煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计.docx

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煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计

摘要

由于防爆柴油机可以在潜在爆炸性气体、可燃性气体、蒸汽及粉尘的环境下工作，具有防爆性能，在爆炸环境下工作不会点燃环境气体、蒸汽和粉尘，所以经常被用作煤矿井下各种固定和移动设备的防爆动力装置。

然而随着煤矿井下防爆柴油机的使用量逐年增加，造成煤矿井下防爆柴油机排气污染越来越严重，使得煤矿安全生产面临着严峻的挑战。

此次设计的主要课题是针对防爆柴油机尾气（CO及NOx）排放的监测报警。

此次设计主要分两大部分来：

一是防爆柴油机尾气的监测及自动通风系统，二是通风系统出现故障后系统的自动报警。

文中首先阐述了CO和氮氧化合物监测系统的发展及状况，其次着重介绍了单片机PIC16F877尾气监控报警器及通风系统。

本设计的硬件电路包括浓度检测，A/D转换，单片机系统，数据显示电路，报警电路，通风系统电路及各控制电路；软件设计包括浓度采集，数据转换及处理，动态显示及浓度控制等。

通过软件设计可实现对CO及NOx浓度的监测并且当浓度超过设定值时可进行加强通风，当通风系统出现故障时进行自动报警。

可有效的防止煤矿井下中毒，对避免人员伤亡及财产损失有着积极的作用[1]。

关键词：

CO及NOx报警系统单片机气敏传感器通风系统

ABSTRACT

Becauseofexplosion-proofdieselenginecanbepotentiallyexplosivegas,combustiblegas,steamanddustundertheenvironmentofwork,hastheexplosionprotectionperformance,intheblastenvironmentsworkneverlitenvironmentgas,steamanddust,sooftenusedascoalmineexplosion-proofpowerplantallkindsoffixedandmobileequipment.However,asthecoalmineexplosion-proofdieselengine,duetotheincreasinguseofcoalmineexplosion-proofdieselengineexhaustpollutioncausedmoreandmoreserious,makesthecoalminesafetyproductionfacingtheseverechallengesThedesignmainpointsoftwoparts:

oneisexplosion-proofdieselengineexhaustgasmonitoringandautomaticventilationsystem,thesecondistheventilationsystemfailureaftertheautomaticalarmsystem.FirstlyexpoundstheCOandthedevelopmentofnitrogenoxidesmonitoringsystemandcondition,thenintroducesthemicrocontrollerPIC16F877exhaustmonitoringalarm.Thisdesignofhardwarecircuitincludingconcentrationdetection,A/Dconversion,single-chipmicrocomputersystem,thedatadisplaycircuit,alarmcircuit,theventilationsystemcircuitandthecontrolcircuit;ThroughthesoftwaredesigncanberealizedontheCOandNOxconcentrationmonitoring.Caneffectivelypreventcoalminepoisoning,toavoidcasualtiesandpropertylosseshasapositiverole.

Keywords:

COandNOxalarmsystemsinglechipmicrocomputerventilationsystemandgassensors

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1选题背景及意义1

1.2国内外发展现状2

1.3课题的主要研究内容与要求4

第2章系统功能介绍及方案设计6

2.1系统性能的描述6

2.2系统方案的设计6

2.3风量的控制7

第3章各部分的电路选择与设计9

3.1单片机的选择9

3.2电源电路的设计10

3.3电流、电压、采集电路的设计12

3.4信号调理电路的设计13

3.4.1滤波电路的设计13

3.4.2A/D转换电路的设计15

3.5电机振荡监测系统电路设计17

3.6电机轴承温度检测电路18

3.7报警功能电路的设计19

3.8显示电路的设计21

第4章风机的变频调速23

4.1变频调速装置在风机上的应用24

4.2变频调速装置的工作特点25

4.3变频调速的硬件部分25

第5章软件的设计29

5.1主流程设计图29

5.2滤波子程序设计30

5.3数据处理31

5.4显示子程序设计流程32

Contents

第1章绪论

近年人们对环境质量要求逐渐提高和对自身健康的关注，如何改善煤矿井下大量使用无轨防爆柴油机车的现代化大型、高产、高效矿井的工作环境，逐渐成为研究重点。

研究结果表明，除了控制防爆柴油机尾气排放外，合理的通风量也是改善井下环境的重要途径之一。

1.1选题背景及意义

随着煤矿机械化程度的提高，以柴油机作动力的辅助运输车辆在煤矿中的使用越来越广泛。

它们具有安全、灵活、经济等优点。

但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有碳氢化合物、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物（NOx）和微粒（PT）。

