（机械设计及理论专业论文）基于arm的煤矿自动排水监控系统的研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于删的煤矿自动排水监控系统的研究 机械设计及理论 温国栋 马胜利 摘要 ( 签名煌固盗 c 签一 目前，国内矿井的排水系统多采用传统的人工监测、继电器控制的方法。传统方法 设备运行的自动化程度低、可靠性较差、工人劳动强度大、应急能力不足，存在一定的 安全隐患，不适应数字化矿井发展的需要。本课题设计的自动排水系统采用嵌入式微控 制器作为就地控制系统与上位机远程监控相结合的方式，提高了工作的可靠性和稳定 性，具有运行成本低、调试方便等特点。 本文首先根据某矿井下排水的实际情况，对各种排水形式和相关设备进行了分析和 比较，选择其中一种典型的排水系统形式作为模型。根据井下排水系统的运行原理展开 研究和论证，制定了井下水位监控和水泵启动方案。在综合自动控制的相关理论和传感 器应用技术的基础上分析了排水系统中需要监控的、能够反映排水系统工作特征的关键 参数，并提出了这些参数的监测方法和这些方法的可行性。 全面分析了目前常用的微处理器和实时操作系统，详细研究了a l 洲和“c o s i i 的 性能和特点，充分利用a l 洲微处理器高性能、低功耗、低成本的优势，以及“c o s i i 可移植性好、开发成本低的优点。选用以删7 t d m i s 为c p u 的l p c 2 2 2 0 芯片作为 就地控制系统，选用“c o s i i 为实时操作系统。并根据排水系统工作方案和要求设计了 系统和接口硬件电路，完成了系统运行程序代码的编写。 应煤矿信息化发展趋势的要求，选用l a b v i e w 作为上位机监控软件，以串行通讯 协议与井下就地控制系统组成远程监控系统。从而实现工作人员能够在地面监控室轻松 了解到井下水仓水位、各排水设备工作状态等信息，实现了排水系统运行的“避峰就谷” 和水泵房的无人化值守。此项研究对矿井的安全生产、节能降耗和数字化建设等工作具 有一定参考价值。 关键词：煤矿；自动排水；水泵；舢u ；p c o s i i ；l a b v i e w 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fa r m _ b a s e dr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo f a u t o m a t i cc o a ld r a i n a g es y s t e m s p e c i a l t y ： m e c h a n i cd e s i g na n dt h e o r y n a m e：w e ng u o d o n g i n s t r u c t o r ：m as h e n g i i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 吆厶丝幻 ( s i g n a t u r e ) a tp r e s e n t ，t h em o s t 缸r l ed i a i n a g ed e v i c e si 1 1i i l l a n da r ec o n t r o l l e db yr e l a y sw i l i c h o p e r a t e db yp e o p l e ，锄dt h es t a t e so ft l l ed e v i c e sa r ew a t c l l i n gb ym a n t t l i sm e t h o do f c o n t r o l l i n gd r 血一s y s t e mh a sm 甜l yf - a u l t s s u c h 嬲，t 1 1 ed e g r e eo fa u t o m a t i o ni sl o w ；t l l e r e l i a b i l i 够i sp o o r ；t l l eq u i c kr e s p o n da b i l i t ) ，i sw e a k l y s ot l l i ss 咖si sn o tm a t c m n gt l l e d e v e l o p m e n to fd i g i t a lm i n e 1 1 1 ea u t o m a t i cd r a i l 鹄es y s t e md e s i 龃e di nt h i st h e s i s ，w m c h u s e d 廿l ee m b e d d e dm i c r o c o m r o l l e ra st 1 1 el o c a lh o s tc o m p u t e rc o m r o ls y s t e m 觚dc o m b i n e d o fp ca sr e m o t em o l l i t o r i n gm e t l l o d ，i m p r 0 v e dt h er e l i a b i l i 够a r l ds t a b i l i t ) ro ft h ej o b i th a s l o wo p e r a t i n gc