矿井排水智能监控系统结构设计.pdf

2 0 1 4年第 1 期 工业仪表与自动化装置 5 7 矿井排水 智能监控 系统 结构设计 李春华， 夏国良， 魏超全， 吴德长 ( 黑龙江科技 大学， 哈尔滨 1 5 0 0 2 2 ) 摘要 ： 鉴于原有矿井排水系统 自动化程度低 ， 从而造成安全、 经济效益差的特点 ， 该文提 出一种 矿井排水智能监控 系统的结构设计方案， 利用 A R M控制器和 变频器相 结合 的方式进行 水泵 自动 化控制， 系统监控采用 L a b V I E W 图像化设计软件 实现 系统数据的 实时采集、 在线监控 以及历史存 储和查询等。系统能够有效地改善原有排水系统安全程度低、 人工劳动强度大、 耗费物质多等缺 陷， 对排水系统的实际工程有很高的参考价值。 关键词： 矿 井排水 ； 水泵； A R M控制器； 监控 中图分类号 ： T P 2 7 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0— 0 6 8 2 ( 2 0 1 4 ) 0 1 — 0 0 5 7— 0 3 The s t r uc t ur e de s i g n o f mi n e dr a i n a g e i nt e l l i g e n t mo ni t o r i ng s y s t e m L I C h u n h u a ， XI A Gu o l i a n g ，WEI C h a o q u a n，W U De c h a n g ( H e i lon g j i a n g U n i v e r s i t y o fS c ie n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 2 2， C h i n a ) Abs t r ac t：I n v i e w o f t h e e x i s t i n g mi n e d r a i na g e s y s t e m o f l o w d e g r e e o f a u t o ma t i o n，r e s u l t i n p o o r s e c u rit y，e c o n o mi c be n e fi t ，t h i s p a p e r p u t f o r wa r d a s t r u c t ur e d e s i g n s c h e me o f i n t e l l i g e n t mo n i t o r i ng s y s — t e m o f c o a l mi n e dr a i na g e，c o mb i n e d us e o f ARM c o n t r o l l e r a n d f r e qu e nc y c o n v e r t e r d o t h e p u mp a u t o - ma t i c c o n t r o 1 ． S y s t e m mo n i t o rin g s o f t wa r e u s e t h e La bVI EW g r a p h i c a l d e s i g n s y s t e m r e a l i z e r e a l— t i me d a t a a c q ui s i t i o n，o n l i n e mo n i t o ring，h i s t o ric a l s t o r a g e a n d q u e r y e t a 1 ．S y s t e m c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e e x i s t i n g d r a i n a g e s y s t e m s a f e t y d e g r e e l o w，a rti fi c i a l l a b o r i n t e n s i t y，c o s t mo r e ma t t e r ，wa t e r s u p p l y a n d d r a i n a g e s y s t e m i n t h e a c t u a l p r o j e c t p r o v i d e s a g o o d r e f e r e n c e v a l u e ． Ke y wo r d s ： mi n e d r a i n a g e ；wa t e r p u mp；AR M c o n t r o l l e r ；mo n i t o ri n g O 引言 1 排水监控系统控制模式和总体设计 在煤矿生产 中首先考虑 的是其安全性 ， 而矿井 涌水则是影响矿井安全性一个重要方面 。