煤矿瓦斯监测系统软件设计（上）

题 目：煤矿瓦斯监测系统软件设计 专 业：

学 生： （签名） 指导老师： （签名）

摘 要

我国煤炭资源丰富，但开采条件差，其中就有47%的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井，易煤矿瓦斯事故。针对这种情况，本文设计了煤矿瓦斯监测系统。

系统硬件主要由传感器、调理电路和数据采集卡组成。应用MCGS组态软件设计了测试软件，软件系统由数据采集、显示以及报警模块组成，具有井下瓦斯浓度数据采集、实时和历史数据报表显示、实时和历史曲线显示和瓦斯浓度超限报警等功能。通过仿真，验证了测试软件的功能。

关键词：瓦斯监测系统；MCGS； 数据采集；

I

Subject: Coal mine gas monitoring system software design Major: mechatronic engineering

Student: Chen Kangzheng (Signature) Instructor: Jiang Junying (Signature)

Abstract

China's abundant coal resources, but poor mining conditions, which have 47% of the mine belonging to the high gas or gas outburst, Yi coal mine gas explosion. In this situation, design a coal mine gas monitoring system.

The system hardware consists of sensors, conditioning circuits, and data acquisition card. Application MCGS configuration software design testing software, software system consists of data acquisition, display and alarm modules, with underground gas concentration data acquisition, real-time display and historical data reports, real-time and historical curve and the gas concentration limit alarm functions. The simulation, validation test software functionality.

Keywords: gas monitoring system; MCGS ;configuration software；

II

目 录

1绪 论 ......................................................................................................................................... 1

1.1背景及意义 ..................................................................................................................... 1 1.2国内外煤矿安全监测系统研究状况 ............................................................................. 2

1.2.1国内煤矿安全监测系统研究现状 ....................................................................... 2 1.2.2国外煤矿安全监测系统研究现状 ....................................................................... 3 1.3煤矿瓦斯监控系统的发展方向 ..................................................................................... 4 1.4小结 ................................................................................................................................. 4 2系统总体设计方案 ................................................................................................................... 5

2.1系统总体方案 ................................................................................................................. 5 2.2小结 ................................................................................................................................. 5 3硬件设计 ................................................................................................................................... 7

3.1传感器 ............................................................................................................................. 7

3.1.1煤矿瓦斯简介 ....................................................................................................... 7 3.1.2传感器的选用 ....................................................................................................... 8 3.2信号放大器 ................................................................................................................... 12 3.3数据采集卡 ................................................................................................................... 13 3.4小结 ............................................................................................................................... 14 4基于MCGS6.2的软件设计................................................................... 错误！未定义书签。

4.1MCGS6.2组态软件概述............................................................... 错误！未定义书签。

4.1.1组态特点 ............................................................................. 错误！未定义书签。 4.1.2组态结构 ............................................................................. 错误！未定义书签。 4.2煤矿瓦斯监测系统软件设计 ....................................................... 错误！未定义书签。

4.2.1数据曲线显示模块 ............................................................. 错误！未定义书签。 4.2.2报警显示模块 ..................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.3历史数据查询 ..................................................................... 错误！未定义书签。

III

4.2.4系统设置模块 ..................................................................... 错误！未定义书签。 4.3运行仿真 ....................................................................................... 错误！未定义书签。 4.4小结 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 5总 结 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................................................... 错误！未定义书签。

IV

1绪 论

1.1背景及意义

能源工业是一个国家经济发展的命脉。在我国的自然资源中，基本特点是富煤、贫油、少气，这就决定了煤炭在我国工业中的重要地位，我国煤炭储量相对比较丰富，占世界储量的11.60%，总量为5.6万亿吨，其中已探明储量为1万亿吨，占世界储量的11.%。专家预测，在本世纪30年内，煤炭在我国一次性能源构成中仍将占主体地位。