o s t sa n dt h ea d v a m a g eo fe a s yd e b u g g i n g a tf i r s t ，l et l l e s i s 舡l a l y z e d 锄dc o m p a r e ds e v e r a lo fd r a i n a g ea 1 1 dr e l a t e de q u i p m e n t a c c o r d i n gt 0t l l ea c 砌s i 咖i o no fd r a i n a g ea b o u tam i n e ，m e nc h o u s e do n eo fat y p i c a lf 0 肌 o ft h ed r a i l l a g es y s t e m 嬲am o d e l s e c o n d ，i t 咖d i e d 锄dd e m o n s 僦e d 谢mm em 疵n g p r i n c i p l eo ft h eu n d e r g r o u n dd r a i l l a g es y s t e m ，l e nf o m m l a t e dm eu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e l m o i l i 硎n ga i l dp l l r n pm n n i n gp r o g r 锄b a s e do n 锄i i l t e g r a t i n go ft h er e l a t et l l e o 巧o f a u t o m a t i cc o n t r o l 舡l ds e i l s o ra p p l i c a t i o i l s ，i ta i l a l y z e dt l l ek e yp a r 锄e t e r sm u s tb em o i l i t o r e d 锄dr e n e c t i n gt l l ec h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 ed r a i n a g es y s t e m ，觚dp r o p o s e dm e t h o d so fm o n i t o r i n g t h e s ep a r 锄e t e r s 孤l dt l l ef - e a s i b i l i 哆o fm e s em e t h o d s b 嬲e do nac o m p r e h e l l s i v e 锄a l y s i sa b o mt 1 1 em i c r o p r o c e s s o r sa i l dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m si nc u r r e n t ，i td e t a i l e ds t u d i e dt l l ep e r f o m l a i l c e 锄dc t e r i s t i c so ft h ea r m 锄d 肛c o s - i i 6 删h a st h ea d v 肌t a g e so f1 1 i g l l 一p e 响加锄c e 觚i dl o wp o w e rc o s t s ，a i l d “c o s - i i b a st l l ea d v a n t a g e so fb e t t e rp o n a b i l i t ) ，肌dl o w e rd e v e l o p m e n tc o s t s ，s om et l l e s i ss e l e c t e dm e l p c 2 2 2 0 诵t ht l l ec p uo fa rm 7 t d m i - s 船al o c a lc o r l t r o ls y s t e m 锄dp c o s i ia s 仕圮 r e m t i i n eo p e r a t i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h e 、o r k 锄dr e q u e s t ，i td e s i 印e dm es y s t e m 觚dm e l l a r d 眦鹏砷- e r f 如ec i r c l l i t ，锄da c l l i e v e dm ep r o 伊a mc o d e a st h er e q u i r e m e n t so fc o a lm i l l ed e v e l o p m e n tn e n d ，l a b v i e ww 邪s e l e c t e d 硒ah o s t c o m p u t e rm o i l i t o r i n gs o f h a r e t h ep co nt l l e 伊o u i l d 谢t l lt 1 1 e l d e 唱r o u n dc o n t r o ls y s t e m m a k eu po ft l l er e m o t em o l l i t