矿井排水 系统就是能够把矿井涌水及时可靠、 稳定安全 、 经济 有效地排 出矿井的安 全系统 ， 该 系统为矿井 中的人 员和生产提供了有力的安全保证。所以， 想要提高 矿井的安全性和生产效率就要选择合理有效的矿井 排水系统 。但是 ， 现在煤矿的排水 系统仍然采用人 工操作控制模式 ， 并且还要根据工作人员 的长期经 验来判断水位、 涌水量等重要数据是否合理 ， 这样 的 排水系统应急性差 、 自动化能力低 ， 监管控制能力和 可靠性不能得到保证， 使整个煤矿生产的安全性降 低。为了提高煤矿生产的安全性， 该文提出一种矿 井排水智能监控系统软硬件的设计方案。 收稿 日期 ： 2 0 1 3—0 5—2 0 作者简介 ： 李春华( 1 9 5 9 ) ， 女 ， 教授 ， 硕士 生导师 ， 电气工 程学科 分项负责人， 从事智能控制， 故障诊断及电气控制等领域的研究。 1 ． 1 排水系统的控制模式 系统的控制模式分为手动检修模式、 远程监控 模式、 全 自动模式 J 。 1 ) 手动检修模式水泵 以及各个运行设备需 要进行定期的检查和维修工作， 此时如果水泵还是 处在远程监控启动模式或 自动启动模式 ， 就有可能 给检修人员带来伤害 。所 以， 手动检修模式控制时， 要求上位机监控中心只是能对系统运行设备的状态 进行检测 ， 水泵的启动 和停止 由检修工作人员手动 控制。 2 ) 远程监控模式也称为半 自动化模式 ， 监控 中心的上位机实时显示井下水位和涌水量的变化等 数据信息， 监控人员可以根据此时的煤矿生产情况 和以上显示信息控制水泵机组的启停。 3 ) 全自动控制模式嵌入式 A R M控制器分析 处理传感器采集来的井下水位信息， 把命令信号传 送给变频器来控制水泵的启停或调速以及水泵的工 5 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 4年第 1 期 作台数， 保证水仓液位的恒定； 再根据排水流量确定 运行几条排水管路 ； 然后记 录每个水泵的工频运行 时间， 合理安排水泵的运行顺序； 并且在水泵出现故 障或异常运行 时， 保证水泵的轮流切换 。 1 ． 2 系统 自动化控制的结构设计 矿井排水智能监控系统核心组成部分为井上地 面监控 中心和井下主排水泵房 ， 它们包含的设备主 要有： 上位工业监控计算机、 嵌入式 A R M处理器、 变频器、 现场控制柜、 各种传感器及其执行设备、 电 磁阀和闸阀等。排水监控系统整体结构框图如图 1 所示 通 拱 作 触 操 信 摸 作 信 号 屏 妁 地面监控 号 中心工控机 下 T T 著 电 缆 I 工业 l A R M嵌入式控制器 t I检 测系 统( 传感 器 及 执行元 件) I r l f 电 磁 阀卜 _ _ J 1 塑 墨l L 一电 动 闸 阀 l ? l 射流 泵I I 配 套电 机 I I 排 水 管路 l I l l慷r_ 、—p， b l 图 1 矿井排水智能监控系统整体结构框图 太 网 1 ． 3 系统排水管路的结构设计 系统采用典型水泵房设计为模型， 即为 5台主 排水泵， 2台进行排水工作， 2台等待备用， 1台检 修。排水管路的设计是每台水泵设立 自己的吸水 管， 所用水泵采用 3路公用排水管。各泵装配合理 的电机 ， 并且水泵人 口装设射流泵用于抽真空启动， 水泵出 口设有排水闸阀。系统排水管路设计示意图 如 图 2所示 。 L LL _ J U_ J L L 水 4 ~ , 蜀 J - — a‘卜’ —C h 1 号I 2 号I 3 号l 4 号I 5 号l 液位传感器 射流泵 射流泵 射流泵 ☆ 虿 自 各 ； 厂 苎= l 檗 I 2 号 聂l 3 号 ： 键 I 4 号 委 l 5 号 泵 卜水 位4 ( 超 卜 水 位 3 ( 高 水 位2 ( 低 I 山 山 水 位l ( 超 山 山 图2 水泵房排水管路示意图 高水位) 水位) 水位) 低水位) 2系统的硬件设计 2 ． 1 主控制器的选型 系统井下水泵房主控制器选用 A R M 核微控制 器 L P C 2 2 1 0 。该控制器具有嵌入式跟踪和实时仿真 功能 ， 配备 3 2 ／1 6位的 A R M 7 T D MI — S C P U， 并且 内 置串行通信接 口 。此 系列 的控制器适用于工控 、 医疗设备和访问控制等。 