（检测技术与自动化装置专业论文）labview技术在煤矿井下排水监控系统中的应用.pdf

太原理一i ：火学硕+ 研究生学何论文 l a b v i e w 技术在煤矿井下排水监控系统中的应用 摘要 我国是一个煤炭大国，大中小型煤矿星罗棋布，为国民经济的发展提 供了有力的能源支持。但是长期以来，煤炭生产一直被安全问题所困扰。 煤矿安全灾害中，煤矿水害与瓦斯并列其首。煤矿水害频频发生，给矿工 的生命安全和煤矿的经济效益带来极大威胁，其主要原因是井下排水仍以 人工手动控制为主，受人为因素影响，实时性差，可靠性低。 针对煤矿井下排水系统不够完善和先进的现状，在l a b v i e w 平台下， 采用虚拟仪器技术，本文提出了一种新的基于虚拟仪器的排水监控系统的 设计方案。 监控系统的硬件部分，以实验室搭建的一套模拟排水系统为基础，它的 数据采集以美国n i 公司的u s b 一6 0 0 8 数据采集卡为核心，各传感器送来的模 拟信号先经过信号调理电路，再送入采集卡，由计算机直接读取采集卡a d 转换后的采样数据；采集卡送出的数字信号，通过继电器控制各电磁阀、 电动阀，进而完成对各水泵、真空泵以及排水管路的控制。 监控系统的软件部分，是课题研究的重点，它以l a b v i e w 图形化编程 软件为程序平台。其用户界面采用选项卡式设计，实行多界面管理模式， 力求简洁美观。在“用户登录 界面，通过使用l a b s q l 免费工具包，建立对 a c c e s s 数据库的管理和访问，以此设置多用户密码管理系统，并对不同的用 户进行了权限设置，使管理系统的人机交互界面安全、友好；用同样的方 法，建立对a c c e s s 数据库的管理和访问，还实现了对液位、水压等监控数据 的实时记录，用户可在“数据查询”和历史曲线”界面完成对历史数据和历 太原理l ：人学硕+ 研究生学位沦文 史曲线的日期查询；用户还可在“工作现场”界面实时观测动态变化的工作现 场；同时根据排水监控系统的总体控制要求，文中给出了根据水位监控原 则、用电“避峰就谷”原则、水泵和排水管路的轮换工作原则、在线故障监测 和保护原则等所展开的控制流程；为了实现煤矿排水监控系统的网络化管 理，设计还采用了d a t a s o c k e t 技术进行监控数据的网络传输，实现了盟控数 据的远程传送和豁控系统的远程控制；此外，为了解决多循环并行运行所 带来的共享数据资源竞争的问题，还采用了n o t i f i e r 通知器技术，实现了主 v i 与子v i 数据的同步传输。 本系统开发周期短，可扩展性强，为煤矿井下排水自动化提供了一种 新思路和新方法，是虚拟仪器技术在煤矿井下排水监控方面的一个尝试， 相信这一技术会在煤矿领域得到进一步推广。 关键词：煤矿排水，监控系统，虚拟仪器，l a b v i e w ，l a b s q l ，d a t a s o c k e t 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 a p p l i c a t i o no fl a b v i e wi nc o a lm i n e d r a i n a g em o n i t o r 【n gs y s t e m a bs t r a c t c h i n ai sag r e a tn a t i o nw i t hr i c hc o a lr e s o u r c e s om a n yc o a lm i n d sa r e s c a t t e r e di nt h ec o u n t r ya n dp r o v i d ep o w e r f u le n e r g ys u p p o r tf o rt h en a t i o n a l e c o n o m yd e v e l o p m e n t b u tf o ral o n gt i m e ，t h ec o u n t r y sc o a lp r o d u c t i o nh a s b e e np u z z l e db ys a f e t yp r o b l e m s a m o n gt h ec o i lm i n es a f e t yp r o b l e m s ，g a s e x p l o s i o na n dc o a lm i n ef l o o da r et h em o s ts e r i o u s t h ec o a lm i n ef l o o do c c u r s f r e q u e n t l y , b r i n g se n o r m o u st h r e a tt ot h ew o r k e r ss a f e t ya n dt h ec o a lm i n e s e c o n o m i ce f f i c i e n c y t h em a i nc o u r s ei st h eb a c k w a r dc o a lm i n ed r a i n a g e s y s t e m ，w h i c hi ss t i l lm a n u a lc o n t r o l l e db yw o r k e r f o rh u m a nf a c t o ri n f l u e n c e ， t h es y s t e mh a sb a dt i m e l i n e s sa n dp o o