o r i n gs y s t e m a sar e s u l t ，i m p l e m e m a t i o ns t a f ri nt 1 1 eg r o m l d c o n t r o lr o o mc 锄e a s i l yu 1 1 d e r s t a n dt h ew a t e r l e v e li i lt h eu 1 1 d e 唱r o u n dw a t e rs t o r a g e 锄dt l l e d r a j n a g es t a l m si n f 0 n n a t i o nf - a c i l i t i e s ，a l s 0t h ed r a i n a g es y s t e ma c m e v e ”r e g u l a t i o na i l dp e a l 【 a v e r t i n gt h ev a l l e y ”a n dt h eu 姗籼e dp u i i l p i n gd u 够t h e 咖d y w i l lm a | ac e r t a i nr e f e r e n c e v a l u et 0t 1 1 ew o r ko fp r o d u c t i o ns a f - e 吼e n e 唱ys a v i n ga n dd i g i t a lc o n s n l j c t i o n 枇u t l ec o a l k e y w o r d s ：c o a l a u l 【od r a j n 7 乱e rp u 】 1 1 pa i i m p c o s i i l a b v i e w t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究_ 【作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：渤司聿承日期：哆，r 歹 l 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者龇也周椽指删撇：鹜硐1 a 妒7 年 月f ；日 l 1 绪论 1 1 煤矿井下排水系统概述 1 绪论 1 1 1 煤矿排水系统的作用 井下排水系统的任务就是把通过各种途径流入矿井的积水排送到地表。在煤矿地下 开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河中水的渗透，水砂充填和水力采煤 矿井的井下供水等等，将有大量的水昼夜不停地汇集于井下。如果不能及时地将这些积 水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大 事故。为了确保煤矿的安全生产，必须建立完备的矿井排水系纠1 1 。 1 1 2 煤矿排水方式介绍 由于矿井的水文地质条件不同，相应的开拓方式也不同，由此也决定了所采用排水 方式的多样性。下面介绍几种典型的排水方式。 第一种是吸入式主排水泵房。吸入式主排水泵房一般由泵房、吸水井、配水巷道、 水仓( 内仓、外仓) 和泵房通道组成。这种形式的水泵房布置如图1 1 所示。 2 1 6 5 九 1 上- 上j 1 吸水井2 配水巷3 水泵房4 变电所5 夕p 仓6 内仓 图1 1 吸入式水泵房的布置 第二种是压入式主排水泵房。这种泵房布置在比水仓略低的水平面上，利用水仓的 水压使水进泵。这样可以选用高效率、吸水高度低且无底阀的水泵，不仅减少了阻力、 降低了电耗，还实现了自动灌泵和无气蚀现象。提高了水泵工作的可靠性和使用寿命。 但由于这种水泵房通风条件较差，积水不便排除，且需专设运送设备的斜巷、分配水量 的分配阀通道等，工程量较大。所以这种布置方式目前采用不多。只有当矿井排水选用 西安科技大学硕士学位论文 高转速( 3 0 0 0 讹访) 、高扬程、大流量的水泵时，才采用压入式布置方式。在水文条 件和地质条件较好时也能选用压入式水泵房。 第三种是潜水泵水泵房。潜水泵是一种将泵体潜入水中工作的水泵，可在地面控制。 采用潜水泵排水，当遭遇水患时水泵不受淹没的威胁，可延缓矿井被淹的时间，有利于 进行排水抢险工作，具有安全性高的优点。另外潜水泵还具有不需灌水启动、易于自动 控制、系统和结构简单、维修量小、可靠性高和效率高的优点。但是，目前潜水泵作为 矿井主要排水设备还缺乏使用经验，因此在我国矿井中使用还很少，仅作为矿井被淹后 的恢复抢修工作和巷道中临时水仓的积水排除工作【2 】。 目前，在我国矿井中广泛存在和使用的是吸入式主排水泵房。因此，本文将这种水 泵房作为自动控制系统研究的重点。 1 2 国内外研究情况 井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着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展。 1 2 1 国内研究情况 ( 1 ) 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 工作。在节能增效方面，我国的广大科技工作者和工程技术人员通过提出一些可行的办 法提高了经济效益。 