水仓水位监测监控系统设计论文.docx

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水仓水位监测监控系统设计论文

江西理工大学

本科毕业设计（论文）

题目：

矿井水仓水位监测系统设计

学院：

电气工程与自动化学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

学号：

学生：

指导教师：

职称：

时间：

2014年6月2日

摘要

矿井水灾，是常见的煤矿主要灾害之一，如果煤矿生产过程中产生的水不及时的排放出矿井，将给整个矿井带来严重的安全隐患。

目前，国内大多数矿井井下排水系统的水泵启、停及选择切换均由人来完成，不具备根据水位或其它参数自动开停水泵以及远程监控等功能。

这种模式控制线路复杂、可靠性差、工人劳动强度大，存在很大的安全隐患。

一些进行了自动化改造的国有矿井中央水泵房，在采区工作面发生透水事故时却表现出滞后性，更无法预测淹井水深，也不能及时采取措施。

因此，完善矿井水仓水位监测监控系统，已成为建设现代化矿井一种发展趋势。

论文针对现有的矿井水仓水位检测及排水系统存在的问题，研究适用于我国煤矿井下使用的矿井水仓水位监控系统。

采用了西门子S7-200PLC作为中央控制单元，组态王作为上位机组态监控软件，采用以太网实现了下位机与上位机PC的通讯，并扩展了必要的模拟扩展模块和通讯模块，实现了水仓水位的实时监控。

详细介绍了系统的硬件设计和软件设计。

关键词：

矿井水仓；PLC；监测监控；组态王设计；水灾预测分析

Abstract

Minefloodingisacommonmajordisasterincoalmine.Withouttimelydischargeditcandoseriousharmtotheentireminesafetyproduction.Theopenandcloseofthemaindrainagesystem’spumpundergroundhavebeencompletedbymaninmostdomesticminepresent,andthepumpcannotbeautomaticallyopenorstopaccordingtothewaterlevelorotherparameters,what’smore,itdoesnothaveremotemonitoringcapabilities.Forcontrolcircuitiscomplexity,itsreliabilityisrelativelypoor,workers’laborintensityisincreased,thereisabigsecurityriskinthismode.Thoughthetransformationtocentralpumphouse’automationhasbeendoneinsomestate-ownedmines,oncefloodingaccidentburstsoutintheworkingface,itisfoundtobeadeadstock.Letalonepredictingthedepthoffloodedwellwaterortakingtimelymeasures.Therefore,toimproveminesumpwaterlevelmonitoringsystem,hasbecomeadevelopingtrendoftheminemodernization.Existingproblemsinwaterleveldetectionofminewaterstorageanddrainagesystemarestudied,anditisapplicabletocoalminesumpwaterlevelmonitoringsysteminthisgraduationtheses.SiemensS7-200PLCisusedascentralcontrolunit,KingviewisPCmonitoringsoftwareconfiguration,andEthernetisusedtoachievecommunicationbetweenlowerunitandPC.Inaddition,necessaryanalogexpansionmodulesandcommunicationmodulesareextended.Thenthesystemhardwaredesignandsoftwaredesignareintroducedindetail.

KeyWords：

Minewaterstorage；PLC；Controlmonitoring；Kingviewprogramdesign；Floodforecastandanalysis

第一章绪论

1.1安全监测监控系统概述

监测监控是对装备及系统的工作状态不间断地实时监控，并根据反馈信息自动对系统中异常部位采取相应对策的闭合自动控制作用。

随着科技技术的进步，生产自动化和管理现代化的矿井日益增多，传统的人工检测和一般的监控装备及其监测技术已无法适应现代化矿井生产发展的需要。

于是，系统监测技术和各种类型的安全监测系统装备相继问世，并正在取代各种简单的监测手段。

煤矿安全监测监控系统从监测影响生产安全和矿工人身安全的井下环境安全监控发展到了工况监控和生产监控，逐渐形成了矿区监测监控网络，矿井生产监控系统用来监控煤炭生产主要设备的工况，保护了通风、排水、运输、采掘等主要生产环节安全运行，为煤矿安全正常生产提供了保障。