但是，我国95%的煤矿开采都是地下作业，受自然因素影响，煤矿事故频频发生。我国煤矿灾害主要有瓦斯、顶板、冲击低压、火灾、尘害、热害等。其中，瓦斯事故危害最高，被冠以煤矿“第一杀手”，而且更加棘手的是我国有很多煤矿都属于高瓦斯煤矿。据统计，我国大中型煤矿中，高瓦斯矿井占20.34%，突出矿井占19.77%，小型矿井中，高瓦斯矿井占15%左右。随着我国工业的发展，市场对煤炭的需求连年增高，一些煤矿开始超能力生产，以求迅速牟利，由于煤矿的超能力生产，导致井下通风能力不足，煤矿瓦斯隐患突出，致使我国煤矿瓦斯事故频频发生。地方煤矿的开采情况更加恶劣，技术力量薄弱，安全投入少，引发了很多恶性安全事故。我国是个煤炭开采大国，对煤矿工人的需求很大，所以在我国的煤矿生产中雇佣的矿工普遍存在文化水平不高，专业素质低，安全意识薄弱的现象，致使一些安全措施实施不到位，为事故的发生埋下了隐患。据有关部门统计：2011年9月29日，陕西省渭南市陕西煤业集团韩城矿业有限公司下峪口煤矿发生瓦斯突出事故，造成3人死亡。当天，湖南省衡阳市盐湖镇七一煤矿副井水平岩巷掘进工作面发生瓦斯爆炸事故，造成7人死亡，1人受伤。时隔不久，10月16日，陕西省铜川市耀州区田玉煤矿军舰工作面发生瓦斯事故，造成11人遇难。从这些瓦斯事故来看，都是由瓦斯突出以及瓦斯爆炸所引发的。因此，煤矿瓦斯治理是煤矿安全生产治理的核心，有效控制瓦斯事故是解决煤矿安全问题的关键。

煤矿瓦斯监测系统可以对全矿井的瓦斯浓度进行实时监测，当矿井发生瓦斯突出或其他原因导致瓦斯浓度增高超过预警值时，系统发出报警信息，工作人员可以及时的做出相应措施降低瓦斯浓度，把瓦斯灾害的隐患消灭在萌芽状态，确保了煤矿的安全生产。

1

所以，推广煤矿瓦斯监测系统的安装力度可以避免大量的瓦斯事故，为煤矿安全生产提供保障。

1.2国内外煤矿安全监测系统研究状况

1.2.1国内煤矿安全监测系统研究现状

我国煤矿由于地理环境的关系，存储量大，分布广，但是露天煤矿较少，一般的煤矿矿井都比较深，且含瓦斯较高，开采难度较大。近年来，随着国家对煤矿安全生产要求不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小型矿井都陆续更换煤矿瓦斯监测系统，以满足煤矿安全生产的要求。根据我国煤矿生产的情况，我国自主研制的煤矿瓦斯监控系统，比如：KJ90A、KJ90NA、KJ101、KJ90NB等等。

其中KJ90NB煤矿安全监测系统是根据现代化矿井的实际需要，由重庆煤科院研制开发，是基于矿井工业以太网、现场总线技术的新一代监控产品，在国内煤矿安全监控技术中具有代表性。该系统将矿井各类监控子系统集成到综合自动化控制网络平台中，与企业信息管理系统实现无缝联机；将生产、安全、管理等方面的信息有机的整合到一起，从而实现了矿井“管”“控”“监”一体化管理的目的。在我国煤矿瓦斯监测系统中占有举足轻重的低位。

KJ90NB子系统瓦斯监测系统可以实现对瓦斯传感器的数据采集、实时处理、存储、显示、控制以及与地面监控中心的数据通信，可以独立使用，实现了瓦斯断电仪和瓦斯风电闭锁装置的全部功能，具有自动控制功能和手动控制功能，当瓦斯浓度超出预警值是发出报警信息并存储，同时把监测的信息发送到地面中心站，系统有蓄电功能，断电可以工作2小时以上。

KJ70N型瓦斯监测系统也是我国煤矿瓦斯监测应用比较广泛的一款系统，KJ70N系统是集国内外煤矿监控技术优势针对我国煤矿现状而开发的一套系统。系统由五部分组成：监控计算机、计算机网络及监控软件、传输接口及传输通道、供电电源及分站、各种传感器及执行器。系统最多可以配置255个监控分站，每个分站都可以实现瓦斯超限断电的功能；分站脱离系统可独立运行且能实现甲烷闭锁、断电功能；传输速率达到

2

1200bps，最大传输距离达到15km，满足我国煤矿安全生产的需求。系统可全面监控井上下各类安全、生产及电力参数，可汇集多个安全与生产环节子系统，适用于各大、中、小型及地方煤矿使用。