1 9 9 4 年兴安矿的唐又驰等人结合矿井实际建立了矿井排水系统模拟模型，并借助模 型分析了现有排水系统的合理性，还对延深水平排水进行多方案模拟，为选择最优的排 水方案提供了依据i j l 。 1 9 9 6 年邢台矿务局的张凯等人针对邢台矿第八采区内断层及节理裂隙发育、涌水量 大、水文地质条件复杂的情况，从经济技术合理角度出发，进行采区排水系统优化设计， 选择合理的方式布置采区放水巷。这对整个采区的采掘衔接和安全生产发挥了十分重要 的作用，并为煤矿老采空区水害防治提供了一条有效途径【4 】。 1 9 9 8 年鸡西矿务局二道河子矿的王桂荣和哈尔滨煤矿机械研究所的王启龙针对鸡 西矿务局设计院设计的排水系统存在的一些问题，简化排水系统、分析水泵与排水系统 的合理配置，并进行了改进，从而达到节省电能的效果，具有可观的经济效益【5 】。 邱集矿井位于山东省齐河县和东阿县境内，由种种原因，形成了边勘探、边设计、 边建设的局面。因此也造成了副井井筒断面过小，如按传统方式布置永久排水管路，井 筒断面不能满足要求。在此情况下，煤炭部兖州设计研究院的李树仁借鉴了德国西马克 公司在摩洛哥王国杰拉达煤矿三号井井简装备设计中，利用井壁固定永久管路的设计技 术，成功地在邱集副井净径仅为4 5 m 、装备一对l t 矿车双层罐笼、并设有梯子间的情 2 1 绪论 况下，布置下了4 趟d n 3 2 5 的排水管1 6 j 。 新汉矿务局潘西矿的闰家华针对该矿原排水设备老化、效率低、排水能力小，已无 法满足矿井抗灾能力要求的现状，对矿井排水系统进行了改扩建设计，主要内容如下：1 合理选择工况点；2 采用新型高效泵：3 斜井采用钻孔立管排水；4 采用无底阀排水；5 采用多管路并联排水。由于该设计合理选择主排水设备，使水泵在合理的工况区内运行， 并采用了新型高效泵，斜井采用立孔排水、无底阀排水、多管路并联排水等方法，系统 改造后，不仅节电取得明显效果，同时也提高了矿井的抗灾能力，有利于矿井的安全生 产【7 1 。 2 0 0 3 年郑州煤炭设计研究院的张朝晖从安全、经济运行的角度出发，对排水设备效 率进行了分析，提出排水设备选型中，应在保证水泵不气蚀的前提下，以水泵效率与管 路效率乘积最大时为排水设备最佳运行点嗍。 ( 2 ) 在排水系统的控制方面，国内虽然仍存在一些问题，但也取得可观的成绩。 目前国内各矿井多采用传统的继电器控制方法，用人工进行检测( 如人工检测水仓水 位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等) ，这种检测控制方法效率低，工人劳动 强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较耐乒1 0 】。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭 发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。达到智能化控制阶段的排水系统，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应用到设计当中，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。国内的一些研究人员正是看到了自动化排水系统良好的发展前景，对 其进行了深入的研究开发。 1 9 9 7 年辽宁工程技术大学的付华等人介绍了一种新型的矿井排水计算机自动控制 系统。由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统，特别是在管道和水泵 等环节中，各变量之间又存在着交叉藕合，因此矿井排水系统非常适合于采用模糊控制 的方法进行动态监测和故障诊断。该系统采用先进的集散式控制方式，建立了多级模块 化的结构体系，提出了多参数的模糊综合决策方法【l 。 2 0 0 2 年煤炭工业邯郸设计研究院的王孝颖和兖矿集团鲍店煤矿的张丰敏等人提出 采用p l c 自动检测水仓水位和其它参数，根据水仓水位的高低和矿井用电信息等因素， 建立数学模型，合理调度水泵运行，达到避峰就谷及节能的目的。介绍了p l c 在岱庄 煤矿井下主排水控制系统的组成系统的功能和特点及应用状况【1 2 】。 国内也有部分煤矿意识到这个问题，尝试采用己研发的自动控制排水系统。经查阅 有关报道发现，由于所采用的自动排水系统与矿井实际情况相脱节，以及系统本身存在 某些缺陷，导致排水设备运转不理想，甚至不如人工控制效果好。国内少数安装了自动 排水设备的矿井均己将其拆除或闲置，转为人工操作，造成极大的浪费。因此需要针对 3 西安科技大学硕士学位论文 国内外研究现状，结合并下实际情况研制出种运行可靠性高的自动化排水系统，将其 纳入整个矿山自动化体系之中。 1 2 2 国外研究情况 俄罗斯的科研人员对矿井排水的各个方面进行了大量的研究。 为了提高矿井排水设备运行的经济性，必须对水泵的使用期和管道的清理周期进行 优化。俄罗斯国立莫斯科对外开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。详细介绍了 优化式的求解程序、有关参数的计算方法，以及不同使用期的水泵实际流量的测量方法 等。论文中推荐的优化方法即使在通货膨胀条件下仍能保持其正确性，因此具有实用价 值1 1 3 】。 矿井排水设备是矿山企业主要的用电设备之一。