1.绪论
1.1研究背景及意义
在中国，煤炭是生产生活中的主要能源和重要原料，约占能源生产和消费的3/4，预计到本世纪中叶还将占至少一半的份额。也就是说在今后的几十年甚至更长的时间内，煤炭作为我国主要矿产原料的地位将不会改变。然而，伴随着煤炭行业的迅猛发展，煤矿安全问题也日趋凸显。近年来，重大的煤矿事故发生频率很髙，给国家和人民造成了不可挽回的损失。所以，煤矿安全问题依旧是我国政府和社会各界高度关注并急需解决的重大课题，其中瓦斯灾害是最主要的危险源之一，因瓦斯灾害所造成的巨大损失已成为影响我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素。煤矿瓦斯监控系统的应用对改善我国煤矿的安全状况、降低人员和财产损失、提高煤矿生产效率和现代化水平具有重要作用。目前，我国煤矿瓦斯安全监控系统现状是：数量占国有煤矿总数三分之二的全国5200多处高瓦斯煤矿、煤与瓦斯突出矿井已全部装备了瓦斯监控系统，但这些系统很多已经普遍老旧，带伤运行，维护不善；剩余的其他国有低瓦斯煤矿、集体和私人煤矿瓦斯监控系统安装率只有一半左右。除了近几年安装的较新的瓦斯监控系统，大量老旧和缺装瓦斯监控系统的矿井由于国家强制要求，目前已进入安装瓦斯监控系统的高潮期，我国煤矿瓦斯安全监控系统正迎来新一轮大规模的升级换代和安装热潮。
目前我国瓦斯监控系统普遍存在通信协议不规范，设备互不兼容，通信速率太慢，监控分站人机界面差，显示面板太小等问题。更主要的是，目前国内的瓦斯监控系统都将主要目标放在瓦斯监测方面，只是真实地记录数据，提供瓦斯浓度的超限报警，却没有提供瓦斯浓度提前预测功能，使得大量的瓦斯浓度历史数据得不到合理利用。一旦瓦斯浓度超限发生报警，马上就得关电停井，留出的处理时间很短。因此，本课题设计了能够对瓦斯浓度进行预测的新型瓦斯监控系统，由PLC控制井下监控分站，以工业以太网为接口，组态软件构建地面监控中心画面实现远程监控，这样一种经济实用的瓦斯监控系统，相信将会得到众多矿企尤其是中小型矿企的青睐。
1.2国内外发展现状
本文拟在充分熟悉煤矿产业政策，瓦斯监测技术的前提下，拟围绕煤矿井下瓦斯监测系统的设计进行了分析与探讨，拟针对PLC与组态软件进行较为深入的研究，拟对目前正流行的工业以太网通信传输进行剖析，提出瓦斯预测算法，重新设计了一种瓦斯监控系统。拟定主要研究内容如下：
1.根据煤矿的实际需求，收集资料，秉着安全实用的原则，研究煤矿瓦斯监控系统的总体结构组成及其工作原理。
2.通过分析比较各种工作面瓦斯浓度预测算法，研究基于小波分析滤波及BP神经网络预测的现场工作面瓦斯浓度预测算法，并采用Matlab7.0软件编程对该算法效果进行分析验证。
3.监控系统的硬件设计。介绍了PLC的组成和工作原理，对PLC硬件进行选型，同时也对井下传感器，如甲焼传感器、CO传感器等进行了选型和参数设置。
4.监控系统软件的设计。对于井下系统，分别从瓦斯监测、数据釆集、数据通信和超限报警四个方面设计工作流程；对于井上监控系统中心利用组态王建立监控界面。
本章在介绍了瓦斯监控系统大背景下，结合国内外的发展及研究现状，提出了一种煤矿瓦斯浓度监控系统，并对整个文章的主要研究内容和研究思路进行了说明。
2瓦斯浓度监控系统总体设计
2.1系统概述
煤矿瓦斯浓度监控系统可分为井下的数据采集，控制中心的数据分析，井上监控设备的管理几大部分，具体可分为监控设备、监控分站、以太网交换机、调度台和监控室等几部分。监控设备负责采集瓦斯和CO等参数信息，将收集到的数据通过CAN总线输送到以太转换设备及监控分站进入井下以太网。井下数据最终通过地面以太网交换机传到井上监控室，井上对采集的数据进行分析和存储，若检测到井下的瓦斯浓度和温度超限，井上将及时采取安全措施，确保井下的安全生产工作。同一煤层的监控设备挂在CAN总线上接到这一煤层的监控分站上，由监控分站进行以太网转换，基于以太网通信建立的监控系统，所有的分站都通过交换机挂在以太网上。
井下瓦斯监控系统通过CAN总线作为传输介质，基于以太网进行通信，利用PLC对系统设备进行控制，实现了有机结合。整个系统采用新型原理传感器，耗能小，安全稳定，维护量少；硬件设备集成度高，软件设计的监控画面友好，操作简便，管理性能变得更加强大。煤矿瓦斯浓度监控系统的总体结构如图1所示。
