（检测技术与自动化装置专业论文）煤矿井下排水自动控制系统的研究与开发.pdf

太原理1 = 大学硕士研究生学位论文 煤矿井下排水自动控制系统的研究与开发 摘要 现阶段，煤矿安全问题在我国日益显得突出。煤矿井下排水系统作为 煤矿生产中的主要工作系统之，在煤矿安全问题中占有重要地位。矿井 涌水如果不能及时排出，将对煤矿生产和工作人员构成巨大威胁。排水系 统是煤矿生产的耗电大户，如果有效地控制排水系统，使其高效低耗、经 济可靠地运行，也是降低煤炭生产成本的有效途径。另外，矿井涌水合理 有效的排放，对解决许多煤矿缺水的问题也有重要的意义。 当前以微处理器为核心的可编程序控制器( p l c ) 控制己逐步取代继电 器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。但在煤炭行业，由于井 下运行环境恶劣，应用印较少。目前国内煤矿井下排水系统仍多采用继电 器控制，水位的监测，水泵的开停及选择切换均由人工完成。这种系统装 备落后、操作复杂、运行不可靠、工人劳动强度大，严重影响井下排水系 统的管理水平和经济效益的提高。 本篇论文结合当前优秀的工业控制技术，研究开发出了适合我国煤矿 井下排水的自动控制系统。采用三菱的f x 2 n 系列p l c 作为中心控制单元，并 扩展了必要的数字量输入模块，模拟量输入模块和通信模块。设计有自动、 半自动、手动三种控制方式，可以自由切换。自动方式下，实时测量水仓 水位，根据水仓水位的变化及变化速度，并充分考虑“避峰就谷”的原则， 自动判定启动水泵的时间和台数，在保证安全的基础上，尽量减少耗电费 用，以达到煤矿生产的经济高效。采用均匀磨损的原则和为了防止某台水 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 泵或管路长期不用导致受潮锈死，设计有水泵和管路的轮换工作制，使每 次启动时，总是开启运行时间最少的水泵和管路。 系统设计有丰富的故障监测和保护功能。采用性能优良的智能电量监 测模块y d 2 0 1 0 实时监测水泵电机的各个电量参数，该模块通过m o d b u s 协议 和p l c 扩展的r s 一4 8 5 接口通信。通过编写模拟m o d b u s 协议程序实现p l c 和五 个电量监测模块之间的一对多的电量数据采集，并经过必要的数据换算得 到真实的电量值。 p l c 通过转换接口f x - 2 3 2 h w c ，把它的编程口和上位机连接通信。把系 统状态数据实时传送到上位计算机，并接受上位计算机的控制命令，对系 统进行控制。 论文最后对p l c 控制系统的可靠性设计提出了一些方法和建议。 关键词：矿井，p l c ，排水系统，自动控制，可靠性 太原理t 大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o ft h e c o a lm i n ed r a i n a g e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h es a f e t yo ft h ec o a lm i n ei ss t a n d i n go u ti n c r e a s i n g l yi no u r c o u n t r y t h ec o a lm i n ed r a i n a g es y s t e mi so n eo ft h em a i nr u n n i n gs y s t e m so f t h ep r o d u c eo ft h ec o a lm i n e ，a n di th a sa l li m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h es a f e t y p r o b l e mo ft h ec o a lm i n e i ft h em i n ew a t e ri s n tp u s ho u ti nt i m e ，i tw i l l t h r e a t e nt h ep r o d u c eo ft h ec o a lm i n ea n dt h es a f e t yo ft h ew o r k e r s t h e d r m n a g es y s t e mi so n eo ft h em o s tp o w e re x p e n d i t u r es y s t e m si nt h ep r o d u c eo f t h ec o a lm i n e i ft h ed r a i n a g es y s t e mi sc o n t r o l l e de f f e c t i v e l y , a n di tb e c o m e sa h i g h p e r f o r m a n c e ，l o w p o w e rd i s s i p a t i o n ，o e c u m e n i c a l ，r e l i a b l es y s t e m ，i tw i l l e c o n o m i z et h ec o s to f t h ep r o d u c eo f t h ec o a lm i n ee f f e c t i v e l y i na d d i t i o n ，i f t h e m i n ew a t e rc a nb ep u s ho u ti nr e a s o na n de f f e c t i v e l y , i tm a ys o l v et h ep r o b l e m w e l lt h a tm o s tc o a lm i n e1 a c kw a t e r , t h ec o n t r o lo nt h eb a s i so ft