管理层提供决策依据，专业操作员根据相关信息对各系统进行操控，从而实现煤矿监控、人员定位、无线通讯一体化。基本功能如下：1、在物理上和逻辑上充分考虑硬件和软件冗余，确保网络的安全。2、实现无线通讯，确保通讯系统可以及时的传达信息。3、监控主机能实时、准确的采集到子系统的工况及环境参数，实现监测与控制。4、系统可靠、稳定性强，界面友好，操作简单，维护方便。5、实时显示监测点的状态与数据。6、系统实现信息高度集成。1.3建设内容煤矿信息化系统通过地面集控中心主机对子系统的数据采集，数据的采集主要由各个传感器来实现，从而使子系统数据达到有效集成，无线通讯基站为煤矿信息化系统建立了网络传输平台，总体实现综合监测控制和无线通讯。具体建设内容如下：1、煤矿监控系统千兆工业以太网传输平台就相当于在矿区修建了一条信息高速公路，通过在地面及井下部署工业以太网交换机组成千兆工业以太网，将来井上井下各控制系统、工业电视系统都能够通过此传输平台汇聚到矿调度集控中心。2、人员定位系统各个系统的数据通过信息高速公路传输到统一的数据仓库，通过调度集成监控平台可以对全矿井的控制数据进行统一的管理3、无线通讯系统无线通信(或称无线电通信)的类型很多，可以根据传输方法、

频率范围、

用途等分类。不同的无线通信系统，其设备组成和复杂度虽然有较大差异，但它们的基本组成不变，矿井无线通讯系统是充分考虑煤矿井下的工作环境与生产调度等特点专为煤矿服务的无线通讯系统、既有地面无线通讯设备的高可靠性，又有可作为煤矿井下的无线信息网络服务平台的高性能，实现煤矿井下的无线调度移动通讯的功能。第2章总系统结构本次课程设计主要有三个主机，分别为井下煤矿监控主机、人员定位主机和无线通讯主机，在实验中使用了七个传感器，这些传感器、读卡器和天线分别由三个分站管理和监控，在主机安装相应的软件并进行配置之后，可对整个系统进行简单的操控和管理。如下图2.1煤矿信息化系统总体结构所示。图2.1煤矿信息化系统总体结构第3章井下安全生产监控系统3.1井下煤矿监控系统的组成系统总体结构分为管理层、控制层和设备层三层结构。1、管理层为矿地面局域网系统；管理层通过矿局域网系统，在各台计算机上，可以在统一的界面下根据权限和等级查看全矿的所有信息，将本部门的信息向管理网公布，实现全矿安全生产的信息化管理。2、控制层以工业以太环网为数据传输平台，主要由整个监控中心设备及环网平台；控制层是在工业以太环网上接入的操作站、工程师站上，通过综合自动化软件平台向设备层的控制器发送控制指令，并实现对整个子系统设备的集中控制。如：主煤流运输、井下排水、瓦斯抽放等，或对所有设备和环境参数的监测。如：瓦斯监测系统、火灾束管监测预报系统、辅助运输信号等。3、设备层采用现场总线，保证了现场子系统的实时性和可靠性，主要由各自动化子系统设备组成。设备层主要包括：设备操作台、PLC控制箱、传感器、执行器、开关柜、智能变配电装置、行程开关等现场设备。是具体控制动作的执行者。3.2煤矿监控的系统主要设备3.2.1CQQCC6200地面环网交换机CQQCC6200地面环网交换机通过光信号连接井下工业以太网本安终端设备。交换机对数据进行优化解环处理，把经过交换处理的数据传输到更远的网络交换机或者中心站。3.2.2KHX90型通讯线路避雷器通讯避雷器采用半导体放电原理。用阻抗线圈、TVS、熔断保险丝和压敏电阻等专用器件组成浪涌保护装置。工作时，一旦出现沿通讯线路输入的电压超过限制电压的情况（含雷电窜入），保险丝熔断，内部二极管两端的电压达到崩溃值时，压敏电阻的阻值也将瞬间减小，同时保护装置中的压敏电阻电阻迅速降低，将过电压通过地线导入大地，从而将瞬态的过电压箝位在特定值上。TVS二极管为箝位类型的过电压保护元件。3.2.3KG9701A型低浓度甲烷传感器KG9701A型低浓度甲烷传感器采用载体催化原理测量甲烷浓度。