2.2系统工作原理
分布在井下各处的传感器收集所需要的数据参数，如：瓦斯浓度和CO浓度。釆集到的数据通过CAN总线传送给井下的监控分站，监控分站可以显示出接收到的数据，并且可以对数据进行处理，若监测到危险状况可以声光报警并对设备断电。监控分站获得的信息通过工业以太网传输到井上的上位机部分，实现地面对井下的实时监控，数据备份等。通过瓦斯预测模型就瓦斯浓度趋势进行预测，若发现异常情况，地面控制中心发出信息到井下的监控分站，实现对井下设备的监控。
本文釆用各监控分站单独控制和监控中心集中管理的控制方案，在脱离监控中心计算机管理的情况下，各分站可以实现单独控制，现场控制器和监控界面可以实现对瓦斯浓度的监控，并将采集到的重要信息保存下来；监控中心与井下分站控制系统通过网络相互连接并实现通信，现场控制器定时向上位机发送运行数据包，地面监控中心可以向井下监控分站发送控制命令，修改运行参数；即监控中心上位机组态软件可以实时的远程监控井下的各处瓦斯浓度，便于统一监控管理，保证整个系统能在最合理的状况下运行，确保井下的安全。
各监控分站单独控制：井下瓦斯浓度控制器采用S7-300PLC，因为该S7-300系列PLC具有很强的抗干扰能力，能够在井下的恶劣环境中长时间的连续工作，且有强大的网络通信功能，井下瓦斯浓度控制器PLC通过I/O接口与现场设备相连来监测被监控量并向执行器发送控制信号，以实现对瓦斯浓度的控制，并定时向上位机发送现场检测的数据，接受上位机下发的控制命令，同时现场采用触摸屏控制界面，接受现场操作人员修改运行参数和工作方式设置，在监控中心上位机出现故障时，能独立完成整个的监控并保留监测数据，并实现瓦斯浓度超标时的报警，系统要稳定且便于调试，在最大程度上保证系统正常运行。
监控中心控制：监控中心的计算机通过工业以太网和网络适配器与井下的瓦斯监控分站控制器相连接，通信协议由用户定义实现对各分站统一管理和调度；为了节约系统成本和增加人机界面的灵活性，用组态软件开发上位机软件；组态软件建立瓦斯监控界面，构建动画，以动态画面、数字量、开关状态、曲线图等形式显示监控分站的运行状态，监测并控制现场工况；建立实时和历史数据库，实现实时查询参数和历史曲线记录并定期备份数据打印报表，为系统分析能耗提供依据。
3基于小波降噪和神经网络的瓦斯浓度预测方法研究...........9
3.1目前瓦斯浓度预测方法现状...........................9
3.1.1常见瓦斯浓度预测方法...........................9
3.1.2目前瓦斯浓度预测方法的不足...........................9
3.1.3基于小波分析及神经网络的工作面瓦斯浓度预测方法原理.....10
4瓦斯监控系统的硬件设计...........................25
4.1矿井的监控要求...........................25
4.1.1矿井瓦斯监控系统硬件要求...........................25
4.1.2矿井瓦斯监控系统设计原则...........................26
4.2瓦斯监控系统工业以太网的硬件总体方案研究 26
5瓦斯监控系统的下位机软件设计...........................39
5.1系统主程序设计...........................39
5.2瓦斯检测仪的软件设计...........................40
5.3数据采集子程序设计............................41
6瓦斯监控系统上位机软件设计
目前基于PLC的大型工业监控系统中，除了硬件及软件方面，上位机监控画面也应是必不可少的，其具有操作简便、直观查看、动态显示的特点。上位机监控画面能和PLC或其他控件直接对话。操作人员利用上位机对PLC进行控制，发送数据信息。PLC能将井下的数据送回地面的监控中心。在监控系统运行的过程中，上位机软件在后台不停的工作，处理数据、生成并显示实时数据，对这些数据整理和保存。操作人员只需通过上位机监控画面就可以实时了解和掌握井下瓦斯状态。