h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rt h a tr e v o l v e s a b o u tt h em i c r o p r o c e s s o ri sr e p l a c i n gt h ec o n t r o lb a s i n go nt h er e l a y , a n di ti s b e i n ga p p l i e du n i v e r s a l l yi nt h ef i e l do f a u t o c o n t r o lo f e v e r yw a l k o fl i f e b u ti n t h ec o a li n d u s t r y , i ta p p l i e sv e r yl i t t l e ，b e c a u s eo ft h er u g g e de n v i r o n m e n ti nt h e m i n e a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h em o s tc o a lm i n ed r a i n a g es y s t e ms t i l lu s et h e c o n t r o lb a s i n go nt h er e l a yi no u rc o u n t r y , a n dt h em o n i t o r i n go ft h ew a t e rl e v e l ， t h et u r n i n go na n do f fo ft h ep u m p ，t h es e l e c t i n go ft h ep u m pa r ca l lm a n i p u l a t e d b yt h em a n p o w e r i nt h e s es y s t e m s ，t h ee q u i p m e n t sa r el a g g a r d ，a n dt h e m a n i p u l a t i o ni sc o m p l i c a t e d ，a n dt h er u n n i n gi su n r e l i a b l e ，a n dt h ew o r k e r s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n t e n s i t yo fl a b o ri sv e r yh e a v y t h e s ef a u l t sc o n f i n eg r i e v o u s l yt h eh e i g h t e n i n g o ft h ec o n t r o ll e v e la n dt h ee c o n o m i cb e n e f i to ft h em i n e d r a i n a g es y s t e m c o m b i n i n gt h ec u r r e n te x c e l l e n ti n d u s t r i a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h i sp a p e r r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ec o a lm i n ed r a i n a g ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf i t t i n gt h e p r a c t i c a ls i t u a t i o no fo u rc o u n t r y i t sc e n t r a lc o n t r o lu n i ti sm i t s u b i s h if x 2 n s e r i e sp l c ，a n di te x p a n d st h en e c e s s a r yd i g i t a lq u a n t i t yi n p u tu n i t s ，t h ea n a l o g q u a n t i t yi n p u tu n i t s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nu n i t s i td e s i g n st h r e ec o n t r o l m o d e s ：a u t o m a t i o n ，h a l f - a u t o m a t i o n ，m a n i p u l a t i o n t h e s et h r e em o d e sc a nb e s w i t c h e df r e e l y i nt h ea u t o m a t i cm o d e ，i tm e a s u r e st h ew a t e rl e v e lo ft h es u m p i nr e a lt i m e a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n ta n dt h em o v i n gs p e e do ft h ew a t e r l e v e lo ft h es u m p ，a n dt h ep r i n c i p l eo f 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 ， i td e t e r m i n e st h et i m eo ft u r n i n go nt h ep u m pa n dt h en u m b e ro ft h