rr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，u n d e rt h el a b v i e wp l a t f o r m ，u s e s t h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , as e to fc o a lm i n ed r a i n a g em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dt o r e a l i z et h ec o a lm i n ed r a i n a g ea u t o m a t i o n t h em o n i t o r i n gs y s t e m sh a r d w a r es e c t i o ni sb a s e do nac o a lm i n ed r a i n a g e s i m u l a t i o ns y s t e m b yt h eh e l po fad a t aa c q u i s i t i o nc a r du s b 一6 0 0 8 ，w h i c h b e l o n g st ot h en ic o m p a n y , t h ed e s i g nh a sr e a l i z e dd a t aa c q u i s i t i o nf o rs u m p l e v e l ，w a t e rp r e s s u r e ，f l o w , w a t e rt e m p e r a t u r e ，a n de t c c o m b i n e dw i t hr e l a y s ， u s b 一6 0 0 8i sa l s oa d o p t e df o rt h ep u m p sa n dv a c u u mp u m p s c o n t r o l l i n g t h es o f t w a r es e c t i o ni st h em a i np a r to ft h ed e s i g n i t sp r o g r a m m i n g p l a t f o r mi st h eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r el a b v i e w a i m e da tc l e a na n d a r t i s t i c ，t h ep r o g r a ma d o p t s “t a bc o n t r o l f o rt h em u l t i i n t e r f a c ed e s i g n a tt h e u s e rl o g i ni n t e r f a c e ，w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h ef r e et o o lk i tl a b s q l ，i th a s 太原理l ：人学硕十研究生学何论文 b u i l tt h el i n k i n gb r i d g ef o rt h ed a t a b a s em a n a g e m e n tb e t w e e nl a b v i e wa n d a c c e s s b yu s i n gt h i sm e t h o d ，t h ep r o g r a ms e t su pam u l t i u s e rp a s s w o r d m a n a g e m e n ts y s t e mw i t hd i f f e r e n tu s e rp e r m i s s i o ns e t t i n g s s ot h eu s e r i n t e r f a c eo ft h em a n a g e m e n ts y s t e mi ss a f ea n df r i e n d l y ；b ye s t a b l i s h i n gt h ev i s t a n dm a n a g e m e n tt ot h ea c c e s s ，t h ep r o g r a mh a sa l s or e a l i z e dr e a l t i m ed a t a r e c o r d i n g u s e r sc a nm a k eh i s t o r i c a ld a t ai n q u i r ya n dh i s t o r i c a lw a v e f o r m i n q u i r ya tt h e d a t ai n q u i r y a n d h i s t o r i c a lw a v e f o r m i n t e r f a c e ；u s e r sc a n a l s oo b s e r v et h e1 e a l t i m e d y n a m i cw o r k i n gs c e n ea tt h e “w o r k i n gs c e n e i n t e r f a c e ；a c c o r d i n gt o t h em o n i t o r i n gs y s t e m so v e r a l lc o n