由井上的监控中心、数据传输系统，井下的控制站、数据采集站和现场传感器等组成的煤矿监测监控系统，近年来发展有以下几个主要特点：

（1）煤矿监测监控系统向综合化方向发展。

煤矿监测监控系统从功能层次上看，向综合化方向发展。

监测系统设置有各种功能的传感器，它们将生产作业系统各环节上的环境参数，生产工况参数的变化信息，进行自动检测与变换，由传输系统送至地面监控中心，经计算机分析统计、显示、存储等处理，从而准确全面地掌握井下安全和生产情况，实现对灾害事故的早期预报和生产作业状况的自动控制。

（2）集散控制结构成为煤矿监测监控系统发展方向。

集散结构由控制中心主站和现场测控分站组成。

主站一般采用PC机，主要负责对监测数据进行显示、收集、存储、处理、报表打印等。

分站可脱离主站独立、自动地进行就地监控，它一般由中小型可编程控制器（PLC）组成。

主要采用FSK和现场总线进行数据传输，多采用总线型、环型拓扑结构。

（3）煤矿监测监控系统智能化。

不断推出的智能传感器具有灵敏度自动补偿，有自动校正，温度补偿，非线性自动补偿等功能。

监控系统具有故障自诊断，故障报警，故障自排除等功能。

（4）煤矿监测监控系统通用化。

新推出的监控监测系统不仅应用在煤矿的安全和生产上，而且在不同的监测监控任务也得到应用。

（5）煤矿监测监控系统开放化。

通信协议或规程通用性，互连模式的标准化，是新推出的集散监测监控系统新特点。

如OPC、COM/DCOM等。

这样，只要遵循这些规程，任何集散测控系统都能与其它系统或计算机系统相连，方便地组成多节点的计算机局域网络，实现系统间的通信和数据共享。

（6）煤矿监测监控系统应用软件发展趋势。

煤矿监测监控系统采用上位机控制软件的进行组态、使监控系统同时执行多中任务，提高了系统的智能化和友好性。

同时软件系统还具有开放化、标准化，管理软件化，数据库化。

煤矿安全监控系统是以矿山井上、井下各主要生产和辅佐生产环节的作业环境条件与作业状况为监控对象，以各种传感器为参数数据收集元件，以数字信息处理为技术基础，用计算机进行信息处理的一种实现分散和集中监测、控制的自动化系统。

由环境安全监控系统、矿井水仓水位监控系统、电力监控系统、工作面生产监控系统、通风监控系统、煤矿皮带传输系统、瓦斯抽放监控系统、人员定位系统等各个子系统组成。

通过工业以太网，将各子系统数据进行采集分析，对所有子系统进行集中控制与管理，大大提高生产效率，节省了大量开支。

它是矿山实现遥测、遥讯、遥控和全面自动化的一个极其重要的组成部分。

煤矿井下水仓水位监控系统是矿井监控管理系统的一个子系统，也可以单独成为一个系统，本文以该系统为例，详细介绍其功能的实现以及与综合监控管理系统的融合。

由于各个子系统在设计上相互独立，在应用上相辅相成。

因此，矿井水仓水位监测监控系统的设计，对各子系统的设计具有一定的参考作用，在部分功能上也可以互相移植。

1.2国内外现状

1.2.1国外煤矿监测监控系统现状

20世纪70年代末国际上开始应用矿井监测系统，进入80年代初期，日本、美国、波兰、法国、德国等国家先后研制并使用了十余种安全监测系统，在这些早期研制的系统中已开始使用小型机和微型计算机进行数据处理。

在信息传输方式上，有时分、频分、基带、脉码、编码以及移频键控、调幅等多种方式，传输速率从50bit/s到500bit/s，分站容量有大有小，矿井安全监测系统有了很大发展。