ep u m pt h a t w i l lb et u mo n o nt h eb a s i so ft h es a f e t y , r e d u c ei t sp o w e re x p e n d i t u r ef o r m a k i n gt h e c o a lm i n ep r o d u c ee c o n o m i c a l a n dh i g h e f f e c t i v e u s i n gt h e p r i n c i p l eo fe v e nw e a r , a n df o ra v o i d i n gt h ep u m pr u s t i n gb e c a u s ei ti s n tu s e d f o ral o n gt i m e ，d e s i g nt h em o d eo f w o r k i n gi nt u mo f t h ep u m pa n dt h ep i p e l i n e a l w a y st u r no nt h ep u m pa n dt h ep i p e l i n e ，t h er u n n i n gt i m eo ft h a ta r et h el e a s t ， e v e r yt i m e t h e r ea l ee n o u g hf a u l t m o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i n gf u n c t i o n st ob ed e s i g n e d ， t h eh i g h p e r f o r m a n c ei n t e l l i g e n te l e c t r i c a lm o n i t o r i n gm o d u l ey d 2 0 1 0i su s e d f o rm o n i t o r i n gt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e ro f t h ee l e c t r o m o t o ri nr e a lt i m e y d 2 0 1 0 c o m m u n i c a t e sw i t hp l c sr s 4 8 5b yt h em o d b u sp r o t o c 0 1 m a k et h e s i m u l a t i v em o d b u sp r o t o c o lp r o g r a m ，a n du s i n gt h a t ，a c h i e v et h ee l e c t r i c a l d a t ac o l l e c t i o na m o n gp l ca n df i v ey d 2 0 1 0 a f t e rc o n v e n et h eo r i g i n a ld a t a ， t h et r u ee l e c t r i c a ld a t ai so b t a i n e d a d o p t i n g t h e c o n v e r s i n gi n t e r f a c ef x 一2 3 2 a w c ，p l c sp r o g r a m m i n g i n t e r f a c ec o n n e c t sw i t ht h em o n i t o r i n ga n dc o n 仃o l l i n gh o s tc o m p u t e r , a n dt h e s y s t e ms t a t ed a t aa r et r a n s m i t t e dt ot h eh o s tc o m p u t e ri nr e a lt i m e p l ca l s o r e c e i v e st h ec o n t r o lc o m m a n df r o mt h e m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n gh o s t 1 v 太原理i 。人学硕十研究生学何论文 c o m p u t e r , a n dc o n t r o l st h ew h o l es y s t e ma c c o r d i n gt oi t a tl a s t ，t h i sp a p e rh a ss o m em e t h o d sa n ds u g g e s t i o n si nt h ea s p e c to ft h e r e l i a b l ed e s i g n i n go ft h ep l cc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：m i n e ，p l c ，t h ed r a i n a g es y s t e m ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，r e l i a b l e v 太原理i ：大学硕七研究生学位论文 图表索弓 图2 1 离心式水泵工作系统图。1 1 图2 2 射流泵系统结构图1 3 图2 3 排水泵和排水管路连接图1 5 图2 4 排水监控系统框图1 8 图2 5p l c 模块的连接2 1 图2 6 数字量输入输出的连接简图2 2 图2 7 传感器与f x 2 n 一8 a d 的连接2 4 图3 1 水位采集和计算水位上升速度的程序流程图2 9 图3 2 各个寄存器之间的关系3 0 图3 3 “避峰就谷”控制逻辑流程图。