煤矿井下排水自动监控系统的设计.pdf

2 0 1 1 年第 1 0 期 中州煤炭 总第 1 9 0期 煤矿 井下排水 自动 监控 系 统 的设计 胡 江浦 ( 1 河 南理工 大学 电气工程 与 自动化学院 ， 河南 焦作4 5 4 0 0 3 ； 2 河 南大有能 源股份有 限公 司 常村 煤矿 ， 河南 义马4 7 2 3 0 2 ) 摘要 ： 针对煤矿 井下排水系统不够完善 以及 电能消耗 大等 问题 ， 设计 了一种基 于单片机处理 的 、 根 据各种 传 感器所采集到的数据控制交流 电机 的开停来 带动水 泵运行 的排水 系统 。该 系统 主要包括 C P U控制单元 和 监控系统 ， 可实现水仓水位 、 排水管路流 量、 电机温度 、 电路 负荷 电压 等数据 的实时监测监 控及报警 显示 、 水 泵 自动启停 ， 闸 、 阀 自动开关等功能 。该 系统启用 后， 可 实现泵房 无人值 守。 关键 词 ： 煤矿 ； 井下排水 系统 ； 自动监控系统 ； 单 片机 中图分类号 ： T D 7 6 文献标识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 2 7一 O 3 常村煤矿 自1 9 7 9年 以来 ， 曾经先后发生顶板突 水 6次 ， 最 大 突水 量 为 2 5 9 m h 。如 果 不能 及 时将 各种 途径 流入 矿 井 的积 水 排 送 到 井 上 ， 可 能 对 煤矿 井下 的安 全 生产 造 成 阻碍 ， 在 井下 作 业 的职 工 人 身 安全得不到保 障， 严重者可能造成重大事 故。常村 煤 矿 原有 的煤 矿 井 下排 水 系统 控 制 的 主 观性 过 强 ， 不能 满 足 当前 矿 井 现代 化 发 展 的要 求 ， 且 增 加 了煤 矿 的运 营成本 ， 存 在一 定 的安全 隐 患 ， 甚 至严 重影 响 到井 下泵 房 的技 术 管理 水 平 、 节 能降 耗 以及 安 全 生 产等 综合 水平 的提高 。 鉴 于 以上 情 况 ， 常 村 煤 矿对 井 下 排水 系统 进行 了 自动 化改造 ， 设 计 了一 种基 于单 片机处 理 的 、 根 据 各种传感器采集数据控制交流电机的开停控制水泵 运行 的排 水 系统 。 1 原排水 系统概 况 常村 煤 矿 井 下 原排 水 总 系 统结 构 如 图 1所 示 。 矿井 最深 处 的南 风井泵 房将 矿井 最底 部 流入 巷道 和 工作 面 的 水抽 送 到 2 1延 伸 水仓 ， 2 l延 伸泵 房 将 2 1 延伸 水仓 的水 分 别抽送 到 2 1 底 部水仓 和 1 1 0水仓 ， 2 1 底部泵房将 2 1底部水仓 的水抽送 到 J 1 0水仓 ， 1 1 0泵房 将 1 1 0泵 房水 仓 的水 分 别 抽送 到排 矸 井 和 3 4 0回风 巷水 仓 ， 3 2 0泵 房和 3 3 0泵 房将 3 4 0回风 巷 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 6一 O 7 作者 简介 ： 胡江浦 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 河 南 禹州人 ， 助 理工 程师 ， 2 0 0 8年 毕业 于河 南理工大学 ， 河南理工大学工程硕 士在读 ， 从事矿 山机 电工 作 ， 现 任常村煤矿机电一队副队长。 水仓 的水抽 排 到地 面后顺 排水 渠排走 。 