这一时期的特点是：

用户系统围绕中央小型计算机配置，软件用高级语言编写，输入输出装置由实验型硬件组成。

井下传感器与中央计算机之间的通信协议通常以串行数据格式的电压表示，该协议仍受矿井环境的影响，系统程序是计算机顺利工作的保证，一般由生产单位提供。

国外煤矿监测监控从技术特性来看，主要是以信息传输的进步来划分的。

第一阶段；上世纪60年代中期开发，主要采用空分制信号传输方式。

主要产品：

法国的CTT63/40煤矿监测系统、波兰的CMM-20系统。

第二阶段：

随着以晶体管电路为主的信息传输技术的发展，煤矿安全监控系统主要采用频率区分信道的频分制信号传输方式，采用频分制传输信道，使电缆芯数大大减少。

主要产品：

西德Siemens公司的TST系统和F+H公司的TF200（早期是TF24）系统。

第三阶段：

集成电路的出现推动了时分制系统的发展，从而产生以时分制为基础的第三代煤矿监控系统,其通信规程比较严格、抗干扰能力强、传输电缆与测试点数无关、结构简单、配置灵活。

主要产品：

英国的MINOS系统、美国的DAN6400系统、西德的GEA-MATIC-2000全矿井监控系统等。

第四阶段：

随着计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新科技的迅速发展,形成了以分布式微处理机为基础,以开发性、集成性和网络化为特征的第四代煤矿监控系统。

主要产品：

美国MSA公司DAN6400系统，加拿大参透里昂600型系统。

国外监测监控技术起步较早，发展较快，各种现场总线的监控系统体系结构已经相当成熟，并广泛应用于生产、安全监控领域。

如德国的GEMATI2900i矿井监控系统、美国HONEYWELL公司的全矿井安全监控系统等。

1.2.2国内煤矿监测监控系统现状

矿井中央泵房是矿山企业的机电要害场所，直接影响到矿山企业的安全生产，现在国内矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高，这影响了生产的安全性和高效性，矿井中央泵房自动控制可以有效解决这些问题。

井下的水泵功率大、电压高、启动复杂，水泵启动前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法来完成。

现在泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察，普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。

井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。

目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运转状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。

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也做了大量的研究。

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。

1.3课题研究内容及意义

1.3.1课题的意义

煤矿监测监控系统为各层管理层、监控层和其他业务部门提供实时的井下环境动态信息，通过对信息的的对比和分析，找出可能发生的事故灾害。

便于提前采取防范措施；通过对被测参数实时有效的控制，及时实现自动报警、断电保护、和故障排除，能够有效的避免事故的发生或扩大。

我国的煤炭绝大部分蕴藏在北方缺水地区，尤其是西北干旱地区。

目前储量较大的神府煤田、古交煤田就处在黄土高原的内蒙古、陕西、山西一带。

干旱缺水大大地阻碍了煤炭能源基地的建设和发展。

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一步增长。

煤炭是我国的主要能源，在一次能源构成中一直占70%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75%的工业燃料和动力、85%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12亿吨，居世界首位，而同时每生产1吨原煤将从地下抽排出2~4m³的地下水，即矿井水，平均每年将有20~40亿m³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40%，这些地下水绝大部分被排放掉，煤矿利用率仅为10%。

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（SS）、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，完全能够达到生活用水的指标。

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，将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。

矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关，涌水量在不同的季节也存在不同。

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。

煤矿井下中央泵房控制系统具有控制简单、可靠、经济等优点。

所以，基于PLC的井下排水中央泵房的控制系统的研究对煤矿的安全、高效生产具有非常重要的意义。

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预问题。

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，比如顶板、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。