，3 l 图3 4 轮换工作环节单台泵启动时的程序流程图3 4 图3 5 轮换工作环节单台泵停止时的程序流程图3 4 图3 6 轮换工作环节所有泵停止时的程序流程图3 5 图3 7 轮换工作环节单台泵故障时的程序流程图3 6 图3 8l # 泵的启动过程流程图3 8 图4 1 三相四线制无p t 接线图4 5 图4 2 三相四线制有盯接线图4 6 图4 3 单机通讯连接图4 8 图4 4 多机通讯线形连接图4 9 图4 5p l c 和y d 2 0 1 0 的通信连接4 9 图5 1 滤波器和隔离变压器组合使用图6 6 图5 2 输入信号的抗干扰措施6 7 图5 3 输出信号的抗干扰措施6 8 图5 4 外部触点输出时抗干扰措施6 8 图5 5 采用r c 浪涌吸收器6 9 图5 6 漏电流的处理7 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 图5 7p l c 的并列运行方式7 3 图5 8 表决式冗余系统原理图7 4 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表3 1 表3 2 表3 3 表4 - 1 表4 2 表4 3 表4 - 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 - 9 表4 一1 0 p l c 模拟量输入通道统计1 9 p l c 数字量输入点数统计1 9 p l c 数字量输出点数统计2 0 p l c 通信口的数目统计2 0 p l c 模块选型表2 l 排水泵轮换工作环节p l c 内部元件的分配表3 3 排水管路轮换工作环节p l c 内部元件的分配表3 7 p l c 控制五台水泵的端口分配表3 7 y d 2 0 1 0 的精确度表4 3 数据帧格式表5 0 信息帧格式表5 1 m o d b u s 部分功能码表5 2 功能码0 3 h 对应的主机发送数据区格式5 3 功能码0 3 h 对应的子机应答数据区格式5 3 功能码0 3 h 所映射的数据区一基本数据5 4 功能码0 3 h 所映射的数据区一电能5 6 功能码0 3 h 所映射的系统参数5 6 数据转换公式表6 0 x 声明 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。 7 论文作者签名：函盆 日期：塑2 ：! 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) o 签名： 导师签名： 日期： 日期：竺2 二鱼：兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 煤矿井下水的形成及排水的重要性 煤矿生产过程中，经常可以见到地下水流入巷道和工作面，这就是矿井水。矿井水 的形成一般是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致，其水源主要是大气降水、地 表水、断层水、含水层水和采空区水。 大气降水：是矿井水的总根源，它除了一部份被蒸发和随河流流走以外，另一部分 则沿岩石的孔隙和裂隙进入地下，或直接进入矿井。大气降水在不同地区、不同季节、 不同开采深度对矿井水的影响也不相同。在降雨量少的西北地区，矿井涌水量就小，在 降雨量多的南方地区，矿井涌水量就大，即使在同一地区，由于大气降雨量随季节的变 化，矿井涌水量也随着发生周期性变化，同时由于矿并开采深度不同，矿井涌水量也随 着发生相应变化。一般而言，矿井涌水量随开采深度增加而增加，开采上山水平矿井涌 水量较小，开采下山水平矿井涌水量较大。 地表水：位于矿井附近或直接分布在矿井以上的地表水体，如河流、湖泊、水池、 水库等，是矿井充水的重要因素，可直接或问接的通过岩石的孔隙、裂隙、岩溶等流入 矿井，威胁矿井生产的安全。 断层水：大量流入矿井的水往往和区域地质有关，断层破碎带是地下水的通道和聚 积区，沿断层破碎带可沟通各个含水层，并与地表水发生水力联系，形成断层水。断层 水对矿井生产的影响，主要是由于巷道揭露或采掘活动破坏了围岩的隔水性能造成断层 带的水涌入井下。其特点是静储量小，动储量大，与地表水高压强含水层沟通，对矿井 生产造成巨大威胁，特别是在断层交叉处最容易发生透水事故。 含水层水：含水断层是矿井主要的充水来源。多数情况下，大气降水与地表水先是 补给含水层，然后再流入矿井。流入矿井的含水层水量包括静储量和动储量。静储量就 是巷道未揭露含水层前，实际赋存在含水层中的地下水，它的大小决定于含水层的厚度， 岩石裂隙大小及多少。一般在矿井开采初期排出的矿井水主要是静储量，能在矿井排水 中逐渐减少以至疏干。如果降水，地表水( 包括其它水源) 不断流入含水层中，使含水 层的水得到新的补充，虽然井下长期排水，但含水层中的水仍源源而来，不会中断，这 太原理工大学硕士研究生学位论文 些补给含水层的水量称为动储量。因此，属静储量的含水层水对矿井生产初期有一定的 影响，尔后逐渐减弱，属动储量的含水层水对矿井生产的影响将长期存在。 采空区水( 老窑积水) ：古代和近期的采空区及废弃巷道，由于长期停止排水而存 在的地下水，通常称为采空区水。我国煤矿开采有着悠久的历史，一些直接露出地表或 易发现的煤层，浅部多数为采空区。再加上前几年乡镇煤矿的乱挖滥采，不仅在老窑数 量，采空区范围上增大，而且从开采深度上愈采愈深，它就象一个个地下水库，一旦巷 道揭露或巷道与老窑之间的煤岩柱强度小于它的静压时，就会象水库垮了水坝一样，突 然淹没其“下游”，从而造成严重事故，后果不堪设想【1 】。 虽然各煤矿区地质与水文地质一采矿条件不同，矿井水形成过程会相应的不同，但是， 其机理及制约因素具有共同的特征。矿井水是由于采矿活动造成采动区域及其周边区域 水文地质系统与水文地质单元隔水构造的破坏，从而改变了地下水及地表水径流方向和 途径，最终在采空区或采动场所汇集，并在汇集过程中因物化作用与时间效应遭受污染 的，交替性差的水体。本质是地下水沿裂隙岩体运移过程中与多组分反应溶质在中小时 空尺度上耦合问题和局部渗流条件与渗流场发生变化问题。