t r o l r e q u e s t ，t h e p a p e rh a sg i v e nt h ec o n t r o lf l o wb a s e do nt h ew a t e rl e v e lm o n i t o r i n gp r i n c i p l e ， p o w e ru s i n g “a v o i d i n gt h ep e a ka n dt r e n d i n gt ot h ev a l e p r i n c i p l e ，w a t e rp u m p a n dd r a i nl i n ew o r k i n gi nt u r np r i n c i p l e ，a n de t c ；i th a sa l s oa c h i e v e dt h er e m o t e d a t at r a n s m i s s i o nb ya d o p t i n go fd a t a s o c k e t ；t h ei m p l e m e n to fn o t i f i e rm a k e s t h ed a t at r a n s m i t t e df r o mt h em a i n - v it ot h es u b - v is y n c h r o n o u s l y t h ea d v a n t a g eo ft h i sd e s i g nl i e si nt h el o wc o s ta n ds h o r td e v e l o p m e n t c y c l e i th a sp r o v i d e dat h o r on e ws o l u t i o nf o r t h ec o a lm i n ed r a i n a g e m o n i t o r i n gs y s t e m i ti sa ne x p e r i m e n tf o rt h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h o n o l o g yi nt h ec o a lm i n e b e l i e v et h a tt h i st e c h n o l o g yw i l lb ef u r t h e r p r o m o t e di nt h ec o a lm i n ef i e l d s k e yw o r d s ：c o a lm i n ed r a i n a g e ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，v i r t u a l i n s t r u m e n t ， l a b v i e w , l a b s q l ，d a t a s o c k e t l v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨主褪日期：2 1 1 ：鳖：羔 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 j 签名：鱼窒茎亟日期：堡璺：竺：兰主 导师签名：立茎垩至圣日期：导师签名：i 垒圣至鱼日期： 太原理i ：大学硕+ 研究生学何论文 第一章绪论 1 1 矿井水对煤矿生产的影响以及它的可利用性 我国是一个煤炭大国，大中小型煤矿星罗棋布，源源不断的煤炭供应，为国民经济 的发展提供了有力的能源支持。但是长期以来，煤炭生产一直被安全问题所困扰。其中， 以瓦斯、煤尘、水、火和顶板五大自然灾害为主，根据危害程度，煤矿水害与瓦斯并列 其首。这罩的煤矿水害，是指凡是影响生产、威胁采掘工作面或矿井安全，增加吨煤成 本，使矿井局部或全部被淹没的矿井水。 受地质条件和煤矿开采历史等客观因素的影响，我国煤矿水文地质条件极为复杂， 无论是受水害威胁的面积、类型，还是被水害威胁的严重程度，都是世界罕见的。据解 放后的资料统计，1 9 5 5 年一1 9 8 5 年，全国统配煤矿共发生突水7 6 9 次，淹井事故2 1 8 起， 且有逐年增长的趋势，2 0 世纪8 0 年代与2 0 世纪5 0 年代相比，突水频率增长2 5 7 ，淹井 事故增长9 6 ；突水水量方面，1 9 5 6 年一1 9 6 0 年，突水涌水量5 2 0 m 3 m i n ，个别达到 5 0 m 3 m i n ；2 0 世纪6 0 年代，突水涌水量上升 2 0 m 3 m i n 4 0 m 3 m i n ，个别达至l j l 4 0 m 3 m i n ； 2 0 世纪7 0 年代后，一般突水涌水量都在5 0 m 3 m i n 以上。2 0 世纪6 0 年代，丌滦范各庄的突 水淹井事故中最大涌水量高达2 0 5 3 m 3 m i n ，为世界采矿史上有记载的突水量之最【。 同时，矿井水对煤炭的同常生产也造成了一系列影响，主要表现在以下两个方面： 矿井水的存在使采掘工作面出现淋水，使空气湿度明显增加，顶板破碎，对劳动 条件及生产效率影响很大； 矿井水对各种会属设备、钢轨和金属支架等，均有腐蚀作用，缩短了生产设备的 使用寿命。 因此，煤矿井下排水担负着煤矿安全与煤矿同常生产正常进行的双重使命。 我国是一个淡水资源贫乏的国家，人均拥有水量仅是世界人均水量的1 4 ，且分布 极不均匀。特别是北方地区，煤炭资源丰富，占全国煤炭总储量的8 0 以上，淡水资源 仅占全国总量的2 0 ，矿区缺水十分严重。