载体催化元件与金属膜电阻、调节电位器组成传感探头。工作时，被测环境中的甲烷以扩散方式进入传感器探头气室与敏感元件发生反应并产生与甲烷浓度相应的电信号。该信号经放大后进入A/D转换器进行模数转换，然后送往中央处理单元89C51单片微机进行数据处理后发往与之相连的井下监控分站以及地面中心站，实现井下联网监测、监控及就地数字显示和声光报警。3.2.4GTH500(B)型一氧化碳传感器传感器采用了电化学CO敏感元件。实际测量时，当敏感元件接触到环境中扩散的CO气体通过过滤尘罩经CO敏感元件透气膜扩散进入到具有恒定电位的电极上，在电极催化剂作用下与电解液中水发生阳极氧化反应。在工作电极上所释放的电子产生与CO浓度成正比的电流，经检测电路温度补偿，再经A/D转换器转换后进入单片机处理成与被测一氧化碳值线性一致的频率（电流）信号送往井下系统分站，同时实现本机就地一氧化碳数值显示。送达分站的一氧化碳信号经专用通信接口装置和电缆送到地面控制中心站实现井下一氧化碳的连续实时监控。3.2.5GF型风流压力传感器GF型风流压力传感器采用阻变测力原理监测井下被测环境中的风压状况。探头为压阻扩散硅组成的全桥，当被测环境中的风压变化量进入探头后，测量电桥及相关电路即将该变化量转换为对应电压信号，然后经A/D变换，再送入单片机处理，最终实现就地风压数字显示，同时以频率信号的形式送往相联的井下监控系统分站，经通信接口装置和电缆，将风压数据送达地面中心站，从而实现负压的连续时实遥测。3.2.6GFW15型风速传感器在流体中插入非流线体（旋涡体），当流速大于基本值后，在旋涡体的两边产生两列方向相反交替出现的旋涡，这两列旋涡称为卡门涡街。产生的旋涡频率f与流速成线性关系。只要测到旋涡频率即可得到流速值。在旋涡体一定距离内垂直于旋涡体轴线方向设置一对压电超声换能器，发射换能器发出等幅连续的超声波、通过空气被接收换能器接收形成声束，当旋涡经过时，使等幅连续的超声波束发生折射、反射和偏转，即旋涡频率被超声波束调制，在接收到调制声波后，输出已调制的电讯号。这个被调制后的信号经放大滤波整形变成直流脉冲信号。超声波发射电路产生连续等幅的振荡信号，其振荡频率为190KHZ左右，这个信号加到发射换能器上，换能器将等幅连续的电信号转变成等幅连续的超声波束通过空气传送到接收换能器上，超声波通过空气时，被旋涡调制，接收换能器把接收到的已被旋涡调制的信号转变成电信号，再经滤波、整形，变成方波脉冲信号。该信号送入单片机进行数字化处理。3.2.7KGU9901型液位传感器该传感器主要由压阻式传感头和主机组成，压阻式传感头采用全密封潜入式扩散硅式传感器。主机机箱采用防水防爆机箱，传感器对液位测量的基本原理，就是把液体深度成正比的液体静压力，通过传感器转换成电流（或电压）信号输出，从而建立起输出电信号与液体深度成线性对应关系，实现对液位的测量。3.2.8GFK40T型风门开闭状态传感器该风门传感器采用电磁原理的开关量传感器电路原理如图3.1GFK40T型风门开闭状态传感器所示。图3.1GFK40T型风门开闭状态传感器3.2.9GT-L(A)型开停传感器传感器运用磁场感应的测试原理，采取感应的方式，连续监测被控设备的开停状态，并随时将监测到的设备开停状况转换成标准电信号送往井下分站。3.3煤矿监控系统的结构煤矿监控系统的结构简图如图所示。图3.2煤矿监控系统结构3.4煤矿监控系统的功能在煤矿安全生产的基础上，有效管理煤矿各类数据，为管理操控者提供决策支持。并辅助煤矿工作人员更高效，更便捷，更顺畅的进行业务工作，这是一套综合的管理系统。3.5煤矿监控系统的工作原理井下安全监控系统是以工业控制计算机为核心的直接数字控制系统，主要由煤矿监控主机、监控分站、传感器、避雷器、集线器等组成。