基于网络技术的煤矿排水系统研究.pdf

第1 期( 总第1 3 1 期) N o 1 ( S U M N o 1 3 1 ) 机 械 管 理 开 发 MEC HANI C AL MAN AG EME NT AND DE VEL OP ME NT 2 0 1 3 年 2 月 F e b 2 0 】 3 基于网络技术的煤矿排水系统研究 杨 中政 ( 晋城无烟煤矿业集团有限责任公司， 山西晋城0 4 8 2 0 5 ) 摘要：以煤矿排水系统为研究对象， 在分析系统特点的基础上， 研究了下位机之间的R S 4 8 5 通信及上位机与下位 机之 间的以太网通信 系统 ， 最终设计 了基 于网络的煤矿 自动排 水 系统。 关键词： 排水系统： R S 4 8 5 ； 以太网 中图分类号： T D 7 4 4 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 3 7 7 3 X ( 2 0 1 3 ) O 1 0 1 3 8 0 3 0引 言 矿井水的形成机理复杂， 其水源来源于降水、 地表 水、 断层水、 含水层水和采空区水。大气降水除了一部 份被蒸发和随河流流走以外， 另一部分则沿岩石的孔 隙和裂隙进人地下 ， 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 由于矿井开采深度不同 ， 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u I 。煤矿排水 系统就 是将煤矿生产过程中涌出水汇集起来集中排出去， 围 绕煤矿主排水 自动化的研究成果很多， 但仅实现了主 水仓的自动化控制， 并没有对数量众多的小水仓实现 自动化。 巷道排水是一个 困扰安全生产 的技术难题 ， 具有 分布分散 、 情况各异、 变化复杂的特点。巷道 内的局部 移动式排水设备布置地点分散 、 人员巡检不足， 启动和 停止都需巡检人员操作等， 因此造成了设备故障， 影响 生产， 目前完全依靠人工监测与手动控制， 依赖于工人 的责任心， 无法及时准确了解各水位点的水位值及水 位的变化情况、 无预警装置。这样对井下工作人员的 安全构成潜在威胁， 而且无法根据水位和其他参数自 动开停水泵p 。 通过设计矿井水位监测与控制系统力图解决上述 问题。通过研究煤矿巷道内积水分布规律以及造成的 问题， 设计一套专门用于矿井巷道水参数监测、 故障及 危险预警及 自动控制的装置。研究按照分站组 网及 主 站集中监控的方式实现上述目的， 分站具有模拟量采 集、 数字量控制及通讯联网功能。 1 总体技术方案 目 前矿井水管理逐渐有向全矿井综合自动化系统 平台并人 的趋势 ， 即建立冗余 业以太网 ， 实现井上 、 下 自动化控制网络平台 ， 整合矿井的所有与水控制和 管理有关的设备， 通过防火墙与矿级管理系统组成高 速 、 统一 的整体 网络结构 ， 实现全矿井的管控一体化。 整个系统分为“ 信息层” 、 “ 控制层” 和“ 设备层” 三层体 系结构。控制层采用工业以太环网， 设备层采用现场 总线 ， 保证 了现场子系统的实时性 ， 实现了矿井水管理 系统状况的实时监测和集中、 远程控制， 有效地提高了 矿井生产 自动化和管理现代化水平。 通过研究 目前煤矿巷道内积水分布规律以及造成 的问题 ， 设计一套专 门用于矿井巷道水参数监测 、 故障 及危险预警及 自 动控制的装置。研究按照分站组网及 主站集中监控的方式实现上述 目的 ， 分站具有模拟量 采集 、 数字量控制 及通讯联 网功 能 。分站 之间采用 R S 4 8 5 方式通信 ， 系统与地面监控中心采用以太网接 口方式联结 ， 也 可以单独架设 通讯线路 与地 面系统 联结。研究在单巷道内布置十套分站与一套主站对 2 0 0 0 m范围内巷道水进行集中监控 ， 研究实现沿程报 警 、 主机状态集中显示 、 点位编号及状态识别 、 故障查 询、 自动排水、 备用电源 自动投入及设备防水设计等。 本系统的关键技术是实现沿线报警， 即能将各分站信 息集中到主机， 主机识别后传输相应指令到分站， 实现 一 点发生异常 ， 沿线各点均能实时报警及显示报警点 位； 实现不同制式信号的传输与控制， 即分站与主机之 间的通信 ； 现场设备实现后备 电源保护 ； 主机软件系统 应有智能化功能， 即能根据各传感器的融合信息实现 现场设备控制与故障自适应识别。 