而矿井水虽然是一种具有行业特点的污染物， 也是一种宝贵的水资源，仅国有重点煤矿每年产生矿井水约2 2 亿吨，平均每丌采1 吨原 煤将产生2 吨废水，不仅浪费了大量水资源，而且造成环境污梨2 ”。 太原理! i ：人学硕十研究生学 7 ：论文 如果将矿井涌出水进行合理排放处理，使水质达到工业与生活用水标准，则为水资 源紧缺的煤矿丌辟出第二水资源。这将带来巨大的社会经济效益。近几年，我国北方大 型煤矿区都丌始了程度不同的矿井水丌发利用工作，意识到矿井水资源化是一项丌源增 流的有效措施，作为水资源的一种补充来源，可以在某种程度上解决当地严重缺水这一 经济发展的瓶颈问题【4 矧。 综上所述，为了消除矿井水对煤矿生产的影响，使之服务于同常生活和工业生产， 变有害为有利，需要设计一套高效而可靠的煤矿井f 排水监控系统。 1 2 当前现状 目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以 离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时问判断，完全依赖于工人的经验和已自的 操作规程。 工人通过判断水位高低柬启动或停止水泵机组进行排水，同时根据现场涌水量的不 同，判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理时用，避 免过度频繁的起停。存在的问题： 效率低，可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的 完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经 验。作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生 大的事故； 工人劳动强度大。工人操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作，劳动量 最大。通径d n 2 0 0 的闸阀丌起时，往往需要两个工人同时转动阀门手柄。而且，水房要 时时有人职守，以便在发生异常情况时，及时报警检修【7 1 。 这种排水系统效率低，可靠性差，紧急情况下，旦工人发生误操作，后果将不堪 设想。 1 3 国内外研究动态 鉴于井下排水在采矿工程中的重要作用，伴随控制理论和现代检测技术的发展，自 动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。 2 太原理1j ：火学硕十研究生学何论文 俄罗斯的科研人员对矿井排水的理论研究方面作了大量工作。国立莫斯科开放大学 教授、技术科学博士波波夫教授，通过对2 0 0 0 - - 3 5 0 0 k w 异步电动机直接投入电网全电 压起动与矿井高扬程水泵双电机拖动的比较，指出了矿井排水高扬程水泵采用双电机拖 动的无可争辩的优越性1 8 1 。 国立莫斯科丌放大学技术科学副博士b b 马祖连科，依据费用相等的原则，推导出 水泵最佳使用期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式，以提高矿井排水设备运行 的经济性吲。 同时，b b 马祖连科还介绍了作为排水设备主要类型的离心泵的能耗估算方法，以 及离心泵工况点经修正后的能耗估算方法，使排水设备在设计和使用阶段，都可进行能 耗估算，以满足矿井排水设备作为矿山企业主要的用电设备，在节能工艺上的要求f lo 】。 此外，一些矿产资源丰富的国家，在将自动化技术引进矿业生产方面，取得了突飞 猛进的成就。加拿大提出了数字化矿山的概念，建立了综合信息基础框架，使全体丌采 过程与集成化支持系统连成网络；同时，大力发展了生产监控方面的传感技术，减小排 水设备的自动控制和监测的误差；未来还将发展遥控机器人和全矿机器人技术。芬兰采 矿工业则发布了智能化矿山技术项目，目标是实现实时资源管理和生产控制，全矿范围 的信息网络，新型机器和自动化，以及生产及维护的自动化。俄罗斯则针对矿山设备的 研制，提出了采用以微处理技术为基础的自动控制和故障诊断系统以及保护和安全操作 系统【l o 】。 许多发达国家的矿井水资源管理已进入了系统化管理阶段，集中了规范化、统计化、 实时化和运筹化管理水资源质量及水坏境的优点，运用了系统论、信息论、控制论和计 算机技术，建立起了水资源管理信息系统。他们在采区工作面水文地质探测，地下水动 态观测，水害预测，应急堵截方面，和矿井水综合治理方面均有成熟的技术可以让我们 借鉴【1 1 1 2 】o 国内在优化排水方案、改造排水设备及巷道合理布置等方面做了大量的研究。一些 研究人员把智能控制理论用于煤矿井下排水系统当中，将规则控制、模糊控制、神经网 络方法、专家系统等智能型的控制方法用于排水系统的控制，能够实现实时控制，自动 监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台 水泵软启动的自动切换及控制断电等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。 在信号采集和水泵的智能控制方面，研究人员用p l c ( 可编程能控制器) 代替传统的继 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 电器控制，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。同时也可采用单片机进行信号的采 集和控制。