尤其在煤矿井下巷道，尤其是在煤矿井下巷道，由于空间和通风条件的限制，柴油机排放的有害气体严重危害工人的健康。

因此如何改善煤矿井下大量使用无轨防爆柴油机车的现代化大型、高产、高效矿井的工作环境，逐渐成为研究的重点。

因此，对防爆柴油机排放的尾气进行控制和净化具有十分重要的意义。

除了控制防爆柴油机尾气排放外，合理的通风量也是改善井下条件的重要之一。

柴油机尾气排放物不仅气味怪异，而且令人头昏、恶心，影响人的身体健康。

世界卫生组织专家认定柴油发电机尾气与石棉、砒霜等物质一样，具有高速致癌性。

如何应对及处理柴油发动机排放的尾气在井下安全的重中之重。

提高井下空气质量的监测能力适当增加巷道通风量和合理的布置通风系统，其目的就是为了保护井下小环境，保证工人身心健康。

为了保证井下空气质量，防爆柴油机尾气污染监控系统的设计也成为了我们经常探讨的一个话题。

1.2国内外发展现状

为改善大气环境，保障人类的健康，世界各国对柴油机的尾气排放作出了严格的规定。

1992—1998年NOx的排放量规定为7.00（g/kw/h）、PM的排放量规定为0.15（g/kw/h）,在2000—2008年期间NOx的排放量规定为2.00（g/kw/h）、PM的排放量规定为0.02（g/kw/h）。

为了满足如此严厉的排放法规，柴油机采取了一系列措施。

采用EGR系统引入废气，降低缸内的峰值温度，降低多余的O2限制NOx的形成；应用电子燃油喷射控制措施，提高喷射油压，改善燃油在缸内的雾化，推迟喷油时刻和多次喷射来降低峰值温度；降低燃油中硫的含量，硫会形成PM，同时硫还会对发动机后处理系统中的催化剂中毒。

当前降低CO和NOx排放的技术主要集中在SCR，LNT,LNC三方面。

2001年欧洲在一些大卡车上商业化使用该技术。

目前该技术在汽车上的使用已经很成熟，研究该系统的焦点集中在如何降低尾气管里催化还原所需的温度和如何提高转化率。

日本日产公司的Hirata等人的研究成果是在SCR系统前加DOC用来产生NO2，使其与NO量一样，这样在低温环境下与NH3反应的效率更高。

LNT系统很早就在燃烧的柴油发动机上应用，该系统中采用碱土金属或碱金属作为吸附剂来提高储NOx的能力。

在稀薄条件下运行时，LNT中的铂将NO转化成NO2，而NO2和碱土金属或碱金属和O2反应生成硝酸盐，发动机每隔50-60s加浓一次，这些储藏的NOx和废气中的还原剂CO，H2，HC在贵金属的作用下形成N2。

该系统大概是在2000年应用在柴油发动机上。

LNC系统也是比较具有吸引力的系统，该系统使用燃油作为还原剂，使用的催化剂（如银、沸石等）也比较便宜。

但其在额外增加油耗的基础上（约6%），才获得相当于LNT的10%-30%的转化率。

不过在LNC中只要有小量的H2（＜2%），就能在很宽的温度范围（200～400℃），显著的提高银基LNC的NOx转化率[2]。

近年来，国内外研究结果表明，尾气后处理技术大大降低了柴油机有害物的排放，尾气后处理技术从处理方法上不外乎化学方法和物理方法，化学方法主要是催化、净化处理方法，而高效催化剂的研制和开发是催化、净化技术的核心，用到氮氧化合物的催化还原、氮氧化合物的贮存还原、碳烟的催化燃烧等流程。

物理方法是采用水洗法来降低柴油机颗粒物的排放。

柴油机的尾气通过水洗箱时尾气中的颗粒沉淀在水洗箱内，同时还能降低排气温度。

煤矿生产安全监控系统，是目前为止实际通风尾气管理工作中最重要和最有效的自动化手段，已经装备监控系统的煤矿的尾气易燃事故率大为下降，实践证明，煤矿生产安全监控系统对保障煤矿安全生产，提高煤矿生产率，提高煤矿自动化程度，以及促进煤矿管理现代化水平，都有着举足轻重的作用。