矿井水呈现两种赋存形式， 即形式一，为保证安全煤炭生产，在采矿过程中随汇随排的，过路矿井水，是必须进行 疏排的；形式二，矿井、井巷封闭后经一定时间汇集的，滞流矿井水，其在资源化取用 之前交替性和循环性极差。根据矿井水的成因和赋存形式，矿井水无疑是煤矿区区域水 资源系统的特定的组成部分，是具有补给机制的含水系统的特殊单元，其补给水源主要 是采动区域的地表水或浅层地下水，但是，由于采动裂隙扩展贯通，此时渗流场和渗流 条件已经改变，使不同水文地质单元的地下水直接快速向采空区渗流汇集( 2 i 。 我国是一个煤炭生产大国，随着国民经济的高速发展，对煤炭的需求量将进步 增长。煤炭是我国的主要能源，在一次能源构成中一直占7 0 以上，预计这个局面在今 后二、三十年内不会有根本性的改变。目前，全国约7 5 的工业燃料和动力、8 5 的化 工原料和绝大多数的民用燃料依靠煤炭【”。目前我国煤炭产量已突破1 2 亿吨，居世界首 位，而同时每生产1 吨原煤将从地下抽排出2 4 m 3 的地下水，即矿井水，平均每年将有 2 0 一4 0 亿m 3 的地下水抽排到地面，占全国地下水年开采量的5 ，是我国城市年生活用 水量的4 0 。这些地下水绝大部分被排放掉，煤矿利用率仅为1 0 。 煤矿生产抽排的地下水，初始流入井筒均未受污染，而是在煤炭开采过程中，才被 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 污染，呈现灰黑色。矿井水中主要污染物为采煤过程中悬浮煤粉和岩石粉渗入水中形成 较高浓度的悬浮物( s s ) 、可溶性的无机盐类，井下使用的乳化液对矿井水的污染以及少 量的有机污染物。所以水质较好，如果对其进行适当处理，完全可以达到工业和生活用 水标准。比如，我国东北、华北矿区的矿井水水质特征基本为中性，矿化度低，不含有 毒有害物质，经混凝、沉淀，分离和杀菌消毒工艺后，完全可达到生活用水的指标【4 】。 另一方面，我国地域辽阔，人口已逾1 3 亿，人均占有水资源量远远低于世界的平均 水平，仅为全世界人均水平的四分之一，是世界上严重缺水的国家。随着经济的飞速发 展，人口的大量增加和人民生活水平的提高，用水量也在急剧增长，水资源也交的越来 越紧张。尤其在我幽的主要产煤区缺水更加严重，全国7 5o 的矿区面临缺水，其中4 0 的矿区己达到严重缺水程度，缺水的状况有增无减，严重影响了煤炭生产和矿区人民的 生活。全国矿区每年缺水量已达5 亿所3 ，形成了地下水大量地浪费性排放与矿区生活生 产用水严重不足的矛盾。 如果将矿并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 源紧缺的煤矿开辟出第二水资源。这将带来巨大的社会经济效益。近几年，我国北方大 型煤矿区都开始了程度不同的矿井水开发利用工作，意识到矿井水资源化是一项开源增 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 经济发展的瓶颤浏邀。 但是，更值得注意的一点是，现阶段我国煤矿矿难频繁发生，因之造成的人员伤亡 和设备财产损失的数字是十分惊人的。煤矿安全问题也日益受到人们的关注。造成煤矿 事故的原因是多方面的，比如项板，运输，火药放炮，火灾等，但是以瓦斯爆炸和水灾 害最为频繁，最为严重。如果矿井水排放不畅，如此多的矿井涌出水在井下放任自流， 将势必造成水灾，更严重的造成设备财产损失，人员伤亡，矿井坍塌等灾难性的后果。 仅2 0 0 5 年下半年，就有广东兴宁福胜、大兴煤矿，河北武安高村、内丘煤矿，山西大同 左云煤矿均因发生特大煤矿透水事故，造成共1 8 7 人死亡。 综上所述，不管是从矿井水的合理排放再利用方面，还是从矿井水的放任自流对煤 矿开采的极大危害方面考虑，都需要把矿井水及时有效的排出矿井。因此，设计一个行 之有效的煤矿井下主排水系统是不可或缺的。不管矿井水涌出的速度变化有多大，此系 统都应该能够及时将水排出。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外研究现状 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步。 国外特别是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。 俄罗斯国立莫斯科开放大学教授、技术科学博士波波夫教授、巴塔诺戈夫技术科学 副博士和北乌拉尔铝土矿生产联合公司工程师沙尔塔诺夫通过对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。简要介绍矿井高扬程水泵双电机拖动装 置的结构、技术性能、实际运行情况及较适用的方案，此外，还探讨了矿井高扬程水泵 双电机拖动设计和运行中需要注意的一些问题”。 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礓方法等。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，w 此具有实用价值【l “。 矿井排水设备是矿山企业主要的用电设备之一，节能工艺的运用方针，要求在排水 设备的设计和使用阶段，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。 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技术，减小排水设备的自 动控制和监测的误差；还要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【1 ”。无论是 4 太原理f ：人学硕士研究生学位论文 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。 