节能技术的运用方针要求在排水设 备的设计和使用阶段要都进行能耗估算。俄罗斯莫斯科对外开放大学技术科学副博士 b b ，马祖连科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。并以北乌拉尔铝土矿和斯塔哈诺夫煤炭生产联合公司为 例，具体介绍了几种工况点经修正后的离心泵能耗估算情况【1 4 】。 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中方面，取得了突 飞猛进的成就。加拿大提出了数字化矿山的概念，建立综合信息基础框架，使全体开采 过程与集成化支持系统连成网络。大力发展生产监控方面的传感器技术，减小排水设备 的自动控制和监测的误差。芬兰采矿工业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【l5 1 。 虽然这些国家没有将排水设备的自动化单独进行研究，但他们将这一方面的内容列 入了矿山整体自动化的规划之中，将所有的控制信息包括水泵的运行都集中送给中心控 制室，进行统一控制。无论是发展传感器技术，还是建立统一的通信网络，都关系到自 动排水系统的发展。 1 3 选题的目的和意义 1 3 1 井下排水系统存在的问题 目前，我国大多数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， 以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站设 备的启停操作和状态监测，包括射流泵( 或真空泵) 的开启与关闭、真空表示数的观测、 4 1 绪论 水泵机组的启动与停止、水泵出口压力表示数的观测、闸阀的开关过程，完全依赖于工 人的经验和已有的操作规程。 因此，现有井下排水系统存在的主要问题在于：对人的依赖性太大，不适合矿井现 代化的要求；操作工序复杂，工人的劳动强度过高；存在安全隐患，容易损坏某些部件； 控制的主观性太强，不利于降低煤矿企业的运行成本。 国内的科研工作者在理论研究和设计方面也作了大量的工作。结合离心式水泵特性 研究的多种控制方法在不同地区得到应用。尽管取得了很多成果和一些进步，但仍存在 有待解决的问题和不足。 ( 1 ) 排水系统不能集中监控是矿井普遍存在的现实难题。煤矿设备监测在煤矿安 全生产中有着极其重要的意义。现有矿井监测系统软件均是与系统配套开发而成的，而 这些系统均是针对某一特定的监控对象( 瓦斯监测、提升运输、供电系统等) 而开发，其 监控软件互不兼容，难以通用，更难以实现集中综合监控。而排水系统的远程集中监控 几乎更是国内空白。目前，矿井监测软件系统中对信息的处理，大量采用数据及表格的 形式，很难形象、动态而直观地显示出被监测对象的实际工作状态。 ( 2 ) 控制策略问题。矿井涌水是复杂的现象，受多种随机因素的影响，很难准确 预测。所以，根据涌水量大小建立排水系统数学模型，并选择合适控制策略很困难。因 此，现有的自动排水系统多是采用简单的水位开关控制方法，使问题简化。在处理复杂 的排水问题时，这种控制方法显然不能满足需要。 ( 3 ) 排水系统工作过程中，需要进行监控参数的数量的确定。传感器技术发展极 为迅速，适用于煤矿井下的传感器的种类和性能也得到了扩展和提高，在自动控制系统 中传感器的使用的数量也在不断地增多。但是实际生产中传感器使用的数量提高了安装 工作量和安装难度，并且使系统监控方案也更为复杂。因此制订合理的参数检测方案， 减少传感器使用数量极为重要。 1 3 2 选题的主要意义 ( 1 ) 煤矿水害是煤矿生产五大灾害之一。长期以来，煤矿水害给国家和人民带来 的人身伤亡和经济损失极为惨重。据不完全统计，在过去的1 0 年里，共发生各类矿井 水害事故1 4 0 0 余起，死亡近6 0 0 0 人，经济损失高达3 5 亿元人民币。其中作为中国主 要煤炭生产基地的华北、华东地区受水害威胁的煤炭资源占已探明资源量的2 7 。排水 系统的操作运行仍然是制约排水系统工作效率的主要因剥1 6 1 。传统排水方式设备运行的 自动化程度低、可靠性较差、工人劳动强度大、应急能力不足等问题始终是系统运行安 全隐患的本质所在，因此把先进的检测技术和自动控制原理应用于煤矿排水实际取代传 统的人工检测、继电器控制具有非常重要的实际意义。 ( 2 ) 传统的人工检测、继电器控制方法中，需要人工定时对水泵房进行巡视，人 5 西安科技大学硕士学位论文 工检测水仓水位，并且手动开启和关闭各排水设备，不仅要投入较多人力，井下水泵房 和水仓的工作环境也比较恶劣。本课题所研究的自动排水系统能够实现水泵房的无人化 值守，只在井上监控室对排水系统运行进行监测，减少了工人上下井的次数，改善了工 人工作环境。 ( 3 ) 在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的1 8 4 1 ，一般 为2 0 左右【1 7 】。因此，井下排水设备运转的可靠性与经济性，有很大的提高空间。据统 计，水泵房采取节能的排水方法，一年可以减少用电几百万度，直接节省开支几十甚至 上百万元。在实现水泵房无人职守，减少人员巡检并实行地面监控的情况下减少水泵房 的人员投入、改善工人工作环境的同时，再考虑到由于排水系统监测环节的完善进而延 长设备使用寿命、减少由于检查修理设备而延误的产值和花费的人力物力，本课题的经 济效益和社会效益将更加可观。 