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地排出矿井。

因此，设计一套行之有效的煤矿井下水仓水位监测系统是不可或缺的。

1.3.2课题的研究内容

本课题主要是对煤矿井下水仓水位进行实时监测，为达到以上目的，本课题主要做以下几个方面的工作：

1、设计水位中传感器，实时测量水仓水位。

2、测量每个水泵电机的电流、开停状态和轴承温度。

3、根据井下水仓水位的高低自动控制3台水泵的运行；

4、通过液晶显示器实时显示水仓水位、电机开停、电机电流和电机轴承温度等状态值；

5、当水位超限（包括高限和低限），电机电流超限（包括过流和欠流），轴承温度超温时进行报警；

6、具有过流、过压、短路、流量等保护信号的监测功能；

7、报警功能：

1振动超限

2电机温度超限

3水位超限

4过电流

8、通信功能：

通过与上位机的通信，实现远程监测中心对排水系统各参数及各设备的运行状态进行远程监测以及远程实时控制。

第二章系统设计方案

2.1系统总体结构

本系统安装在煤矿井下水仓附近，对水仓水位及排水泵电机的各项参数进行实时监测并显示，因此，本监控装置设计为长方形翻盖式壳体，上盖内侧为液晶显示器，壳体内部为监控报警系统的控制线路板，壳体外侧是多个M16喇叭口，分别用于连接各个传感器以及电源输入。

本系统为每个水泵电机配备有两个温度传感器、一个电流传感器和一个开停传感器，分别用于测量电机左右轴温度、电机工作电流和电机开停状态。

另外还有水位传感器用于测量水仓当前水位。

整个系统按所处位置，可分为地面部分和井下部分。

地面监控上位机是一套采用组态王软件设计的用于煤矿井下水位监控系统管理软件。

整个系统主要由数据采集与控制命令的发布和地面监控中心组成。

其中数据采集包括两部分：

一是通过PLC模块完成主水仓排水系统的数据采集；二是将这些数据通过光缆和以太网技术传送至地面监控中心。

实时显示水仓水位、相关设施及所有信号状况，并能方便地进行多画面切换；当井下被测参数超限、保护动作及设备运行状态改变后，给出语音、文字告警提示，从而实现人机对话。

井下PLC通过CP243-1以太网通讯模块接入以太网，主要实现对现场设备的控制、数据采集和反馈控制功能。

2.1.1地面部分

地面部分主要是监控上位机和工业电视对水仓水位及相关设施进行监测、监视和集中控制。

工业电视对各个系统综合监测、监视和集中控制。

主要设备、设施包括工业控制计算机、打印机、不间断电源和工业电视等。

两台监控上位机组成一台作为主监控机，另一台作为从监控机。

当主监控机出现问题可以立即切换到另一台作为主监控机，以防止数据丢失或控制失控。

2.1.2井下部分

矿井水仓水位监测监控系统井下部分包含可编程控制箱、传感器、文本显示器。

此外还有排水系统电机、水泵、闸阀等。

可编程控制箱作为水泵自动控制系统的控制和数据的采集核心，负责采集关联设备的运行信息、设备状态，通过工业PPI与上位机通讯、交换信息，同时对各设备进行集中监控。

离心泵，是我国矿井下排水的主要设备，水泵机组采用多级耐磨离心式水泵和防爆电机。

它是将高速旋转电动机的机械能转化为被抽液体的势能和动能。

离心泵在启动之前，应先通过射流泵灌满水，当达到真空度时启动电机，使叶轮和水作高速旋转运动，此时，水受离心力作用被甩出叶轮，经蜗形泵壳中的流道而流入水泵的压水管，继而由压水管道排入抽水管道中。