如今我国煤炭系统的国统矿和地方矿都是现代化矿井，在前几年达标过程中，大部分都安装了一套安全生产调度监测系统或通风安全监测调度系统。

用来及时掌握生产或通风系统各个环节的动态信息，这对发挥生产指挥的准确性、灵活性、快捷性起到重要的作用。

但是目前的煤矿安全生产监控系统软件大多运行于DOS平台或单机运行于Windows平台。

根本不能适应知识经济时代高速网络发展的需要，严重制约了煤矿企业企业信息化的发展。

为了改变煤矿现有的指挥管理落后面貌，在煤矿系统中应用最新计算机软件及网络技术，改造和完善煤矿的现有管理系统，组成技术先进，功能完善的现代化矿井计算机网络管理指挥生产安全监测系统是非常必要的。

我国从八十年代初期开始引进煤矿生产安全监控系统，历经了直接引进、消化吸收、仿制配套、自主开发的过程，但迄今为止的产品大多都是面对大型矿井设计的，而且自身尚有一些有待解决的问题，如:

造价高，系统最基本的配置过于庞大，运行费用大，传感器测量稳定性差，调校频繁，寿命短，系统安装、维护复杂，操作不便，人机界面较差，系统设备可靠性差，必须依赖专业的维护队伍，对人员技术，素质有较高的要求。

国外的监控系统技术理论上讲高于国内发展水平，但应用于国内煤矿尚有一定的局限性，如煤矿管理模式生产方式的不同，价格过高不适于国内煤矿现有条件，除在传感器技术方面可供借鉴外，其它仅具一定参考价值。

综合来说，目前市场上的每种系统都可能存在检测量单一、量程小、体积大、功耗大、需短期内校准、使用寿命短、无数据传输方式等其中某种或某几种缺点。

因此，十分需要研制一种新型多功能煤矿检测仪以克服现有设备存在的各种问题，使其具有微型化、智能化、低功耗、无线化并能够准确的测量出井下的环境因素[3]。

从现在的国家煤炭生产的现状及我国能源结构规划均可看出，在本世纪中叶以前，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源。

但是煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，柴油机尾气排放的污染物已经引起了严重的矿井环境污染问题，对井下工作人员造成极大地威胁，尾气后处理是柴油机尾气污染治理必不可少和最有效的技术之一。

因此研制煤矿井下柴油机尾气监测控制及报警系统对国家的煤矿井下良好的环境建设减少中毒事故发生有着及其重要的意义。

这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距[4]。

1.3课题的主要研究内容与要求

设计的主要内容与要求是：

设计一个CO与氮氧化合物安全监控系统，将CO与氮氧化合物气体浓度许可值上限通过电脑程序输入系统中，在气体浓度的一定范围内进行安全检测，在气体浓度达到上限时进行自动加强通风，如果通风系统出现故障，电路实现自动报警功能，及时通知矿内工作人员。

这个单片机气体安全监控系统要实现以下功能：

气体测试，超过设定的门限值后自动加强通风装置。

气敏传感器检测仪检测气体浓度，再加上浓度监测与自动加强通风，通过显示器显示矿内CO和氮氧化合物的浓度值[5]。

第2章系统功能介绍及方案设计

主要对防爆柴油机的尾气的浓度和风量的控制进行分析，对整体系统方案进行设计。

2.1系统性能的描述

在生活中如果有一个能及时发现有毒及易爆气体，并且能自动加强通风量而且还能报警，这无疑是给井下煤矿工人的工作环境的安全上了双重保险。

基于这个思路，设计了CO与氮氧化合物监测自动通风报警系统。

能够较为准确科学的检测防爆柴油机尾气排放的浓度，当气体达到一定门限值时就会自动通风，如果通风系统出现故障则会自动报警，从而达到实时安全监控作用。

2.2系统方案的设计

总体方案：

图2-2系统框图

该设计采用PIC16F877作为单片机进行控制，传感信号包括CO气敏传感器MGS1100和氮氧化合物检测仪型号选择M314919，其中MGS1100是一种新型的专门设计定位于家庭用途的CO气体检测器。

在微型结构硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜，由于硅膜减少了热传导的热损失，从而大大降低了功耗。