1 4 本课题所做的主要工作 针对目前国内煤矿中排水系统存在的问题和不足，本课题提出了用成熟的传感器水 位检测技术代替传统的人工检测，用嵌入式控制系统代替目前存在的继电器控制系统， 用现代化的通讯技术和虚拟仪器技术实现各排水系统的集中控制和远程监控。本课题研 究的主要内容为： ( 1 ) 据某矿井下排水实际情况，对各种排水形式进行分析和比较，选择典型的排 水系统形式作为模型，对排水系统中所使用到的设备的功能进行了分析。根据井下排水 系统的运行原理展开研究和论证，分析排水系统中可以实现自动化的环节和这些环节实 现自动化的方法。根据煤矿排水实际工况和安全节能的生产原则，制定井下水位监控和 水泵启动方案。 ( 2 ) 根据自动排水系统工作原理分析排水系统中需要监控的、能够反映排水系统 工作特征的关键参数。综合自动控制的相关理论和传感器应用技术的基础上，提出这些 参数监测方法，对各种使用到的传感器进行性能的比较和选择，并对其中一些传感器的 检测原理进行分析。 ( 3 ) 对嵌入式系统从概念、特点和用途方面进行介绍。对目前常用的嵌入式处理 器进行分析比较，最终确定选用的嵌入式处理器芯片的型号。对嵌入式控制系统的工作 系统进行设计，包括电源电路、复位电路和晶振电路；存储器( f l a s h 和s d ) ； u 舢玎接口电路；j t a g 调试接口电路的设计。以及本系统相关的模拟量出入模块( a d 转换模块) 电路设计和开关量输出模块( g p i o 模块) 电路设计，以及管脚的分配。 ( 4 ) 对嵌入式操作系统的结构和特点进行分析，对目前几种常用的实时操作系统 从各方面进行分析比较，最终选定一种源码公开、内核较小的实时操作系统。研究此操 作系统的性能优势和向目标板的移植方法。介绍集成开发环境和仿真调试软件。根据本 6 l 绪论 排水系统工作方案和运行设备运行监测要求编写系统运行程序。 ( 5 ) 选用l a b v i e w 虚拟仪器作为上位机监控软件，根据本系统远程监控要求对系 统远程监控界面和通信模块进行编程。并模拟煤矿排水实际搭建了试验台，通过在实验 台上运行程序，验证了本系统基本能够实现煤矿排水的自动控制和远程监控。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 自动排水系统的构建及其工作原理 2 1 排水系统整体架构 本系统以某矿为例采用五个主排水泵( 两用两备一检修) ，每台水泵配套启动电机， 入口处启动抽真空用射流泵，出口处配置闸阀。三趟排水管路。采用液位传感器实时监 测水仓水位采集水位信号；水泵启动时采用负压传感器检测真空度；水泵出口处采用压 力传感器检测压力。水泵和电机运行状态检测( 电机电流、电机温度) 利用温度传感器 检测采集运行状态信号。水泵出水管路上采用流量传感器检测管路中排水流量。嵌入式 控制系统根据液位信号和电网时段决定是否启动或停止水泵以及启停数目，同时控制射 流泵和闸阀的启闭，并根据水泵和电机运行状态控制电机是否退出运行。水泵房排水管 路如图2 1 所示。 c山闸二惭闸二刖闸二l 器 弋k 阿) 弋 陌1 k 一 x 一 l 号泵 2 号泵 3 号泵4 号泵5 号泵 一水位4 一水位3 一水位2 一水位1 u_ jljl _ ju_ jl- j 图2 。l 水泵房排水管路示意图 2 2 煤矿井下排水实际工况 2 2 1 矿井排水装置的组成与特点 吸入式水泵房的排水装置一般采用离心式水泵。离心式水泵排水系统主要由离心式 水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成，如图2 2 所示。 8 2 自动排水系统的构建及其工作原理 1 水泵2 电动机3 放水管4 吸水管5 滤水器6 闸阀7 静压水管8 真空表9 压力表l o 射流泵 图2 2 离心式排水设备示意图 ( 1 ) 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o 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。 ( 2 ) 闸阀：闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，其功用为： 调节水泵的流量和扬程； 水泵启动时将它完全关闭，以降低起动电流； 停泵时它首先关闭，可以防止“水锤”对水泵的伤害。 ( 3 ) 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注满水才能进 入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。在 无底阀排水系统中，水泵每次起动都要向水泵和吸水管中灌引水，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，保证系统正常工作。 离心式水泵的注水环节多采用射流泵来实现，这种泵是利用水射流的原理，在水泵 泵体中建立负压，这时大气压将水仓的水井中的水压入水泵的泵腔。这种泵具有效率高、 节省能源等优点。 ( 4 ) 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。