一种新型自燃发火监控系统的研究

论文摘要

煤炭自燃发火不仅会造成煤炭资源与水资源损失,引发森林火灾及环境污染,还会直接导致人员伤亡的严重后果。煤炭自燃是自然界客观存在的一种现象,我国大约有一半以上的矿井存在自燃发火危险,究其原因,是煤氧复合反应的结果。当前,我国国内预报自燃发火主要采用束管监测系统,虽然能够实现连续监测,但在实际使用中存在许多缺点:安装复杂、管路维护困难、购置和维护费用高、不能实现实时监控等。国外则采用以分布式微处理器为核心、全数字通信为基础的煤矿监控系统,虽然取得了一定成效,但是价格昂贵,不利于在我国这种产煤大国推广。随着嵌入式计算机系统的发展,传感器可靠性的提高,利用温度传感器、气体传感器等多种传感器,采用智能预测算法,通过计算机对可燃气体进行直接采样分析来预测燃烧状况,已成为当今可燃气体监测报警的主要技术手段。本文详细研究了煤炭自燃预测和预报两种技术,综合采用测温法和气体分析法,同时利用美国德州仪器公司（Texas Instruments）最新推出的具有高模拟和数字集成度以及高强数据处理能力的MSC1211,开发了一套高精度、低功耗的煤矿自燃发火监控系统。它是集国内外煤矿监测技术优势并针对我国煤矿现状而开发的一套软、硬件结合,应用现代计算机技术对井下环境进行监测的网络管理系统。系统功能齐全、可靠性、实时性都比较高。本系统主要特点也是本文的创新点有如下几个方面:（1）高集成数字/模拟混合信号的芯片MSC1211。内部集成了大量的模拟和数字外围设备,24位分辨率的Σ-Δ模数转换器（ADC）,8通道多路开关,4通道16位数模转换器（DAC）,DAC偏移/增益校准等,具有很强的数据处理能力。（2）建立了基于小波神经网络的煤炭氧化速度预测模型,采用了一种基于黄金分割原理计算隐含层节点数的寻优算法,结合MATLAB强大的运算功能,大大提高了预测的准确性。将煤炭自燃监测和煤炭氧化速度预测相结合,大大增强了系统可靠性。（3）上位机软件采用MATLAB和Visual C++6.0（以下简称VC）混合编制。由于VC采用面向对象技术,提供良好的人机界面,执行速度快;MATLAB具有强大的数据处理功能,在图形显示和处理方面实现起来简单灵活。本系统将二者有机的结合起来,充分发挥二者的优势,将下位机采集的实时信号通过串口传给上位机,实现对井下安全状况的实时监控。本系统是一种新型的自燃发火监控系统。仪器为防爆型仪器,可在井下直接使用,连续、实时地对采煤工作面的参数进行分析监测,并可自动进行声光报警和驱动供水管路进行高压喷水降温处理,既可单独使用,也能直接与当前矿井监测监控系统进行联网,作为系统的一个分站或一台设备进行调用或控制,是集自燃发火预报与应急处理于一体的高科技产品。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 课题的背景
• 1.1.2 煤炭的自燃
• 1.2 煤炭自燃预测预报技术
• 1.2.1 煤炭自燃预测技术
• 1.2.2 煤炭自燃预报技术
• 1.3 课题研究内容
• 第二章 系统设计指标及硬件选型
• 2.1 系统概述
• 2.1.1 系统功能和技术指标
• 2.1.2 系统工作原理
• 2.2 MSC1211简介
• 2.3 MSC1211的增强型8051内核
• 2.4 煤炭自燃监控指标的选定
• 2.5 系统传感器的选型
• 第三章 自燃发火监控系统的设计
• 3.1 系统方案总体设计
• 3.1.1 电源转换电路
• 3.1.2 主控电路模块
• 3.1.3 信号调理模块
• 3.1.4 输入输出接口模块
• 3.1.5 时钟、键盘和显示模块
• 3.1.6 声光报警电路
• 3.2 系统抗干扰设计
• 3.2.1 硬件电路抗干扰设计
• 3.2.2 印刷线路板的抗干扰设计
• 第四章 基于小波神经网络的煤炭氧化性预测
• 4.1 小波神经网络对煤炭氧化性的指导意义
• 4.2 小波神经网络理论
• 4.2.1 小波变换
• 4.2.2 人工神经网络
• 4.2.3 小波神经网络
• 4.3 基于小波神经网络的煤炭氧化性预测模型
• 4.3.1 确定输入层、隐含层和输出层节点
• 4.3.2 建立模型
• 4.3.3 代码实现
• 4.3.4 煤炭氧化性预测的模型训练
• 第五章 软件设计
• 5.1 Keil uVision2集成开发环境简介
• 5.2 系统软件设计分析
• 5.3 应用程序开发
• 5.3.1 系统主程序
• 5.3.2 数据处理子程序
• 5.3.3 通信协议
• 5.3.4 时钟、键盘和显示程序
• 5.4 软件抗干扰设计
• 第六章 上位机用户界面设计
• 6.1 编程语言的选择
• 6.2 VC与MATLAB混合编程
• 6.3 VC调用Matlab引擎的实现
• 6.3.1 Matlab引擎
• 6.3.2 扫描驱动子程序
• 6.4 VC中的串口通信
• 6.4.1 MSComm控件属性
• 6.4.2 通过MSComm控件实现串口编程
• 6.5 人机界面
• 结论
• 附图
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表