控制系统能够同时采集开关量和模拟量数据， 把采集到的数据信息通过以太网传输给监控上位 机， 同时按照监控中心输送来的命令信息， 以开关量 的形式控制水泵的运行工作 。控制器系统结构框 图 如图 3所示 。 数字量输入 l 以太网交换机 I I 变频器 l 数字鳋输出 ~ t C ／ O S ( 带 一 I I ) l 二二 网 网 模拟量输入 图3 控制器系统结构图 3 ． 2 变频器的选型 系统采用西门子的 MI C R O MA S T E R V e c t o r 变频 器， 其具有西门子公司定义的 U S S 通信协议， 方便 与控制器 的通信 ， 还能够实时在线设定变频器参数 。 在 U S S 通信协议模式下， 多台 S I E M E N S的变频器、 P L C或直流调速器等设备 可以与上位监控机 通过 R S一 4 8 5总线完成通信 ， 以实现远程模式的监控。 设计中通过 R S一 4 8 5总线实现变频器与 A R M 微控器的数据交换 ， 仅需 一对双绞线就可完成远距 离数据通信 ， 大量减少了布线， 系统控制功能改变时 不用更换布线 ， 串行接 口可以完成对变频器参数 的 设定和修改， 还能对变频器进行实时监控。 3 ． 3 传感器的选型 系统运行过程中需要采集大量的开关量和模拟 量， 信号的采集和检测设备主要由各类传感器以及 执行元件组成 ， 排水智能监控系统要实现 自动化控 制 ， 需要检测的参数有 ： 水仓水位、 水泵出口的流量 、 水泵进出水 口压力 、 水泵真空度 、 电机轴承温度 、 电 机转速、 系统电量。该系统所用主要传感器的选型 如表 1所示。 一 一 一 一 垦一 2 0 1 4年第 1 期 工业仪表与 自动化装置 5 9 表 1 系统主要传感器的选型表 3 系统的软件设计 3 ． 1 A R M 嵌入式控制器软件设计 系统的 A R M控制器采用 ~ C ／ O S— I I 的操作系 统 ， 它具 有 内核 小 、 实 时性 好 、 源码 开 放 等 特 点。 ~ C ／ O S — I I 操作系统的内核功能以任务为主题。在 系统的软件设计中， 将系统要实现的功能分为多个 任务， 并进行任务的优先级分配， 由 ~ C ／ O S—I I 完 成任务之间的调度和 同步运行 ， 这些任务还能通过 通信机制( 如消息队列、 信号量等) 实现数据共享和 任务的通信。根据系统所要实现的功能， 系统任务 可 以进行如 图4中的划分 。 系 统 任 务 巫 匦圃 l 匝困 l 医固 匝固圃 匦圃 匝 圃 区圃 困[ 图 4 系统任务划分图 系统设计的主程序为系统根据水位传感器采集 到 的水仓水位信息 ， 通过变频器来控制水泵 的启停 和投运 的水泵数量。系统的主要任务有 ： 分析判断 液位传感器的水位信号， 选择运行的水泵数量， 选择 水泵启动 的时间段。程序根 据实 际设定 的警限水 位 ， 结合 电网运行情况设定用电的峰谷 时间段。系 统 的主程序流程如图 5所示。 图 5 主程 序流程图 系统设定 4个水位 等级 ： 超高水位 为 ， 高水 位 ， 低水位 ， 超低水位 。当系统检测到的水 位信号h 小于 时， 停止所有水泵工作， 节省电能； 到 达到报警水位 时， 判断电网用电的峰谷时 段 ， 若为用电谷段则直接变频启动一台相应的水泵， 若为用电峰段， 就暂缓水泵的启动； 当水位 h到达 时， 用 电谷段时， 再变频启动第二台相应的水泵 ， 原来变频运行 的水泵转为工频运行 ， 用 电峰段时， 则 是直接变频启动一 台水泵即可； 水 位 h继续上升到 时， 不论用电谷段和峰段， 都按上述方式增加启 动一 台水泵 ； 而水位 h达到 时 ， 不再考虑用 电情 况， 全部水泵工频启动运行 ， 直到水位下降到 以 ( 下转第6 3页) 一 器 器 一 2 0 1 4年第 1 期 工业仪表与自动化装置 6 3 表2 硬件型号表 名称 型号 功率 备注 松下 松下 森创 森创 三菱 伺服驱动 MB D D T 2 2 1 0 0 ． 7 5 K W 伺服电机 MQ MA 0 4 Z P 1 U 0 ． 7 5 K W 步进驱动 ME D D T 7 3 6 4 0 ． 5 K W 步进电机5 6 B Y G 2 5 0 B—S A S S B L一 0 2 4 1 0 ． 5 K W P L C F x2 N 一4 8 MT 3 测量原理及 误差分析 3 ． 1 直径 、 圆度和圆柱度的测量原理 测得外 圆或内圆表面对回转 中心的直径 ， 事先规 定一个合格的误差范围， 如果在此范围内则合格， 反 之不合格 。圆度指工件的横截面接近理论 圆的程度。 