2 通信设计 2 1 可编程控 制 器 P L C$ 7 - 2 0 0 CP U2 2 6 井下监控分站 主要 由 可 编 程 控 制 器 S 7 2 0 0 C P U 2 2 6 、 通 讯 隔 离 模 块 R S 一 4 8 5 、以 太 网 模 块 C P 2 4 3 1 、 光纤模块 、 人机 收稿 日期： 2 0 1 2 - 0 8 0 6 作者简介： 杨中政( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 山西长子人， 助理工程师， 本科， 从事技术管理工作。 1 38 图 1 S 7 2 0 0 CP U 2 2 6 通信 端口连接示意图 第 1 期( 总第1 3 1 期) 杨中政： 基于网络技术的煤矿排水系统研究 界面H M I 、 本安电源、 开关电源等构成。其中， 可编程 控制器S 7 一 -2 0 0 C P U 2 2 6 是井下监控单元的核心， 它负 责联网及控制。其通信结构， 如图1 所示。 2 2 RS 4 8 5通信 R S 一 4 8 5 接 口是一种 E I A标准 串行接 口， 采用 9 针 连 接 器 ， 利用 平 衡差 分 方式 进 行驱 动 。s 7 一 2 0 0 C P U 2 2 6 的通信物理层都是R S 一 4 8 5 通信， 而且采用的 都是相同的通信线缆和专用网络接头。在本设计中， 未采用P C P P I 电缆R S 一 -4 8 5 ， 而是采用 R S 一 -4 8 5 通信隔 离板 ， 如 图 2 所示 。这 个 通 讯 板 与 P C P P I电 缆 R S 一 4 8 5 ， 功能 相 同 ， 只是 它 是 以光 电隔离 芯 片 为 主制作的， 在这个通信板 上 ， 没有 P C P P I 电缆 的九 图2 R S - - 4 8 5 通信板接线图 针， 只有本质安全型电源端和通信端 口。采用这种方 式主要为保证系统的本质安全性。 S 7 2 0 0 的自由口通信是以R S 一 4 8 5 为通信基础的 半双工通信， 自由口通信就是用户 自己规定通信协议， 没有固定的协议标准。自由口通信的核心就是发送 ( X T M) 和接收( r t c v ) 两条指令以及一些特殊寄存器的 控制， 其中， 由于R S 一 4 8 5 的半双工通信， 发送指令与接 收指令不能同时处于工作状态。 S 7 2 0 0 C P U使 用 特 黼 ；M B 3 0 T T 作 P o r t O E l 进行通讯 1：3 工作 世 置 模式的定义， 其中， 控制字 11 1 3 s M B 3 0 的格式示意图 节的定义 ， 如下图3 所示 。 控制位“ ” 是奇偶校验的选择 ， p p = 0 0 代表无奇 偶校验。 控制位“ 是每个字符的位数， d =- O 代表每个字符 为 8 位。 控制位“ b b b 是波特率的选择， b b b = 0 1 0 代表波特 率为 9 6 0 0b p s 。 控制位“ 册 ” 是通讯协议的选择， ra m =- 0 1 代表通 信协议是 自由口协议。 s 7 2 0 0 C P U 通过X M T 、 R C V 指令可以在 自由口模 式下向其他设备进行通讯。其中， x M T ( 传送指令) 与 传送中断结合使用 ， 先由“ X M T ” 指令允许s 7 一 -2 0 0 C P U 从 C O M端 口最多传送 2 5 5 个字符 ， 当传送完成后 ， S 7 一 -2 0 0 将 自动产生一个传送中断事件向程序发出通 知， 在传送中断事件中， 完成其他行为。R C V ( 接收指 令) 类似， 与接收字符中断事件相结合完成接收信息， 在P L C收到正确信息后， P L C 程序 自动生成接收完成 中断事件， 在接收字符中断事件中， P L C 根据正在执行 的程序处理这些接收到的字符。s 7 2 0 0 的自由口通 信协议是基于R S -一 4 8 5 通信基础的半双工通信， 其核心 是X M T 与R C V两条指令以及相应特殊寄存器的控制 以及通讯协议的搭建。当选择自由端口模式， 用户通 过程序控制s 7 2 0 0 的通讯端口， P L C 程序主要通过使 用X M T 指令、 R C V指令 、 传送中断、 接收中断以及特殊 寄存器控制字的编写来完成通讯端口的操作。 