1.2.2国外煤矿安全监测系统研究现状

国外煤矿瓦斯监测系统是从20世纪60年代开始发展起来的，更新换代很快，至今已经有了五代产品。

随着科学技术的进步，软硬件可靠性的提高，由PLC和组态软件开发的第五代煤矿瓦斯监测系统，是目前瓦斯监测系统主要的开发手段。如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MNOS和英国的Centurionm200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MSA公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。这些系统在性能上远远超过了煤矿瓦斯监测系统的第一代、第二代、第三代以及第四代产品。下面将分别介绍国外煤矿瓦斯监测系统的发展历程。

第一代煤矿瓦斯监测系统采用空分制来传输信息。60年代中期日本煤矿中的固定设备基本都采用这种技术，70年代波兰根据从法国引进的技术研制的可测瓦斯、CO等参数共128个测点的CMC-1系统。

煤矿瓦斯监测系统的第二代产品的技术特征是信号采用了频分制。频分制技术的应用，信号传输的电缆芯数大大减少，所以一晶体管电路为主的信息传输技术急速发展，很快就取代了空分制系统。其中最具代表性且至今仍有影响的是西德Siemens公司的T系统和F+H公司的TF20系统。

1976年，英国煤矿研究院推出了轰动一时的以英国煤矿研究院推出轰动一时的以时分制为基础的MINOS煤矿监控系统，从而产生以时分制为基础的第三代煤矿监控系统，第三代的煤矿瓦斯监测系统在井下环境监测、洗煤厂监控等方面取得巨大进步，并且形成了全矿井的监测监控系统。这一系统的成功应用，开创了煤矿自动化技术和煤矿监测监控技术发展的新局面，是煤矿瓦斯监测系统分水岭。

80年代初，美国率先把计算机技术、集成电路技术、数据通信技术等高新技术应用于煤矿瓦斯监测系统，形成了以分布式微处理器为基础的第四代煤矿瓦斯监测系统，其

3

中有代表性的是美国MSA公司DAN640系统，其信息产生方式虽然仍是时分制范畴，但是与原来的时分制相比取得了很大的进步。

1.3煤矿瓦斯监控系统的发展方向

① 系统不能局限于仅能实现监测监控，而且在软件技术上应该研究开发出根据被监测环境地点的参数进行有效的危险性判断、分析和提出相对的决策方案。同时系统应用软件应该向网络化发展，按统一的格式向外提供监测数据。

② 针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范，应尽快寻找一种解决系统兼容性的途径或制定相应的专业技术标准，这对促进矿井监控技术发展和系统的推广应用均具有十分重要的意义。

③ 研制高性能的瓦斯传感器[1]。

④ 矿井瓦斯爆炸多半是由电气火灾引起的，因此应研制智能化的高压开关柜、高压真空馈电开关、抵押真空馈电开关灯，依次向系统提供多参数的信息，如电流、电压、单相/三相漏电电流、开关运行状态、开关机械/电气闭锁状态等[2]。

⑤ 制定科学、合理的政策法规，研究提高煤矿安全管理水平的管理技术，使我国的煤矿安全生产管理从以人为主发展到依法治理。

1.4小结

本章主要通过对相关文献的参考，阐述了本课题的选题背景、国内外研究现状以及煤矿瓦斯监测系统的发展趋势。

4

2系统总体设计方案

2.1系统总体方案

系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括：传感器、信号放大器、数据采集卡。根据煤矿瓦斯的基本性质以及煤矿瓦斯监测系统的基本要求选择合适的瓦斯传感器，实现对煤矿瓦斯浓度的检测；瓦斯传感器检测的瓦斯浓度以小电压的形式输出，经放大电路对其进行放大使其成为可以被数据采集卡采集的电压值；采集卡与计算直接连接，本系统选取的采集内含12位A/D，可以直接进行A/D转换将电压信号转换为数字信号。软件选择了MCGS组态软件，系统以模块化的思想对MCGS组态软件进行设计，包括四个模块：有将采集到的瓦斯浓度以数据及曲线的形式显示的数据曲线显示模块；对危险信号及时预警的报警模块；供用户后期查看的历史存储模块；以及方便用户管理系统的系统设置模块。系统结构如图2-1所示：