在许多发达国家罩，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环境的优点，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，水窖预测，应急堵截水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。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水资源管理的规划之中，将所有的控制信息包括水泵的运行都集 中给中心控制室，进行统一控制。 国内在优化排水方案、改造排永设备及巷道合理布置等方面也做了大量豹研究。还 有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。 在煤矿井下水位的检测技术方面，目前国内还处于摸索阶段，检测手段比较落后、 可靠性差，检测系统不完善。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 煤矿并下环境恶劣，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 可靠的采集前端信号。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，煤矿安全问题日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。目前国外的井下水仓静态水监测系统的前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 3 本课题研究的主要内容 目前，我国多数矿井的排水系统普遍采用人工操作，存在劳动强度大、启停时间 长、不适应现代化矿井管理等问题。用人工进行检测( 如人工检测水仓水位、淤泥厚度、 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 管道、闸阀及配电设备状况等) ，效率低，且由于井下环境恶劣，故障率较高。绝大多 数矿井采用的继电器、接触器控制系统，使用大量机械触点，线路比较复杂，使用较多 的中间继电器和时间继电器，而在长期使用过程中继电器触点在开闭时易受电弧的损害 及受空气中灰尘污染容易导致接触不良而产生误动作，从而使设备运行的可靠性降低。 而且，排水工作需要大量的人员，有时由于人为失误造成不必要的煤矿井下水灾。 国内也有部分煤矿曾尝试采用己研发的自动控制排水系统，经对其调研发现，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。国外产品系统集成距离我国煤矿生 产实际还有一定差距。所以研制一套成熟的适合我国煤矿井下排水的系统势在必行。 针对目前我国煤矿井下排水系统的现状，本课题研制开发适合我国煤矿的井下自动 排水系统。主要研究内容包括： 开发电气控制系统，用p l c ( 可编程逻辑控制器) 控制系统代替传统继电器控制 系统。选择可靠的控制器及附属电气元件，适应井下环境，符合矿用设备的安全标准； 并能充分利用井下条件，使控制简便可行。 根据排水控制的要求，进行p l c 硬件和软件的设计，以达到自动轮换工作和“避 峰就谷”的目的，使水泵房工作更加高效节能。 把感应式数字水位传感器用于煤泥水水位的测量。 使用新型的电量监测模块y d 2 0 1 0 对水泵电机的电源输入进行监测，并建立p l c 与 该模块之间的通信，可以使p l c 根据各个水泵电机的电量监测数据判断它们的运行状态， 做到有故障及时发现及时处理。 研究了p l c 控制系统的可靠性设计问题。 1 4 小结 煤矿井下涌水的排放关系到煤矿生产的安全这一重大问题，而且井下水的顺利排放 还可以充分解决许多煤矿缺水的难题。各大煤矿都很重视井下排水系统的组建。本章先 介绍了矿井水的形成及排水的重要性，然后阐述了国内外在排水系统研究方面的现状， 最后在现有的研究成果的基础上，提出了本课题重点研究的排水系统的几个方面内容。 6 太原理1 。大学硕士研究生学位论文 第二章煤矿井下排水自动控制系统的总体方案设计 2 ，1可编程控制器技术概况 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) ，是一种数字运算操 作的电子系统，是在2 0 世纪6 0 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采 用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等 操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编 程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原 则设计的。p l c 自产生至今只有3 0 多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当 代工业自动化的主要支柱之一。 2 1 1 可编程控制器的产生和发展 现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多 规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们 去寻找一种新的控制装置取而代之。 1 9 6 8 年，美国通用汽车公司( g m ) 为适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种能减少重 新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施，并设想把计算机功能的完备、灵 活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种 通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面 向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1 9 6 9 年美国数字设 备公司( d e c ) 研制出了世界上第1 台p l c ，并在g m 公司的汽车自动装配线上首次使用，获 得成功。