此传感器温度是随着可燃气体浓度的升高而线性升高的。

气敏传感器输出的信号送给TLC2543转换成数字量送给单片机,监测电路可靠工作。

气体检测电路的主要功能是监测气体浓度值。

设置气体浓度临界值，超过临界值通风系统电路工作，当通风系统出现故障，报警电路响应。

这种系统的可靠性强且容易实现，而且方便操作，完全实现监测、控制、处理、报警一体化[6]。

2.3风量的控制

改变井下工作小环境，除了控制防爆柴油机本身有害物的排放外，另一个更重要的手段就是适当增加和合理配置井下的通风量和布置合理的通风系统，强制稀释发动机排出的多种废气成分。

按照MT990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》的要求，矿用井下防爆柴油机在MT220规定的工况条件下，未经稀释的排气中，其有害成分的体积浓度不能超过下列许可值：

一氧化碳（CO）为0.1%；氮氧化合物（NOx）为0.08%。

对于国内增压中冷柴油机，一般经济油耗率为206～225g/（kWh）,标定工况下耗油率为270～290g/（kWh）,因此，增压中冷柴油机在标定工况下需要的新鲜空气量m1。

如式（2-2-1）所示。

m1=agbL0=0.152kg/（kW·min）（2-2-1）

在20℃时，1标准大气压下空气的密度为1.24kg/m³；则需要的空气量m1=0.152/1.24=0.123m³/（kW·min）。

由以上计算可知，对于一台100KW的发动机，需要的空气量m。

如式（2-2-2）所示。

m=100m1=12.3m3/min（2-2-2）

其中a为过量空气系数。

如式（2-2-3）所示。

a=L/L0=m1/（gbL0）（2-2-3）

m1为每循环进入气缸的实际空气量；gb为每循环喷油量；L0为1kg燃油完全燃烧所需的理论空气量，轻柴油L0=14.3kg。

按照规定的要求，矿用柴油机车在煤矿井下正常运行时，排气中的CO和NOx的排放浓度被巷道中风流稀释后，井下空气中的CO、NOx不得超过下列规定：

一氧化碳（CO）为0.0024%；氮氧化物（NOx）（换算成NO2）：

25%。

关于煤矿井下使用柴油机设备的通风要求，按煤矿工程设计手册的要求，每千瓦需配风3.8～4m³/min。

由式（2-2-2）计算可知，稀释柴油机废气需要的空气量远大于柴油机本身工作需要的空气量。

因此，在计算整个井下供风系统时，防爆柴油机本身工作需要的空气量可以忽略不计[7]。

第3章各部分的电路选择与设计

3.1单片机的选择

目前，在各种单片机设计中所使用的通用单片机芯片以INTEL的51系列和MICROCHIP的PIC系列为主，而由于51系列单片机指令系统复杂，外围接口功能较弱，所以整个硬件系统的设计决定采用MICROCHIP公司推出的新型处理芯片PIC16F877，它的指令系统精炼实用。

可以重复烧录程序适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD（InCircuitDebug）功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。

图3-1PIC16F877引脚图

PIC16F877属于闪控式（Flash）单片机，可以重复烧录，其ROM的容量总共是8Kwords，以2K为一个page，区分为4个pages；内部RAM总共有512个字节（00f～1FFh），以128个字节为一个Bank，共区分为4个Bank，，每个Bank的前半段都有其特殊用途，分别连接到其特殊功能模块，例如I/O、CCP、Timer、USART、MSSP等。

PIC16F877属于内嵌功能较多的单片机，除了CPU、POM、RAM、I/O等基本构造外，还包括以下各种功能，简介如下：

A/D converter：

模拟数字转换器，最多可以读取8组模拟输入讯号。

 CCP：

Capture、Compare、PWM，用于控制直流马达。

Timer，内部定时器，有Timer0、Timer1、Timer2等。

USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter），同步/异步串行传输，如RS232、RS485等。

MSSP：

Master Synchronous Serial Port，两线式（I2C）与三线式（SPI）标准同步串行传输协定，常用于EEPROM内存资料的烧录与读取，或是与其它集成电路沟通与联系，形成多芯片网络。

PIC单片机之所以能够获得广泛应用，是因为它具有一系列特点，例如PIC的哈佛双总线结构、RISC指令系统、单周期指令、快速的执行速度、简单的寻址方式、程序和数据分开存储的模式、I/O引脚的独立编程能力和较大的驱动能力、丰富的功能部件、多种编程方式以及一系列微控制特性等。