2 3以太 网通 信 随着互联网技术的进步， 数量众多的工业控制使 用以太网通讯方式， 其T C P I P协议作为主要的通信标 准， 以太网具有系列技术优点 ： 实时性强、 稳定性好和 可靠性高； 以太网带宽款和误码率低； 能实现全双工通 信和具优先权的传送机制保证信号传送的确定性 ， 因 此 ， 以太网全面在工业控制领域具有无可比拟的优 势。排水系统的总站与上位机之间的通信采用工业以 太环网， 主干网络采用矿用光纤传输， 在物理和逻辑上 考虑到网络信道的冗余， 确保网络通路的安全 51 。 以太网模块C P 2 4 3 1 是煤矿井下分站能将信号上 传下递通信中转站 ， 它根据T C P I P 通讯标准进行通 讯 。以太 网通讯硬件配置主要包括： 以太 网模块 C P 2 4 3 1 、 光纤模块 、 地面光端机及光缆。煤矿井下监 控分站中P L C 的各个电量参数 、 开关状态量等信号， 通 过以太 网通讯模块 C P 2 4 3 1 传递 ， 再 由光纤模块的 R J 4 5 接口与以太网模块的R J 4 5 口相连接， 把以太网模 块传递的电信号转换为光信号， 用矿用光缆与地面的 光端机相连， 通过地面光端机， 将分站P L C 的各个参量 传递给地面集控站。 以太网模块 C P 2 4 3 1 主要用于s 7 2 0 0 P L C实现 以太网通信的自动化系统处理器。其作用在于将P L C 连接到 以太 网 。S I E ME N S 专用 S T E P 7 Mi c r o WI N 3 2 在以太网模式下远程对s 7 2 0 0 进行程序编制及修改， 并具有故障诊断功能。在通信系统中， 工业以太网在 过程控制和单元控制中起到网络连接作用。其物理结 构为采用屏蔽 同轴 电缆或 者双绞电缆进行远距离传 输的电气网络， 但传输距 离受 限很大 ， 当采用光纤 电缆的光纤网络传输时， 不仅在传输距离上可获得 优势且传输速度很快。其 连接结构， 如图4 所示。 3结论 图4 以太网模块接线示意图 传统的排水方式为使用人工检测控制方式，不仅效 1 3 9 第1 期( 总第 1 3 1 期) 机 械 管 理 开 发 2 0 1 3 年2 月 率低，且矿工劳动强度大， 而且很容易出现误操作，影响 正常工作，甚至引发危险事故。本系统对于保障煤矿 安全生产， 降低工作人员劳动强度， 提高自动化与信息 化水平， 提高煤矿管理的现代化水平具有重要意义。 参考文献 【 l 】 许世华 矿井水的来源及其防治措施【 J 1 矿业安全与环保 ， 2 0 0 2 ， 6 ( 2 9 ) ： 8 4 - 8 8 【 2 】 陈雄， 刘俊杰 ， 吴寅， 等 矿井水资源化与生态环境安全探讨 j J _安全与环境学报， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 6 5 6 8 3 3 桂祥友， 马云东， 王文 矿井水资源管理系统的研究f J 1 辽宁 工程技术大学学报， 2 0 0 2 ， 2 1 f 4 1 ： 4 6 6 4 6 8 4 】 高奇峰， 杨兆建 矿井 自动排水系统液压闸阀动态特性分 析 矿山机械， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 9 ) ： 7 0 7 3 【 5 】 于治福， 李旭鸣， 商德勇 基于P L C 的煤矿主排水泵自动控 制系统设计 J 煤矿机械， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 2 4 2 6 Re s e a r c h f o r Co a l M i n e Dr a i n a g e S y s t e ms o n Ne t wo r k Te c h n o l o g y YANG Zh on g-z he ng ( J i n c h e n g A n t h r a c i t e C o a l M i n i n g G r o u p C o ， L t d ， J i n c h e n g 0 4 8 2 0 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T t h e s t u