从此，这项新技术便迅速发展起来【1 8 l 。 1 9 7 1 年日本从美国引进了该项新技术，很快就研制出了日本第l 台p l c 。1 9 7 3 1 9 7 4 年，西德和法国也相继研制出了自己的第l 台p l c 。中国从1 9 7 4 年开始研制，1 9 7 7 年应用 于工业生产。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 可编程控制器的主要特点和功能 1 p l c 的主要特点 。 1 ) 灵活、通用 在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是根据设计好的 电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。如果 因为工艺上少许变化，需要改变电气控制系统时，原先整个电气控制系统将被全部拆除， 而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费大量人力、物力，和时间。而p l c 是通过在 存储器中的程序实现控制功能，若控制功能需要改变，只需修改程序及少量接线即可。 而且，同一台p l c 还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要求。 因此，p l c 具有很大的灵活性和通用性，结构形式多样化，可以适用于各种不同规模、 不同工业控制要求。 2 ) 可靠性高、抗干扰能力强 绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。针对p l c 是专为在工业环 境下应用而设计的，故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面，隔离是抗干扰 的主要措施之一。p l c 的输入，输出电路一般用光电耦合器来传递信号，使外部电路与 c p u 之间无电路联系，有效地抑制了外部干扰源对p l c 的影响，同时，还可以防止外部 高电压窜入c p u 模块。滤波是抗干扰的另一主要措施，在p l c 的电源电路和i o 模块中， 设置了多种滤波电路，对高频干扰信号有良好的抑制作用。软件方面，设置故障检测与 诊断程序。采用以上抗干扰措施后，一般p l c 平均无故障时间高达4 万5 万h 。 3 ) 编程简单、使用方便 p l c 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。目前，p l c 大多 采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到电气技 术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修改灵活方便。这种面向 控制过程、面向问题的编程方式，与汇编语言相比，虽然增加了解释程序和程序执行时 间，但对大多数机电控制设备来说，p l c 的控制速度还是足够快的。 此外，p l c 的i o 接口可直接与控制现场的用户设备联接。如继电器，接触器、电磁 阀等联接，具有较强的驱动能力。 4 ) 控制系统的设计、安装、调试和维修方便 p l c 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器 8 太原理丁大学硕士研究生学位论文 等部件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。p l c 的用户程序大都可以在实验室 模拟调试，调试好后再将p l c 控制系统安装到生产现场，进行联机统调。在维修方面， p l c 的故障率很低，且有完善的诊断和实现功能，一旦p l c 外部的输入装置和执行机构 发生故障，就可根据p l c 上发光二极管或编程器上提供的信息，迅速查明原因。若是p l c 本身问题，则可更换模块，迅速排除故障，维修极为方便。 5 ) 功能强 p l c 不仅具有条件控制、记时、计数、步进等控制功能，而且还能完成a d 、d a 转 换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，p l c 既可对开关量进 行控制，又可对模拟量进行控制。可控制一台单机、一条生产线，也可控制一个机群、 多条生产线。可用于现场控制，也可用于远距离控制。可控制简单系统，又可控制复杂 系统。 6 ) 体积小、质量小、功耗低 由于p l c 是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑，坚固， 体积小，质量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。 因此，p l c 很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化较理想的控制设备。 2 p l c 的主要功能 p l c 是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化( f a ) 和计算机 集成制造系统( c i m s ) 内占重要地位。今天的p l c 功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。 p l c 系统一般由以下基本功能构成： 多种控制功能 数据采集、存储与处理功能 通信联网功能 输入输出接口调理功能 人机界面功能 编程、调试功能 1 ) 控制功能 逻辑控制：p l c 具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器 进行开关量控制。 定时控制：它为用