在计算机显示和数据汇总方面，大多采用工业组念软件，如国内的组念王， 西门子的w i n c c 组念软件等，这些组态软件结合先进的现场总线技术，实时与计算机进 行通讯，在普通p c 机上动态显示所采集的数据，工人也可用鼠标点动水泵的起停按钮束 远程控制水泵排水。也有采用c h 、v b 等计算机语言自行进行软件设计，但是前者更为 成剥1 3 - 旧。 在煤矿井下水位的检测技术方面，目6 玎国内还处于摸索阶段，检测手段比较落后， 可靠性差，检测系统还不够完善。检测煤泥水的传感器还没有好的产品。虽然现在也有 一些传统的水位传感器，如压力式，浮子式等水位传感器用于煤泥水水位的测量，但是 由于煤矿井下环境恶劣，这些传感器均因淤泥或煤泥堵塞受到影响，致使整个系统难以 准确可靠的采集6 订端信号。过去对煤矿井下水的检测监控自动化要求不高，但是随着近 年来煤矿事故的频繁发生，煤矿安全问题同益引起了人们的广泛关注。现在，所有矿用 产品都进行防爆送检和煤安认证，煤矿的安全要求越来越高，因此对煤矿井下水的：监控 要求也随之提高，因而具有高准确性，高可靠性的检测煤泥水的新型传感器也急切的需 要研制。目i 仃国外的井下水仓静念水监测系统的6 仃端信号采集传感器技术仍然为传统的 压力式和浮子式，没有什么新的进展。 1 4 课题主要内容及意义 1 4 1 课题主要内容 本课题在深入研究煤矿井下排水系统设计需要的同时，借鉴国内外研究成果，采用 美国n i 公司数据采集卡和l a b v i e w 软件丌发平台，将太原理工大学测控技术研究所自主 研制的感应式数字水位传感器用于煤泥水水位的测量，开发了一套集数掘采集、状念监 控、数据存储和查询为一体的多任务信息处理系统。 本课题的主要内容包括： 按井下排水技术要求，搭建煤矿井下模拟实验排水系统； 完成煤矿井下排水监控系统的硬件设计； 完成煤矿井下排水监控系统软件设计。 4 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 1 4 2 课题主要意义 虚拟仪器是基于计算机的仪器，它以计算机为处理核心，是一种新兴的仪器技术， 经过将近2 0 年的发展，虚拟仪器已经r 趋成熟，代表着未来测控领域的发展方向。 在测控领域中，智能仪器是以单片机、d s p 及专用信号处理电路( a s i c ) 等为核心的 仪器和测试设备：而虚拟仪器，则是直接以计算机为处理核心的仪器系统。计算机强大 的计算处理能力和网络功能，使虚拟仪器相比智能仪器，在处理速度、网络共享以及智 能化程度上更具优越性。虚拟仪器利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完 成各种测试、测量和自动化的应用，灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模 块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应 用的需求。 采用虚拟仪器技术对煤矿井下排水监控系统进行改良，是因为它可以兼备p l c 的智 能控制、信号处理以及组态软件的动念显示功能，只采用一台普通计算机，外加数据采 集板卡，就能迅速建立功能强大性能稳定的监控系统，而且它的可靠性与抗干扰能力， 明显优于以单片机为核心的排水监控系统；在丌发周期上，与以单片机或p l c 为核心的 监控系统相比，软件开发时间缩短4 6 倍。 低廉的设计成本和短暂的丌发周期，友好的人机界面和完善的功能，使改良后的井 下排水监控系统非常适合中小型煤矿在建立排水监控系统时的要求。 太原理f ：火学硕十研究生学位论文 第二章煤矿井下排水监控系统概述 2 1 煤矿井下排水系统组成 位于山西省晋城市泽州县的成庄煤矿，是山西省晋城煤业集团的一座的现代化矿 井，实际年生产能力8 0 0 万吨，笔者根据对成庄煤矿的现场实际调研，搜集了关于煤矿 井下排水系统的第一手资料。下面对煤矿井下排水系统的总体情况作一简单介绍。 煤矿井下排水系统主要由以下几部分组成：水泵房，水仓，排水管道，水泵，供电 系统。 2 1 1 水泵房 水泵房是安设矿井主要排水设备的机器房。要求紧固、干燥、照明和通风良好；便 于设备的运转与维修：无火灾及爆炸气体钻入其中的危险；设有在必要时能严密封闭的 防水、防火门和两条出入通道。它还经吸水井与水仓相通，位于井底车场附近【用。 2 1 2 水仓 水仓是矿井下的贮水池和沉淀池，分为主仓和副仓，便于轮流清理淤泥杂物，以保 证水仓容量的有效性。水泵从水仓吸水。矿坑水顺排水沟流动时速度很大，其中带有很 多泥沙微粒和碎小的木屑，因水仓面积大使上述带来的泥沙逐渐沉于底部，使进入水泵 的水洁净，以延长水泵使用期。水仓需要定期清淤f 。 2 1 3 排水管道 主排水管路必需设工作水管和备用水管。排水管道的管径要与水泵能力相匹配，其 趟数要与总设计排水能力相匹配，其壁厚要与相应的扬程相适应。排水管路必须能承受 内水静压、水锤动压、钢管自重和温度应力叠加产生的载荷。还应能承受1 ，2 5 倍设计工 作压力的压力试验【1 7 】。 2 1 4 水泵 水泵是井下水泵房所用的水泵包括工作、备用和检修的水泵，其中工作水泵的能力， 7 太原理i ：人学硕十研究生学何论文 应能在2 0 d , 时内排出矿井2 4 d 时的正常涌水量( 包括充填水及其他用水) 。备用水泵的 能力应不小于工作水泵能力的7 0 ，并且工作和备用水泵的总能力，应能在2 0 d , 时内排 出矿井2 4 d 、, 时的最大涌水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力2 5 f 】。 