通过主轴的步进电机， 每3 0 。 电感式传感器测量一次， 设测得外 圆或 内圆表面对 回转 中心的直径变动 A R， 评定圆度误差值 的方法包括最小外接圆中心法 ( M C C ) 、 最大内接圆中心法( M I C ) 、 最小二乘圆中心 法( r s c ) 、 最小半径差中心法 ( M R S ) 。圆柱度是指任 一 垂直截面最大尺寸与最小尺寸差。圆柱度是圆柱 体圆度和直线度的综合 ， 包含了轴剖面和横剖面两个 方面的误差 ， 圆柱度的公差带是两同轴圆柱面间的区 域， 该两同轴圆柱面问的径向距离即为公差值。 3 ． 2 误差分析 MC C和 MI C法 的优点是 比较符合该设计的实 际情况， 而且评定时作图或对样板都比较容易， 评定 的误差值都较另两种方法偏大。采用 M R S的主要 问题是国内目 前使用的大部份圆度仪的升降机构只 是作为调整位置使用， 所以其精度不能满足精密测 量的要求。由于棒料的圆度是通过编程得 到的， 故 采用最小二乘圆中心法 L S C较为合适 。 4 结束语 这种基于制造工艺的测控装置可以测量工件直 径、 圆度和圆柱度等形位公差， 方便工件的安装调 整 ， 简化工装夹具 ， 降低费用 ， 缩短辅助时间 ， 不但提 高效率， 还可以根据测量结果自动修改加工程序， 改 善加工精度。将测量设备集成到数控加工设备中， 将机床的驱动轴作为测量仪的驱动轴， 开发出具有 在线测量功能的数控机床， 使数控机床既能加工零 件， 又兼具测量功能， 从而最大程度上发挥了教学仪 器 的使用功能。 参考文献 [ 1 ] 刘剑雄 ， 韩建华． 物流自动化搬运机械手机电系统研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 1 2 6—1 2 8 ． [ 2 ] 孙兵， 赵斌， 施永康． 物料搬运机械手的研制[ J ] ． 机电 一 体化 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 4 3— 4 5 ． [ 3 ] 何雪明．数控技术 [ M] ． 武 汉： 华 中科技大学 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 陈远龄． 机床电气 自动控制[ M] ． 重庆： 重庆大学出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 5 ] 孙燕 良 基于 P L C气动机械手的研究设计[ J ] ． 森林工 程 ， 2 0 1 1 ， 2 7 ( 3 ) ： 4 5—5 0 ． ( 上接第 5 9页) 下才可以停止水泵。 3 ． 2 监控系统软件设计 系统地 面监控 中心 的上位机采用 L a b V I E W 图 形化监控软件 ， 它不仅易于编程 ， 而且节省程序设计 的时间， 能够在前面板上实时显示下位机传输来的 数据信息， 便于工作人员查看 。排水智能监控系统要 求 L a b V I E W 软件编程中包含串行通信模块程序设计 和输出模块程序设计。其主要结构流程如图6 所示。 用户操作界面 应用程序框图 l 设备驱动程序 l F 位机 图6 基于 L a b V I E W软件程序结构流程图 4 结语 文中设计的是一种矿井智能排水监控系统， 首 先对排水系统的总体结构进行了分析研究， 然后所 需硬件做出了选择 ， 最后根据系统 控制要求设 计了 自动化控制和远程监控所需的软件 。系统设计可以 满足实际的井下排水泵房的控制要求 ， 自动化控制 程度高， 操作模式简单易行， 运行灵活可靠， 可以给 实际的煤矿工程带来很高的安全和经济效益， 具有 很好的推广价值 。 参考文献： [ 1 ] 李泽松． 井下水泵房 自动排水系统研究[ D] ． 太原理工 大学 ， 2 0 0 9 [ 2 ] 马胜利 ， 温国栋． 嵌入式技术在煤矿排水系统 中的应 用[ J ] ． 西安科技大学学报， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 1 ) ： 9 3 — 9 6 ． [ 3 ] 李光明， 姚斌． 基于嵌入式技术的矿井视频监控系统 的设计 [ J ] ．矿山机械， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 8 ) ：1 3 7—1 3 9 ． [ 4 ] 马胜利 ， 温国栋． 基于 A R M的煤矿井下排水监控系统 的设计[ J ] ．矿山机械， 2 0 0 9 ( 0 1 ) ： 1 1 —1 3 ．