煤矿瓦传感器1号 传感器2号 信号放数据采集卡 上位P C机

传感器3号 斯 传感器4号 大器 图2-1 瓦斯监测系统结构框图

2.2小结

本章主要通过阐述系统的设计原理，通过对煤矿瓦斯监测系统的硬、软件的需求分

5

析，确定了煤矿瓦斯监测系统的系统结构，给出系统结构框图，为系统的设计奠定基础。

6

3硬件设计

设计系统用到的硬件有：传感器、信号放大器、数据采集卡、计算机。系统硬件的设计包括传感器的选择、信号放大器的选择以及数据采集板卡的选择。

3.1传感器

3.1.1煤矿瓦斯简介

熟悉煤矿瓦斯的性质，了解煤矿瓦斯监测系统对瓦斯传感器的基本要求以及传感器的工作环境，选择合适传感器。

煤矿瓦斯是在成煤的同时，由于物理和化学作用而形成的，瓦斯是无色、无味、无臭的气体。瓦斯对空气的相对密度是0.554，在标准状态下瓦斯的密度是0.716kg，渗透力是空气的1.6倍，且难溶于水，达到一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生燃烧或爆炸。

瓦斯从煤层涌出的形式有：

① 缓慢、均匀、持久地从煤层涌出。

② 在压力状态下的瓦斯，大量且迅速的从裂缝喷出。 ③ 短时间内煤、岩和瓦斯一起突然喷出。

瓦斯爆炸是一种连锁反应，是一定浓度的甲烷和氧气在一定的温度下发生的激烈氧化反应。

瓦斯爆炸的条件：一定浓度的瓦斯、引火的温度、氧气浓度。 ① 瓦斯浓度

瓦斯爆炸有爆炸界限，其爆炸界限为5%-16%，当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度达到9.5%时，其爆炸威力是最大；当瓦斯浓度在16%以上时，失去爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。瓦斯爆炸界限与温度、压力、煤尘以及其它气体等因素有关[3]。

② 引火温度

7

所谓引火温度即点燃瓦斯的最低温度，瓦斯的引火温度在650℃～750℃，但是与瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力有关。当瓦斯含量在7%-8%时，是最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度随之降低；在引火温度相同的情况下，火源的面积越大，点火时间越长，越易引燃瓦斯[4]。

③ 氧气浓度

多年来的实践与多方面的实验证明，当空气中氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆炸源附近的气体向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘与之一起爆炸，产生更大的破坏力，并伴随爆炸产生的有害气体，造成与人中毒。

实践证明，预防瓦斯爆炸的有效措施主要有防止瓦斯聚积和消除火源两种办法。 ① 加强通风。使瓦斯浓度降低到《煤矿安全规程》规定的浓度以下，即采掘工作面的进风风流中不超过0.5％，回风风流不超过1％，矿井总回风风流中不超过0.75％。

② 加强检查工作。及时检查各用风地点的通风状况和瓦斯浓度，查明隐患进行处理，是日常进行瓦斯管理的重要内容。

③ 对瓦斯含量大的煤层，进行瓦斯抽放，降低煤层及采空区的瓦斯涌出量[5]。

3.1.2传感器的选用

瓦斯传感器是煤矿瓦斯监测系统的重要设备，一般安放在有工作面、掘进巷、回风巷等有瓦斯危险的环境中，用于连续采集环境中的瓦斯浓度。因此，选用一个稳定性好、精度高、响应速度快的传感器是很有必要的。