水泵按排水方式可分为压入式排水和吸入式排水。压入式排水是指被排的水面比水 泵的吸水口高的排水方式，它起动方便，但要求机电设备有很高的可靠性，要求水仓围 沿没有裂隙。如果水泵或电气设备出了故障，严重时会造成淹泵房和矿井的事故。因此， 国内煤矿很少采用；煤矿广泛采用的排水方式是吸入式排水，吸入式排水比压入式排水 安全可靠，但它需要起动设备，排水系统效率不如压入式排水高。 水泵按动作原理和结构基本上可分为如下的三大类： 叶片式：包括离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵： 容积式：包括往复泵和回转泵。往复泵分为隔膜泵和 活塞( 柱塞) 泵，回转泵 包括齿轮泵、螺车t 泵、滑片泵、凸轮泵、罗茨泵、偏心转子泵、三转子泵、径向柱塞泵 和轴向柱塞泵； 其他类型的还有喷射泵、酸蛋、水锤泵以及电磁泵。 水泵的选型要依据扬程、排量和匹配的管径，以及电动机类型、电压等综合分析确 定【l 】o 2 1 5 供电系统 供电系统要与水泵供电负荷相匹配，并保证双电源双回路供电，以便一路电源发生 故障时，另一路电源能立即供电，保障排水系统的不问断f 常工作。 2 2 离心式水泵排水系统工作原理 目| j i ，离心式水泵在煤矿的排水系统应用较为广泛，各大煤矿井下排水系统普遍采 用离心式水泵作为主排水泵。这是因为离心式水泵有下列几方面优点： 流量、扬程范围大，并且流量和压力都很平稳，没有波动； 效率较高； 转数较高，可以与电动机直接相连。一般井下主排水泵绝大多数采用四极电动机 驱动，也有少数采用二极电动机驱动的； 操作方便可靠，故障少，维修容易，易于实现自动化； 太原理一l ：人学硕十研究生学位论文 与同一指标的往复泵相比，离心泵结构简单紧凑，体积小，重量轻，零部件少， 制造方便，造价低，占地面积小，因此它的设备费用和修理费用都比较低。 离心式水泵不同与其他的水泵，它的启动过程和停机过程都是非常复杂的，有其 独特的启动和停机步骤，如果控制程序不是按照步骤进行控制的，水泵就会无法启动和 正常工作，严重的话，会缩短水泵的使用寿命，甚至损坏电机和水泵。所以为了很好的 对离心式水泵进行控制，有必要了解它的工作原理和控制方法【。 2 2 1 离心式水泵排水系统组成及工作原理 离心式水泵排水系统主要出离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附 件等组成【7 】，如图2 1 所示。 高水位 一一7 低水位 ， i 图2 1 离心式水泵工作系统图 f i 9 2 一lt h ew o r k i n gs y s t e mf i g u r eo ft h ec e n t r i f u g a lp u m p 1 水仓；2 水泵；3 电动闸阀；4 一逆止阀o ，5 射流泵电磁阀； 6 一静压水管；7 电机启动开关；8 电动机；9 谢流泵 滤水器和底阀：滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0 5 m 。 其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨损。在滤水器内 装有舌型底阀，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。 但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流 泵或真空泵为水泵和吸水管注水。本系统采用无底阀排水。 太原理l ：人学硕十研究生学侮论文 闸阀：调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。 其功用包括，调节水泵的流量和扬程，起动时将它完全关闭，以降低起动电流。 调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地柬调节 水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安 装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。 本系统采用电动闸阀。 逆止阀：逆止阀安装在调：宣闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转( 如突然 停电) t t 4 ，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不 致受到水力冲击而遭到损坏。 压力表和真空表：压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。 常用的压力表为普通弹簧管压力表，根掂其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向 带边三种。表壳的公称蛊径有6 0 m m ，1 0 0 m m ，1 5 0 m m ，2 0 0 m m 平1 1 2 5 0 m m h 种。压力表 所测出的压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1 个大气压。 真空表安装在水泵的吸水接管上，为检测吸水管的真空度用。根据其结构特征也呵 分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表样，也分为6 0 、 1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 署n 2 5 0 m m 五种。