这些特性都是使PIC单片机得到迅速推广应用的技术基础[8]。

3.2电源电路的设计

在此设计中电源电路是为各个部分硬件电路最基本的供电电路，依据以上各个硬件电路设计情况以及所需电压值一共设计出三种电源电路：

5V、12V、15V。

5V电源电路设计如3-2-1所示：

图3-2-15V电源设计图

此电源电路采用LM7805芯片，它采用的是三端正电源稳压电路。

它有一系列的电压输出，应用非常的广泛这中类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本不会受到损坏。

如果能够提供足够的散热片，它就能提供大于1.5A的输出电流。

12V电源电路设计如图3-2-2所示：

图3-2-212V电源设计图

LM7815与LM7915三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电流内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠方便而且价格便宜。

15V电源电路设计如图3-2-3所示：

图3-2-315V电源设计图

3.3电流、电压、采集电路的设计

电流互感器和电压互感器在电路中的作用就是“检测元件”，我们对大电流和高电压直接测量起来不方便、也不安全，就开发了这种电器当作人们的“眼睛”，随时监视着电路的电流和电压。

电流互感器的作用就是用于测量比较大的电流。

电流互感器把大电流按一定比例变为小电流，提供各种仪表使用和继电保护用的电流，并将二次系统与高电压隔离。

它不仅保证了人身和设备的安全，也使仪表和继电器的制造简单化、标准化，提高了经济效益。

（将很大的一次电流转变为标准的5安培；2、为测量装置和继电保护的线圈提供电流；3、对一次设备和二次设备进行隔离。

）

输入电流时次级会产生一个与变比相应的输出电流。

通过运算放大器将电流信号转化成电压信号，调节反馈电阻的值在输出端得到所要求的电压输出。

电容及可调电阻用来补偿相移。

本设计采用微型CT作为系统电器参量的采集与系统隔离，防止系统干扰的侵入。

本设计中采用星格公司的SCT254AX精密电流互感器，该互感器小巧轻便，隔离度高，耐冲击性强。

输入额定电流为5A，额定输出电流为2.5mA。

图3-3-1-1电流互感器

电压互感器的作用就是把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用，同时使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。

电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但是它的电磁机构关系与电流互感器相比正好相反。

电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路阻抗决定。

当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二侧之间的电磁平衡关系。

可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器。

本次设计选用的电压互感器的型号为JLBV11，此电压互感器采用的是闭环零磁通磁平衡式，电压直接输入的工作原理。

主要用于测量直流、及其它任意波形电压，它精度高、线性好、反应快、低温漂、频带宽、抗干扰能力强。

额定输出电压5V，电流25mA。

图3-3-1-2电压互感器

3.4信号调理电路的设计

3.4.1滤波电路的设计

在一个实际的电子系统中，它的输入信号往往因受干扰等原因而含有一些不必要的成分，应当设法将它衰减到足够小的程度。

在另外一些场合，我们需要的信号和别的信号混在一起，应当设法把前者挑选出来。

为此我们必须采用滤波电路，这是抗干扰所必不可少的措施。

滤波电路分为无源滤波电路和有源滤波电路。

前者又分为LC滤波电路和RC滤波电路。

LC滤波电路有较好低通滤波特性，但电感的重量和体积过大，既不容易制作而且成本也高，有时还需要加磁屏，给制造和安装带来不便。

RC滤波电路虽然没有LC滤波电路那些缺点，但是RC滤波电路中的电阻不仅消耗我们希望抑制的那些信号的能量，而且消耗我们希望顺利通过的信号的能量。

所以RC滤波电路的性能较差。

而由RC网络和集成运算放大器组成的有源滤波电路却克服了无源滤波电路的缺点，它具有以下的优点：

1.不使用电感元件，因此体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。

2.有源滤波电路中的集成运放可加电压串联负反馈，使输入阻抗很高，输出阻抗很低。

输入与输出之间具有良好的隔离，因此只要将几个低阶滤波串联起来，就可以得到高阶滤波电路，一般不需要象LC滤波电路那样考虑级间相互影响。

3.除了滤波用用外，还可以将信号放大，而且放大倍数容易调节。

本设计采用了一阶低通RC有源滤波电路来对输入信号进行滤波，电路如图3-3-4-1所示：

图3-3-4