常村煤 矿井 下 6个 泵 房 由人 工 观察水 仓水 位从 而 操作 水泵 的开停 ， 以 达 到及 时完 成 矿 井排 水 。这 种 排水 系统 完 全依赖 于 工人 的实 际经验 和 已有 的操 作 规程 来 控 制 水 泵 机 组 的启 动 以 及 闸 阀 的开 关 过 程 。 因此 主要存 在 以下 问题 ： 图 1 原 排 水 系 统 结构 泵 房水仓 ( 1 ) 由 于 不 同 操 作 人 员 的 经 验 和 操 作 习 惯 不 同 ， 水 泵开 停 的操作 流程 及水 位点 的选择 不规 范 ， 不 能 对每 台水 泵进 行合 理均 衡利 用 。 ( 2 ) 每 台水 泵 启 动 时 间 较 长 ， 所 以发 生 涌 流 等 紧急情况时无法及时判断并处理。对操作人员的实 际操作要求太高 ， 操作工序繁琐， 某些部件因频繁使 用 不 当还容 易 导致损 耗 。 ( 3 ) 每个泵房 2 4 h都需要人员值守 ， 浪费人力 资 源 ， 职工 的劳 动强 度过 高 。 ( 4 ) 调 度 中 心无 法 及 时 了解 泵 房 准 确 情 况 ， 存 27 2 0 1 1 年第 1 0 期 中州煤炭 总第 1 9 0 期 在一 定 的安全 隐患 。 ( 5 ) 设备维护没有准确可靠 的历史数据可供参 考 ， 仅靠人 工 记录 开停 时 间这 些 简单 的数 据 不 能 满 足安 全生 产 的需要 。 2新 系统设计思路 新设 计 的系统 主要 包 括 2部 分 ： C P U控 制 单 元 和监 控 系统 。新 系统 应 能 够 实 现对 水 仓 水 位 、 排 水 管路 流量 、 电机温度 、 电路负荷 电压等 数据 进行 实时 监 测监 控及报 警显 示 ， 自动根 据 水 仓 水 位 及其 他 参 数 因素来 控制 所需 部 位 水 泵 的启 停 以及 闸 、 阀 的开 关 ， 提供 最优 的水 泵运 行时 间 、 数 量 以及最 优 的排水 管路 。如果 系统在 远端 手动模 式 或井 下 自动控 制模 式的情况下发生故障， 则可以 自动转换为现场手动 控 制模 式 以保 证安 全 ； 同时 ， 它也 可 以实现 在安 全生 产 指挥 调度 中心对 井下 排水 系统 泵房 的所 有设 备进 行 实 时监视 和控 制 ， 并 完 成数 据 的记 录 和 查 询 以及 各种报表的生成 、 打印等工作 ， 做到泵房无人值守 、 设 备运 行安 全可 靠 。 3 硬 件系统设计 硬件 系统 的设计 最 主要 的是信 号采 集 系统 的设 计 。信号 采集 系统硬 件框 架如 图 2所示 。 电 源 水 量 AT 8 9 S 5 2单片机 电机控制开关柜 I l 闸、阀开关控制箱 各种防爆多级离心泵 各种防爆闸门、阀门 图 2信 号 采 集 系 统硬 件框 架 硬 件 部 分 主 要 由 A T 8 9 S 5 2单 片 机 、 S D 2 0 6 8实 时时 钟 电 路 、 A D 转 换 电 路 、 信 号 调 理 电 路 、 A T 2 4 C 1 0 2 4存储 器 等组 成 。其 主要 功 能 ： 当 实 时 时 钟 S D 2 0 0 1 E采 集各 种传感 器 数 据定 时时 间 到后 ， 单 片机启动系统各个部分进行工作 ， 将 由传感器部分 送过来的标准的4 2 0 m A的电流信号经信号变换 电路转换成标准的电压信号 ， 然后对 电压信号进行 A D转换和数字 滤波 ， 将采集 到的水位数据 、 温 度数据、 流量数据和采集时间等存储起来 ， 利用原有 的工业 以太 网络 传送 至地 面 。 