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，用于检侧水泵入口的真空度。真空表的测量范围 为0 o 1m p “一个大气压) 。 9 西安科技大学硕士学位论文 另外，矿井排水系统在组成和选型上又有一定的特点： 酸性矿井水对金属具有腐蚀破坏作用，所以井下排水设备的钢铁零件，一旦遇到 酸性矿井水时，将会很快遭到破坏。因此，当p h 值小于5 时，就必须采用耐酸泵等防 酸措施。 矿井排水系统周围有高浓度易燃易爆气体，矿井排水系统中的各个部件都应选择 隔爆的电气元、部件。 矿井排水系统处于湿度大、检修不便的环境条件下，电动机、继电器等电器元件 应该选择防潮效果好、安全级别高的产品【】引。 2 2 2 水泵排水过程 煤矿井下排水系统的工作过程较为复杂，尤其是对于多台水泵的控制，水泵启停数 目的判断和启动时间段的判断等等。但是对每台泵组而言只有启动和停止两个过程。 ( 1 ) 泵组的启动 水位上升达到警戒水位； 开启射流泵对离心泵的泵腔抽取真空； 真空表示数达到规定值( o 0 8 m p a ) ，启动水泵的驱动电机； 离心式水泵出口处压力表示数到达规定值( 1 5 m p a ) ，系统操纵闸阀缓慢打开， 并关闭射流泵。 ( 2 ) 停泵 水位达到水位下限，或其他原因需要停泵； 慢慢关闭闸阀，使得水泵进入堵转状态； 切断电源，停止电动机。 在水泵启动和停止过程中需要注意： 水泵电机启动后，电动机达到正常转速时，再慢慢打开闸阀，此时电流表和真空 表的读数应该逐渐增加，而压力表的读数应该逐渐变小。 为避免水泵发热，在关闭闸阀时的运转不能超过3 分钟。 启动后几分钟，须检查水泵和电动机的电流和温度，当某一部件温度或电流很高 时应立即停泵查明原因。 2 3 自动排水系统的构建 由于煤矿井下环境比较恶劣，这对煤矿排水系统的可靠性和使用寿命等方面提出要 求，煤矿井下排水泵房必须要实现无人值守的情况下实现自动化排水。为达到这个目的， 本课题依据控制理论、各种仪器和设备条件，充分分析排水过程中可以实现自动化检测、 控制的环节的基础上设计和组建自动排水系统。 1 0 ：22 兰銮至兰氅塑薹墨量三竺兰： 2 3 1 自动化工作环节的实现方法 本自动排水监控系统可概括为五个环节：即水位自动监测环节、自动注水环节、闸 阀自动操纵环节、故障保护环节及电动机的自动控制环节。 ( 1 ) 水位的自动监测与反馈：水位检测环节的任务是根据水位的变化自动准确向 控制系统反馈当前检测的水仓水位。液位传感器的可靠性和准确性直接影响整个控制系 统的工作可靠性。可以选用的液位传感器有两种。第一种是超声波液位传感器，第二种 是投入式液位传感器。前者具有高精度、非接触式、非机械型、维护方便、安装容易、 标定简单等许多优点。后者的特点是价格低廉。 ( 2 ) 自动注水：水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部在叶轮旋转 的情况下才能造成必要的真空度实现正常排水。若真空度不够，泵内有空气存在将会造 成不上水和转动部件烧坏等故障。因此系统一般采用射流泵或真空泵抽取真空再由真 空表监测真空度，当真空值达到要求时再开肩驱动电机。本系统采用射流泵作为抽真空 设备。射流泵的射流原理对水流的速度有很高的要求，而基于射流泵的自动捧水系统真 空引水装置的自动化是一个难点。广泛使用的电磁阀由于先天设计和技术上的原因，难 以克服流量小的缺点。 射流泵专用液动球阀是根据自动排水系统的要求，最新开发出来的一种高流量系 数、高可靠性的，特别适用于自动排水系统的自动阀门。尤其适用于地理位置较近的同 一个泵房内的多台射流泵。其体积与常见的“射流泵总成”上标准配置的手轮截止阀相 近，重量也很轻，不会增加射流泵管路的重量负担，而且能同时实现手动操作和自动操 作。其外形结构如图23 。 囤23 ( a ) 射流泵专用渡动球阀外形 图23 ( b ) 射流泵专用液动球阀结构图 ( 3 ) 闸阀操纵：为减小启动功率，水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水 西安科技大学硕士学位论文 闸阀启动，而当水泵停车时，为避免“水锤”事故，必须先关闭闸阀，缓慢减小流速，最 后停车。为实现闸阀的自动动作，必须采用适台井下使用的自动闸阀。目前，在相关领 域的研究中，以电动闸阀为主。但电动闸阀在使用中有以下问题：体积和重量庞大，_ 丁= 关闸阀的速度难以调节和控制。 本文选用了一种新型的利用油缸的直线运动直接驱动闸阀，并利用液压调速理论对 闸阀的运行速度进行无级调节。其优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性， 能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。本闸阀特别适用于：在多个阀门集中的供用 水 泵房或系统。外形结构如图2 4 所示。 堂 凹2 4 ( a ) 缸控闸阀结构图 瞄24 ( b ) 缸控闸阀外形图 ( 4 ) 故障保护 流量保护：当水泵启动后或正常运行中，如果水泵流量达不到正常值，流量保护 装置使本台水泵停车，并反馈给控制系统，系统转为启动另一台水泵； 电动机故障：水泵电机欠压、过流、短路等故障，由高压开关柜的综合保护器提 供反馈监视信号给控制系统，系统经判断停止故障泵组； 自动闸阀故障：自动闸阀配套液压系统上的流量表和压力表结合水泵出口流量保 护装嚣的信号，由控制系统判断自动闸阀的运行状态。 