真空表的测量范围为旺o 1 m p a ( 一个大气压) 。 射流泵或真空泵：离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内l 一 ：7 “p ，q 。水j 能进入运 行状念，否则水泵转动时将无法吸水，形成“于烧”，严重影i i 向水泵的使用寿命。在无底 阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流 泵或真空泵。它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度， 保证系统f 常工作。 本系统采片j 射流泵为排水泵注水，并用电磁阀作为射流泵的控制阀门。 2 2 2 射流泵工作原理 水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的灌水一般采用吸入 式。为了减小井水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入 式灌水，要采用专门的引水设备，对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空，使水泵运行静 充满水。 引水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵运行效率高，水泵启动快，但需要提供专 门的驱动设备。射流泵结构简单，操作方便，根据矿井的地下环境和条件，射流泵的应 1 0 太原理+ l j 人学硕+ 研究生学位论文 用更为普遍。其结构包括：喷嘴、吸入室、混合管、扩散管。 射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象”。如图2 2 所示，高压水以流量q 1 由喷 嘴高速射出时，带走吸入室2 内的空气，在吸入室内造成不同程度的真空，被抽升的液 体在大气压力作用下，以流量q 2 由管5 进入吸入室内，两股液体( q 】+ q 2 ) 在混合管3 中进 行能量的传递和交换，使流速、压力趋于拉平，然后，经扩散管4 使部分动能转化为压 力能后，以一定的流速由管道6 输送出去1 7 j 。 。 + j q l 。_ j j 二一万一j 了，一，一f 一j q i + q 一2 ， 。一t 一，。一u 。一。一一。一。| i 一一1 水池 崖、 射流泵工作时要有高压水源，使喷嘴处产生高速水流，通过虹吸现象使吸入室产生 真空，将低处的水吸入水泵内，再启动水泵。射流泵应连接于水泵的最高处。在丌启射 流泵静，要把水泵排水管上的闸阀关闭。射流泵具有结构简单、占地少、安装容易、工 作可靠、维护方便等优点，是一种常用的引水设备，适合井下排水设备使用。 2 2 3 离心式水泵的启动过程 首先检测水仓水位，当水仓水位到达设定的高水位时，接通控制射流泵的电磁阀的 线圈，开启射流泵，为离心式水泵进行注水。在射流泵的作用下，水泵入口处的真空度 会增加，配水井中的水会在大气压的作用注入离心泵的腔体直至注满，当水泵入口处的 真空度达到要求后( 水泵入口处的真空度增加到一定的数值时不会再继续增加) ，接通 水泵机组中的电动机触点来启动水泵。 在电动机启动的过程中，水泵出口处的压力会逐渐增加。最后会达到某一数值( 通 l l 太原理i ：人学硕十研究生。学位沦文 常为该离心式水泵的堵转水头) 而不再增加，达到预先设定的压力值后，为该水泵丌启 其出口处的电动闸阀，使得这个水泵机组进行排水。同时，关闭射流泵，停止为其引水。 2 2 4 离心式水泵的停机过程 水位在水泵的作用下逐渐下降，直到达到需要关闭水泵的水平，这时要先关闭排水 管的电动闸阀，随后关闭水泵电机，使其停止工作。 2 3 排水监控系统的总体控制要求 排水监控系统在控制方式上分为自动和手动检修两种方式。自动时，不需要人员参 与，由监控系统检测水位、压力、流量及有关信号，自动完成各泵组运行；手动检修方 式为故障检修和手动试车时使用，维修工人可操作任一水泵电机、电动闸阀、电磁阀的 丌关，解除相互闭锁关系。当系统故障时，全部设备均为手动运行，由操作人员控制相 应按钮完成；当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其 它泵组f 常运行。泵阀故障或检修时，该台泵阀由自动工作状态中切除，故障排除或检 修完成后，手动试车，确认无故障后，即可参与整个自动轮换工作。 同时，排水监控系统的控制还要按照以下几种原则进行陋19 1 。 2 3 1 水位自动监控原则和“避峰就谷 原则 水位自动监控环节的任务是根据水仓水位的高低自动准确发出丌、停水泵命令，及 时把水排出。“避峰就谷”环节的设计是为了使排水系统节能，尽量减少耗电费用。所谓 “避峰就谷”是指调度水泵在用电的“谷段”和“平段”时间段工作，尽量避免在“峰段”启动。 用电的“峰段”、“平段”、“谷段”是由供电部门统一划定的，并按不同的时间段以不同 的电费价格收取费用，“峰段”最高、“平段”次之、“谷段”最低。在该环节中要确定开启 几台水泵。 2 3 2 水泵和排水管路的轮换工作原则 为了防止因备用泵或备用管路长期不用，而使电机受潮或有其他故障而未被发现， 当紧急情况需要投入，而不能投入，以至影响矿井安全，控制系统按“轮换工作制”来设 计，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。本自动控制系统根 掘水泵和管路的使用次数和使用时间综合分析，自动按一定顺序轮换丌启水泵和使用管 1 2 太原理i ：人学硕十研究生学 7 ：论文 路。