由于该 系统在 设计 时 遵循煤矿安全监控系统标准子系统接 口规范 ， 使得 该 系统可 以非 常容 易 地 并 入 煤 矿安 全 监 控 系 统 中 ， 2 8 可与其他子系统实现数据 的共享 ， 与矿井原有瓦斯 监控报警系统 、 C O监控报警系统等组合成全面的煤 矿 安全 监控 系统 。 3 1 模数 转换 器 T L C 7 5 2 8 T L C 7 5 2 8是 双 路 、 8位 数 模 转 换 器 ， 内部 具 有 各 自单 独 的数据 锁存 器 ， 其 特性 包括 两 D A C非 常 精 密 的一 致 性 ， 数 据 通 过 公 共 8位 输 人 口转 送 至 两 D A C数 据锁 存 器 的任 意 1个 。器 件 的 装 载 周期 与 随机存 取存 储器 的写 周 期 类 似 ， 能 方 便 地 与 大 多 数 通用微 处理 器 总线或 端 口连接 。器 件 的工 作 电压 5 l 5 V， 功耗 小 于 1 5 m w ( 典 型值 ) 。工 作 温度 范 围 为 0 7 0 c = 。 3 2 高精度 实 时时钟日历 S D 2 O 6 8 S D 2 0 6 8是 一 种 具 有 标 准 I I C接 口的 实 时 时 钟 芯片 ， C P U可 使用该 接 口通 过 5位 地 址 寻址 来 读 写 片 内 3 2字节 寄存 器 的 数据 ( 包括 时 间寄 存 器 、 报 警 寄存器、 控制寄存器 、 通用 S R A M寄存器 ) 。S D 2 0 6 8 内置单路定时 报警中断输出， 报警 中断时间最长可 以设 至 1 0 0 a ； 内置 时 钟 精 度数 字 调 整 功 能 ， 可 在 很 宽范 围 内校 正 时 钟 偏 差 (一1 8 91 0 一 +1 8 9 1 0 s ， 分 辨 率 3 0 51 0 ) ， 并 可 通 过 外 置 的温 度 传感 器设 定适 应温 度 变 化 的 调整 值 ， 实 现 在 宽温 范 围内高精 度 的计时 功能 。 3 3 串行 E E P R OM A T 2 4 C 1 0 2 4 A T 2 4 C 1 0 2 4是 A t m e l 公 司生 产 的 1 2 8 K B 串行 电可擦 写的可 编程存 储 器 ， 内部有 1 2 8页 ， 每一 页 为 2 5 6字 节 ， 任 一单 元 的地址 为 3 2位 。它 采 用 8引脚 封 装 ， 具 有结 构 紧 凑 、 存 储 容 量 大 等 特 点 ， 可 以在 2 线总 线上并 接 8片 芯 片 ， 特别 适 用 于 具 有 大 容 量数 据 存储 要求 的数 据采 集 系 统 ， 因此 在 测 控 系 统 中被 大量 采用 。 3 4 KJ 6 6 N- F井下分 站 K J 6 6 N F井下 分 站 采 用 标 准 R S 4 8 5接 口， 可 接 1 2台 G K T 5 一 L矿用开停传感器 ， 4台 X D1 5 0电量采 集器 ， 1 个 子系统。E E P R O M存储器 永久保存初始 化参数。K J 6 6 N系统中心站下发的初始化参数保存 在 E E P R O M中， 即使掉电也不会丢失。在与中心站 的通信线路断开的情况下 ， 分站本身仍 然能准确无 误地完成监测监控任务。 3 5 GKT 5 - L矿 用开 停传 感器 G K T 5 L矿用开停传感器采用单片机控制 ， 1条 4芯 电缆可 接 1 2台 ， 大 大节 省 了 电 缆 ， 智 能 型输 出 信号为标准 R S 4 8 5信号 ， 传输速率 为 9 6 0 0 b s ， 传