根据煤矿瓦斯监测系统的基本要求以及对瓦斯爆炸极限浓度的了解，对选用的瓦斯传感器提出以下要求：

① 检测范围：0-4%瓦斯浓度，分辨率不能低于0.01%CH4。

② 报警功能：声光报警，1m远处的声响信号压级不能小于80db；20m远处可清晰可见；可以在测量范围内任意设置报警点，报警显示值与设定值差值不超过0.05%。

③ 响应速度：不能大于20s。

8

④ 传输距离：传感器使用电缆的单芯截面为1.5mm2时，传感器与控制主机的传输距离不能大于2km。

根据以上要求选择深圳鑫赛创电子科技有限公司生产的MJC4/3.0J催化燃烧式气体传感器，其外形如图3-1所示。

特点：

① 桥路输出电压呈线性 ② 响应速度快

③ 具有良好的重复性、选择性 ④ 元件工作稳定可靠

⑤ 优异的抗H2S、有机硅中毒能力

图3-1 MJC4/3.0J催化燃烧式气体传感器

表3-1 MJC4/3..0J催化燃烧式气体传感器主要参数

产品型号 工作电压（V） 工作电流（mA） 灵敏度（mV） 1%甲烷 1%丁烷 MJC4/2.8J型催化元件（MC113型催化元件） 2.8±0.1 90±10 20-40 30-50 9

1%氢气 线性度（%） 测量范围（%LEL） 响应时间（90%） 回复时间（90%） 使用环境 储存环境 外形尺寸（mm）

25-45 ≤5 0-100 小于10s 小于30s -40—+70低于95%RH -20—+70低于95%RH 9.5×14×19

图3-2 MCJ4/3.0J催化燃烧式气体传感器外形结构

10

瓦斯传感器 MCJ4/3.0J根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大。电桥测量电路见图3-2所示：

RC M R1 E A Rd B R2

图3-3 电桥测量电路

上图中Rd为敏感元件，Rc为补偿元件。在空气中，Rd的电阻与Rc相似，调整电桥平衡，此时信号输出端电压UAB=0;当空气中有瓦斯时，在敏感元件Rd表面发生催化燃烧，Rd的电阻随着温度的上升而增加为Rd＋?Rd，而补偿元件Rc电阻不变，这样就导致电桥失去平衡。

当采用恒定电压供电时，电桥输出的不平衡电压为：

（1）

假设：

（2）

此时， （3）

从式子（3）可以看出，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比，因此，在一定的范围内电桥输出电压与瓦斯浓度呈线性关系。

11

100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 气体浓度(vol%)

输出电压（mv） 图3-4 传感器输入输出特性曲线

3.2信号放大器

因为传感器输出的电压信号比较小，需要放大电路将小电压信号放大，以满足数据采集卡采集的要求。这里我选择了武汉力源信息技术服务有限公司出售的INA128信号放大器，这种信号放大器功耗低、精度高，通用型单通道仪表放大器。

其主要特点：

① 低偏置电压：最大50μV ② 低温度漂移：最大0.5μV／℃ ③ 低输入偏置电流：最大5nA ④ 高共模抵制（CMR）：最小120dB ⑤ 输入保护至±40V

⑥ 宽电源电压范围：±2.25至±18V ⑦ 低静态电流：700μA ⑧ 8引脚塑料DIP和SO-8封装 放大电路如图3-6所示：

12

图3-5 INA128信号放大器

图3-6放大电路图

G?1?增益设置：

50K， 50K是两个内部反馈电阻AI和A2的和。本系统中，G=25，RG则RG=2083?，在有噪声或高阻抗供电电源的应用中，需要在器件的引脚出接去耦电容器。

3.3数据采集卡

“研华”公司生产的PCI—1710是一款多功能的数据采集卡，其先进的电路设计使得它具有更高的质量和更多的功能。这其中包含五种最基本的测量和控制功能：12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。其产品特点如下：

① 可实现16路单端输入或8路 差分模拟量输入或组合方式输入； ② 设有12为的A/D转换器，其采样数率可达到100KHz； ③ 每个通道的增益都可以进行编程； ④ 板卡设有4K的采样FIFO缓冲器； ⑤ 具有2路12位的模拟量输出；

⑥ 可实现6路的数字量输入以及16路的数字量输出； ⑦ 具有多个可编程触发器/定时器；

13

⑧ 内设有板卡ID；

⑨ 可进行PCI总线的数据传输；

图3-7 PCI—1710采集卡

PIC—1710是一款集PCI总线的多功能数据采集卡，它在Window下采用32位动态连接库驱动程序，可以在VB、VC、BC++和MCGS等环境下实现对采集卡的底层操作，开发出界面友好的控制系统。

3.4小结

本章根据煤矿瓦斯监测系统的基本要求，进行了硬件的设计，主要包括瓦斯传感器的选用、信号放大器的选用、数据采集卡的选用，为整个系统的设计提供了硬件平台。

14

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3ql3.html