整个系统由地面监控中心站集中、连续的对地面的井下各种环境参数等信息进行实时采集、分析处理、动态显示、统计存储、超限报警和统计报表等；井下监控分站及电源完成对各种传感器的集中供电，并对采集到的传感器信息进行分析预处理，超限可以发出声光报警，以达到对整个煤矿工作流程的安全控制与预防。第4章人员定位系统4.1人员定位系统的组成本系统主要由上位机、分站、读卡器、标识卡、接口（RS485）、交换机（TCP/IP）组成。传输介质为电缆或者光纤。4.2人员定位系统主要设备4.2.1FDY50型矿用移动式读卡器FDY50型矿用移动式读卡器(以下简称读卡器)用于识别煤矿井下无线标识。它是一种射频电子标签识别设备，整个电路设计为本质安全型。读卡器可在较大范围内同时识别快速移动的多张识别卡，识别准确率高；具有接收识别卡紧急求救信息；具有搜寻某一区域内识别卡；也可对某一区域内识别卡进行群呼等功能；性能稳定可靠；外壳密封，满足煤矿井下潮湿、粉尘多等环境应用要求。读卡器由主板、发射模块及匹配网络、微带贴片天线、通讯及保护电路、显示及指示电路等部分组成。显示及指示电路高性能微处理器信号解调电路本安电源高频阻抗匹配网络高灵敏度微带贴片天线通讯及保护电路读卡器以2.4GHz射频电路和高性能CPU为核心，2.4GHz射频电路集成了物理层和高级数据链协议，CPU采用功能强大的16位超低功耗单片机，可靠性高。接收到有效信号后，形成对应标识号的记录信息并暂存，并进行声光提示。如果读卡器有对识别卡的命令操作，则对该识别卡下发相应的命令。可以通过操作按键实现搜寻、查询等功能。4.2.2KGE116C/D型识别卡识别卡电路采用非充电锂电池供电。以ISM2.4GHz频段的特高频载波调制模块和高性能、低功耗的微处理器为核心。2.4GHz射频电路集成了高级数据链协议，采用ShockBurst工作模式，识别卡在KJF210A/B型矿用读卡器接收区域周期可调地发射电子标识信息，实现无线通讯，无线传输速率高达1Mbps,减小了信号在空中传输时间，降低了干扰的可能性。和谐的阻抗匹配网络及高增益的天线，降低了信号驻波比，提高了发射效率,实现远距离识别。微处理器采用功能强大的16位超低功耗单片机，该芯片内集成有2K字节Flash、256字节EPROM、256字节RAM、2只16位定时计数器、内置看门狗电路，集成度高，提高了系统的可靠性。采用节能算法，保证了电池的有效工作寿命。4.3人员定位系统的结构射频识别系统的基本组成如图4.1射频识别系统所示。图4.1射频识别系统人员定位系统的结构简图如图4.2所示。4.2人员定位系统结构简图4.4人员定位系统的功能当井下人员遇险时，可触发求救按钮，地面将及时报警，并查询显示是谁、在什么时间、什么地点求救；在井下某区域有危险需要撤离人员时，在地面监控主机可向井下需撤离人员群发紧急撤离通知，井下人员即可通过声音和指示灯及时得到撤离消息。4.5人员定位系统的工作原理系统定位采用的技术为RFID射频识别技术，RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。RFID系统的组成：1.标签(Tag，即射频卡)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线电源，用于和射频天线间进行通信（标识卡）。2.阅读器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备（读卡器）。3.天线：在标签和读取器间传递射频信号（读卡器）。