6.1组态王Kingview简介
组态王Kingview软件是由北京亚控公司设计生产，用于监控的产品，该软件具有丰富的图库和开发工具，兀?发人员可以依据企业的需求来创建监控画面和控件，对画面进行自由的组态搭配。每个组态画面之间的数据都可以方便的进行连接，通过简卑的连接和驱动向导就可以完成画面的运转，使得过去复杂的画面设计过程变得轻松、容易、高校，这也是组态软件的一大特色。组态王6.53是一种新型的组态软件。通过利用该软件完善的界面连锁功能，能够形象的呈现井下瓦斯现场情况。由于组态王6.53中含有丰富的成型模块和控件，选中所需元件直接拖到画面上去即可，节省了元件的设计时间；用户可以使用控件直接做出各种实时报警画面或历史曲线，并且可以通过实时的动态画面来显示当前数据信息，方便用户的查阅和控制。
组态王6.53的主要功能特性如下：
①可视化操作界面，真彩显示图形、丰富的图库、动画连接。
②强大的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能。
③强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据查询和保存。
④丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块。
⑤方便的配方处理功能。
7总结与展望
7.1工作总结
本文研究的煤矿瓦斯浓度监控系统，是结合工业实际进行设计实现的。在研究了国内外煤矿瓦斯监控系统发展现状的基础上，根据实际需要，选用了抗干扰能力强、高可靠性的可编程序控制器，并选用了精确度较高、延时时间较短的各类优良传感器。提出了一种基于小波降噪和BP神经网络的瓦斯预测算法，该算法不像其他瓦斯预测算法需要多种类型的数据，而仅采用某地的瓦斯传感器的日常监控数据即可进行预测。瓦斯传感器测到的基于时间序列的瓦斯浓度数据携带有其本身的特征与规律，用降噪后的数据对BP神经网络训练，即可得到预测瓦斯浓度的数据。最后通过组态软件，实现远程监控室上位机监控系统控制和就地控制相结合的控制方式，并通过实验证明了本系统是有效地、可靠的。
本文完成的主要工作有：
1.通过深入研究和阅读相关文献，熟悉了煤矿瓦斯浓度监控系统设计的原理与要求。
2.通过分析比较各种工作面瓦斯浓度预测算法，研究基于小波分析滤波及BP神经网络预测的现场工作面瓦斯浓度预测算法，并釆用Matlab7.0软件编程对该算法效果进行分析验证。
3.结合现场实际情况，对监控系统做了深入的分析与调研，最终确定了方案，并进行了系统硬件的选型，包括主控制器西门子PLC和各种类型的传感器。
4.系统采用组态王软件，搭建地面瓦斯监控体系，完成各自的显示、处理、控制、打印等功能。运用OPC技术实现组态与Matlab软件之间数据的联系，能够在监控画面上显示瓦斯预测数据。
7.2展望
本论文设计的井下瓦斯监控系统可以一定程度上提高井下的安全水平，而且能够节约大量损耗，具有一定的应用推广前景。另外，BP神经网络在近年来已取得不少应用成果，开辟了一些预测领域的新天地，这也是作者将要进一步探讨和研究的领域。当然，本文所介绍的设计在实现了期望的大部分功能与主要需求的同时，仍然还存在一些不足和需要改进的地方。主要问题在于两个方面：
一是，文中虽然对瓦斯预测进行了仿真，但仿真的结果不能完全等同于现实的结果，仿真环境也不可能与现实的监测环境完全一样。仿真的环境相对比较理想化，现实环境中的一些干扰因素未必被考虑周全。所以说在真正应用于实际环境的时候必定会存在一些想不到干扰或者问题，这一方面有待更深入的研究。
二是，成本问题。虽然本文设计的网络采用低功耗低成本的传感器和主控制器，但考虑到实际情况下设备使用数量庞大，想必成本并不会低。所以在成本方面，可能还需要考虑其他的方案。
但我相信，随着该技术的进步和不断完善，这些问题都将在不久的将来得到改善和解决。瓦斯监控系统也将在未来给矿井带来更大的安全保障。
参考文献（略）
参考文献（略）