2 3 2 自动排水系统的构建 自动排水系统是利用a r m 7 嵌入式微控制嚣的、串行口、a 巾、d a 片内和外 设存储功能、强大的编程运算功能和工业控制功能与电气回路的硬件功能相结合来取代 传统的人工排水装置中需要人工判断和干预的操作。自动排水系统的工作过程与人工排 水系统的工作过程在语占描述上比较繁琐。但是，这些对于能够嵌入操作系统的a r m 7 ，籍心r 羽& 蛙釜 紊 2 自动排水系统的构建及其工作原理 微控制器而言是非常容易实现的。控制系统示意图如2 5 所示。 烈年 闸阀l ”、“一 瓶厂 井下水仓黼a 州7 嵌入式 j 监控系统 真 空 度 芝翥嘉妻尹1 l 排水管 ( 射流泵) | l “”。 水泵电机 主抽水泵 图2 5 控制系统框图 为实现自动排水系统的远程监控，还需在实现就地自动排水系统的基础上利用现代 化科学手段来装备该系统，实现由煤矿地面监控室统一监测、收集、显示井下泵房内的 各种数据，统一控制排水泵及其它自动化设备的启停过程。排水系统网络结构如图2 6 所示。 图2 6 排水系统监控网络结构图 2 3 3 自动排水系统的工作原理 ( 1 ) 水泵的启动。水位传感器在线检测到水位的高度，嵌入式控制系统接收到这 个水位的高度并与预先设定的需要排水的高度进行对比，判断是否需要开启水泵来控制 水仓水位在允许的范围内。 1 3 燮一飞 西安科技大学硕士学位论文 当水位达到或者高于预先设定的高度时，嵌入式控制系统输出i o 信号接通控制射 流泵的电磁阀的线圈使其开启，从而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下注入离心泵的腔体直至注 满。这时水泵入口处的真空度会增加到一定的数值( 如o 0 8 5 m p a ) 而不会再继续增加。 这时，嵌入式控制系统会接收安装在水泵入口处的真空表反馈的信号，来决定是否启动 水泵。当真空度的数值达到预先设定的数值时，控制系统通过继电器和接触器接通水泵 电动机的常开触点使其运行。在电动机启动的过程中，水泵的出口处的压力会逐渐增加。 最后会达到某一数值( 通常为该离心式水泵的堵转水头) 而不再增加。 ( 2 ) 水泵的运行。水泵出口压力通过压力传感器和变送器反馈给嵌入式控制系统。 嵌入式控制系统将这个反馈回来的数值( 电流信号) 与预先设定的压力值进行比较，当 满足条件时，接通电磁换向阀，从而为该水泵开启其出口处的闸阀，使得这个水泵机组 进行排水，同时关闭射流泵。 水泵运行过程中，嵌入式控制系统根据各路传感器传送回来的信号监控水泵机组的 各个参数，如：水泵入口真空度值、出口压力值、电动机电流、转速，流量计测得的管 路流量等参数的数值及其变化过程是否正常。 ( 3 ) 水泵的停止。 水泵的停止分为两种情况： 第一种情况是属于正常停止。水仓水位在水泵抽水的过程中逐渐下降，直到水位降 到安全水位以下。这时，系统根据水位信号开始关闭排水设备。首先，系统输出开关信 号使电磁换向阀断电换向，缸控闸阀开始关闭，水泵出口处的压力逐渐上升，这个上升 趋势会一直持续到闸阀完全关闭。当闸阀完全关闭时，系统向水泵电机继电器的常开触 点输出i o 信号，使其断电，停止工作。 第二种情况是非正常停止水泵。这种情况主要是指水泵房的排水设备发生故障的时 候，例如系统根据监控的设备运行的状态参数判断某台泵组设备运行异常，需要立即停 泵检查，则系统应迅速做出判断，停止该水泵设备的运行。首先应立即控制液压缸控闸 阀的电磁换向阀断电换向，关闭闸阀。此操作是避免泵组突然停止运行，排水管路中的 水倒流形成“水锤”，突然冲击水泵而发生“坐泵”危险。 2 4 水位监控及水泵启动方案 为满足煤矿井下排水的特殊要求，并且能使系统用电达到“避峰就谷”的目的。现制 定水泵启动方案如下： 首先，根据煤矿当地涌水量把水仓水位自下向上分为四条水位线，水位2 以下为安 全水位；水位2 到3 之间为低警戒水位；水位3 到4 之间为中等警戒水位；水位4 以上 为高警戒水位。 1 4 2 自动排水系统的构建及其工作原理 当水位达到水位2 时，若处于低计费时段，可以立即启动，若处于高计费段，则暂 缓启动； 当水位继续上升至水位3 时，则不论电网如何，必须启动水泵； 当水位继续上升至水位4 时，则表明一台水泵的排水量已不足于排除矿井涌水，必 须启动第二台水泵，两台水泵一齐排水。 若排水过程中某台泵组因状态异常退出运行，自动开启另外一台水泵。 当遇到紧急情况，如煤矿大量涌水( 水位上升速度过快) ，无论电网如何，开启两 台工作水泵，同时开启两台备用泵，四台或五台水泵同时排水，以便为工人逃生争取时 间。 不论投入几台泵，水位必须下降到水位1 方可停泵。上述水位l 至水位4 均由超声 波液位传感器或投入式液位传感器进行实时检测并将模拟信号送入嵌入式控制系统。 2 5 系统工作模式 本系统设计时根据煤矿实际情况采用手动和自动控制两种模式。用户可以在就地控 制箱完成对水泵运行方式的设定。 ( 1 ) 自动工作模式：自动排水系统根据水位信号、水泵运行状态等信号自动控制 水泵启停及开启数目，实现水泵房无人化值守和远程监控。 ( 2 ) 手动工作模式：用户在就地控制箱完成对单台水泵的操作，该控制方式主要 方