煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计_煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计(编辑修改稿)

煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计_煤矿井下防爆柴油机排气污染监控系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

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 3 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 4 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]。 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 5 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]。 6 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。 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。 系统方案的设计 总体方案： 图 22 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 7 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]。 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 MT9902020《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 %；氮氧化合物（ NOx)为 %。 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（ 221）所示。 m1=agbL0=(kWmin) （ 221） 在 20℃时， 1 标准大气压下空气的密度为 179。 ；则需要的空气量m1= /=179。 /(kWmin)。 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（ 222）所示。 m=100 m1=（ 222） 其中 a为过量空气系数。 如式（ 223）所示。 8 a=L/L0= m1/(gbL0) （ 223） 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=。 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 %；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 ～ 4m179。 /min。 由式（ 222)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 9 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(In Circuit Debug)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 31 PIC16F877 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 8K words，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 10 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 RS23 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]。 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 321 所示： 图 321 5V 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 11 的散热片，它就能提供大于 的输出电流。 12V 电源电路设计如图 322 所示： 图 322 12V 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 323 所示： 图 323 15V 电源设计图 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 12 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； 为测量装置和继电保护的线圈提供电流； 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。 图 3311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 13 个分量来。