人员定位系统工作原理：系统人员定位分站的无线收发数据板将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；人员随身携带的KGE26标识卡进入低频的发射天线工作区域后被激活（未进入发射天线工作区域标识卡不工作），同时将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去；接收天线接收到KGE26标识卡发来的载波信号，经分站主板接收处理后，提取出目标识别码通过通过DPSK或RS485远距离通讯线送地面监控计算机，完成矿井人员自动跟踪定位管理。第5章无线通讯系统5.1无线通讯系统的组成本系统由三部分构成：第一部分：地面管理中心。通过设置在地面的管理主机，可实时对系统进行监控和管理，实现数据管理、语音、短信群发等功能。包含的主要设备为管理主机、管理软件和通讯配套设备。第二部分：数据传输部分。数据传输部分主要由工业以太环网平台、防爆电源、无线通信基站等组成。通过RJ45端口就近接入工业以太环网交换机。第三部分：数据终端。数据终端部分的作用是实现无线信号覆盖和无线通讯，它所包含的主要设备包括本安手机和人员定位卡。5.2无线通讯设备主要设备5.2.1KTW118K(B)型矿用无线通信基站KTW118K(B)型矿用无线通信基站，是为解决矿用无线通信问题而专门研制的传输设备。该装置是KT106型矿用无线通讯系统的有线信号与无线信号的转换及实现无线信号覆盖的装置。工作原理：KTW118K(B)型矿用无线通信基站采用调制解调原理转换和发送无线信号。基站接收到手机的信号后将其调制打包，通过矿用网络交换机送到地面的管理主机，经主机处理后又经交换机送到覆盖呼叫目标所在区域的基站，呼叫目标携带的手机接收信号后调制成语音给与持机者，完成通话。1、主要用途：实现矿用无线通讯系统有线信号与无线信号的转换及无线信号的覆盖。2、适用范围：地面及矿井下需要无线语音通讯的位置。5.2.2KTW117K(C)矿用本安型手机手机主要由射频部分、逻辑部分和电源部分组成。射频部分由接收信号部分和发送信号部分组成。手机在接收信号时，首先利用专用芯片把天线接收到的发射、接收信号分开，使收发互不干扰。通过滤波、放大、混频经A/D转换后送数字信号处理器做进一步的处理。发射信号时，由数字信号处理器给出信号经振荡电路形产生载波信号，经分频、鉴相、放大后送天线发射出去。手机通话时发送语音时通过语音的压缩算法对语音数据编码进行压缩处理，然后把这些语音数据按TCP/IP标准进行打包，经过IP网络把数据包送至接收地，接收语音时把这些语音数据包串起来，经过解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到传送语音的目的。手机内置的定位识别芯片进入基站或读卡器识别区后，会主动发送识别信息，实现身份识别的功能。5.3无线通讯系统的结构KTW118K(B)型矿用无线通信基站采用接口、电源一体化设计，外型结构为长方体。基站内主要包括电源模块、无线信号转换板，指示灯等零部件、读卡模块。无线通讯系统结构简图如图5.1所示。5.1无线通讯系统结构简图5.4无线通讯系统的功能语音功能：在无线基站信号覆盖范围内可实现一对一方式的语音通讯、支持中文短消息；无线基站和手机采用IP方式接入，基站支持远程控制；通话状态显示功能应包括参与通话号码、通话发起者、通话相应者、通话开始时间、目前会话状态；通话日志功能应能记录一定期限的通话历史记录，含通话号码、通话时间和通话时长等；定位系统功能：对井下人员可实时跟踪监测，位置显示，轨迹再现及分布情况；标识卡采用嵌入式微处理器，在嵌入式软件的控制下，实现睡眠、唤醒、解码、编码、通信及信息碰撞处理等功能；分站具有显示人员编码和时钟功能，可用遥控器查询记录；系统中心站及网络终端可以联网运行,使网上所有终端在使用权限范围内都能共享监测信息，查询各类数据报表。矿井一旦发生安全事故，监控中心在第一时间内可以知道被困人员的基本情况，便于事故救助工作的开展。5.5无线通讯系统的工作原理煤矿无线通讯系统集无线通讯技术、射频技术、网络管