同时，水泵叶轮中心形成真空，在大气压的作用下水仓中的水便沿吸水管源源不断地流入叶轮吸水口，又受到高速转运叶轮作用，被压入出水管道。

矿井水仓水位监控系统包括电气和机械两部分。

电气部分主要包括高低压开关柜、防爆电动机、软启动器等。

机械部分主要包括离心泵、射流泵、闸阀、管道及压力表等。

传感器用来监测各种数据，包括超声波液位传感器、投入式液位传感器、真空度传感器、温度传感器、压力传感器等。

射流泵是离心泵抽真空的方式。

安装简单只需在主管道上加一旁路。

离心式水泵启动前，为了避免水泵转动时无法吸水，引起的“干烧”，需要将泵腔内和吸水管注满水。

一般情况下都是采用射流泵抽真空，如果射流泵不能抽真空，还可以采用传统的起动前灌水抽真空。

排水系统结构图如图2-1所示。

图2-1排水系统结构图

2.2监测系统具体实现

2.2.1系统的安装

矿井水仓水位监测监控系统由系统由地面控制中心、传输线路、井下分站、相关保护装置等组成。

地面控制中心主要有两台PC、打印机、交换机、电源、光纤收发器等。

井下部分主要包括控制柜、PLC、开关电源、各种传感器、光纤收发器、防爆隔爆设备等。

2.2.2系统工作原理

正常情况下，监控系统对各被测物理量进行不间断巡测。

具体工作流程是这样的：

首先，各类传感器将被测物理量转化为系统能够接受的电信号。

其中，温度值、电流值、水位值均由相应的传感器把测得的数据转化为频率值进入控制电路，并且由模拟多路选择开关控制，由微处理器依次巡检。

微控制器对读取的数据进行数据转化，处理，比较和存储后，送到液晶显示器上显示，当发生报警时能够发出声光报警信号。

同时，能够随时接收调零设置按键的信号，对相应电流及水位值进行调零，并且设置各项参数的报警值

2.3主控制柜的设计

本课题需要解决两个方面的关键问题：

一是各种被测信号的采集和处理，二是对各种信息的实时显示。

系统将要对多种信号进行采集，包括水泵电机的电流值、开停状态和轴承温度值，以及水仓水位值。

这些信号的类型比较多，需要用到多种传感器采集并进行信号放大等处理。

同时，系统需要将采集到的各种信息在液晶显示器上实时显示出来，并伴有动态模拟，因此如何实现微处理器与液晶显示器之间的通信，并通过命令操作进行动态显示是要解决的一个关键问题。

2.4系统的总设计方案

可编程控制箱作为矿井水仓水位监测监控系统的控制和数据的采集核心，负责采集关联设备的运行信息、设备状态，通过工业以太网与上位机通讯、交换信息，同时对各设备进行集中监控。

由于工作场所在井下中央水泵房，根据煤矿安全标准，不能使用普通PLC机柜，而采用隔爆外壳，线缆进出均经由喇叭嘴，并使用堵片等进行密封，达到隔爆效果。

图2-2系统总体设计图

本系统选用西门子S7-200系列可编程控制器作为控制核心，按照模块化设计的要求，各种单独模块之间可以进行广泛的组合和扩展。

其主要组成部分由导轨、模拟量扩展模块EM235、及PPI通讯模块CP343-1等。

煤矿内采用660V电源输入控制箱，经变压器转换后，一路220V电压为PLC和开关电源供电，另一路27V电压至本安电源板，转为24V直流电压信号为按钮、文本显示器、传感器等设备供电。

第三章监控系统的硬件设计

3.1PLC的简介及选型

可编程逻辑控制器（简称PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下运用而设计。

在其内部存储执行逻辑运算、算术运算、顺序控制、定时、计数等操作的指令，并通过输入和输出端口，控制各类机械或生产过程。

可编程控制器及其外围的有关设备，按照易于与工业系统联成整体的、易于扩充其功能的原则设计。

图3-1PLC结构图

PLC系统主要由中央处理器（CPU）、输入单元、输出单元、存储器、扩展接口、通信接口、电源等部分组成，如图3.-1所示。

1．中央处理单元（CPU）

CPU是PLC的核心，这点与计算机相似。

CPU通过输入装置读入外部状态或数据，并存入输入寄存器中，由用户程序去处理，并根据处理结果，更新输出映象寄存器的相关标志位的状态和内容，最后，通过输出控制外设。

2．I/O模块

I/O模块即输入输出单元，是CPU和外部设备模块连接的桥梁，也是PLC与工业生产现场之间的连接部件。

PLC通过输入接口与被控对象的进行各种数据交换