当某台泵或其所属阀门故障或检修时，以及某趟管路漏水时，系统发出警报，同时 该泵或该趟管路退出轮换，其余各泵及管路仍按轮换工作制运行。在该环节中要确定丌 启哪一台或哪几台水泵。 2 3 3 故障监测和保护原则 水泵电机容量大，耗电量高，属一级负荷。因此，对排水设备自动控制系统的安全 性、可靠性要求较高。系统要设有以下几种保护： 过流、低电压、漏电保护：通过接在电机电源主回路罩的电量监测模块可以测量 出电机电流、电压、功率等，把这些数值通过通信接口传输到计算机，出计算机判断电 动机工况。当出现故障时，控制相应的执行机构或保护装置动作，并故障报警； 超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度，电机温度超出允许值时，通 过温度保护控制使水泵停车； 漏水保护：每台水泵均安装有真空度压力表，如在规定的注水时间内系统仍未收 到真空度达到规定值的信号，则停止启动本台水泵，转为启动下台水泵，并发出故障报 警信号； 流量、压力保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通 过流量、压力保护控制使本台水泵停车，转为启动下台水泵。 故障报警采用声光报警相结合的方式，在上位机上设置故障点光i ：久j 报警，另外，还 要安装一个警铃。为了避免警铃频繁响起时，井下工作人员不必要的惊慌，只在发生重 大故障，需要立即排除或者提示工作人员时，爿启动警铃报警，比如，当所有水泵都启 动工作，但水仓水位依然快速上涨时。一般情况下，只启动光闪报警。 太原理t 火学硕十研究生学 7 ：论文 第三章虚拟仪器简介 3 1 虚拟仪器的基本概念 2 0 世纪7 0 年代术，在美国应用研究实验室( a a p p l i e dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 里，产生 了v i 概念的雏形，这罩的v i 是v i r t u a li n s t r u m e n t 的简称，即文题所述的虚拟仪器。迄今 为止，尽管对虚拟仪器还没有统一的定义，但是般认为：虚拟仪器是在p c 基础上通过 增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的、可以重用的测试仪器系统【2 0 1 。 和传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可 操作性好等明显优点，它可以充分利用计算机的运算、存储和显示功能，在降低仪器成 本的同时，使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高，可以更方便的组建测试系统，更 好的满足多种测量要求。同时，新型笔记本电脑的出现又把虚拟仪器的便携性和强大功 能推向一个新的水平。 目前，作为现代仪器仪表发展的方向，虚拟仪器已迅速发展成为一种新的产业。美 国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国。到1 9 9 6 年，虚拟仪器已在仪 器仪表市场中占有1 0 的份额。生产虚拟仪器的主要厂家n i 、h p 等公司，目前都生产数 百个型号的虚拟仪器产品。这些产品在国际市场上有较强的竞争力，已进入中国市场【2 。 3 2 虚拟仪器的基本构成 虚拟仪器的基本构成包括计算机、硬件接口模块和虚拟仪器软件。 其中，作为虚拟仪器硬件平台的计算机，管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪 器的硬件基础，它可以是各种类型，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计 算机等。计算机在显示、存储能力、处理性能、网络和总线标准方面的发展，加速了虚 拟仪器系统的快速发展。 3 2 1 虚拟仪器硬件接口模块 虚拟仪器硬件接口模块，主要完成被测信号的采集、放大和模数转换。不同的总线 有其相应的i o 接口硬件设备，如利用p c 机总线的数据采集卡( 简称为d a q ) ，g p i b 总 l5 太原理l ：人学硕+ 研究生学何论文 线仪器，v x i 总线模块，串口总线仪器等。计算机和虚拟仪器的硬件接口模块共同组成 虚拟仪器的硬件系统。 p p c d a q 叫g p i b 仪器卜 l 计算机 l - 串口仪器 卜 一被测信号 lj 叫v x l 模块卜 jd v l 蚶m 叫r 人l1 - 关扶 图3 1 虚拟仪器的硬件系统 f i 9 3 1v i sh a r d w a r es y s t e m 各种标准的虚拟仪器总线模块各自有其特点： o d a q ( d a r a a c q u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、p c i 、 p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的 灵活性和扩展性。利用d a q 可方便快速地组建基y - i - i 。算机的仪器 ( c o m p u t e r b a s e d l n s t r u m e n t s ) ，实现“机多型”和“机多用”。在p c 计算机上挂接若二f d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器； ( 至) g p i b ( g e