d y o b j e c t i s c o a l mi n e d r a i n a g e s y s t e m ， o n t h e b a s i s o f s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s ， t h e c o m mu n i c a t i o n s y s t e m i s s t u d i e d t h e RS 4 8 5 a n d b e t we e n t h e l o w e r ma c h i n e i t s e l f a n d e t h e r n e t b e t we e n t h e l o we r ma c h i n e a n d t h e h o s t c o mp u t e ， t h e c o a l a u t o ma t i c d r a i n a g e s y s t e m i s d e s i g n e d fi n a l l y Ke y wo r d s ： d r a i n a g e s y s t e m； RS 4 8 5 ； e t h e r n e t ( 上接第 1 3 5页) 参考文献 【 1 宛剑业C A X A数控车实用教程【 M 北京： 化学工业出版 社 ， 2 0 0 8 2 】 杨士军 C A X A数控车削加工【 M】 北京 ： 国防工业 出版社， 2 0 0 4 【 3 】3 熊隽 C A X A数控车自动编程注意要点及难点解析 J 】 机械 工程与 自动化 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 7 5 1 7 7 Au t o ma t i c P r o g r a mmi n g o f Ty p i c a l La t h e Pa r t M A Co n g - l i n g ( S h a a n x i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a n z h o n g 7 2 3 0 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I t S i l l u s t r a t e d wi t h a n e x a mp l e a b o u t i n d u s t r i a l a n a l y s i s o f l a t h e p a r t I t e x p l a i n e d o r d i n a r y p r o g r a m o f CAX A NC NC p r o g r a m mi n g n e e d 4 s t e p s ， d r a w i n g p a rt s o u t l i n e d e s i g n a n d b l a n k s i z e ， c r e a t i n g t o o l p r o c e s s i n g t r a c k ， g e n e r a t i n g p r o c e d u r e s ， c o mb i n i n g w i t h S h a n g h a i Yu L o n g s i mu l a t i o n s o f t wa r e， r e a l i z i n g ma c h i n i n g i n wh o l e s i mu l a t i o n e n v i r o n me n t Ke y wo r d s ： t y p i c a l l a t h e p a r t ；a u t o ma t i c p r o g r a mmi n g ； p r o c e s s i n g ( 上接 第1 3 7页) 文档管理。2 ) 集绘图、 选型校验与整定计算和计算报 告自动输出于一体。3 ) 采用图元绘图具有方便快捷 的特点。4 ) 采用数据库维护 ， 易于管理 ， 使用方便。 5 ) 整定计算说明书 自动输 出极大地减轻 了技术人员 的负担 。 参考文献 【 1 马俊， 孙忠永 E x c e l 在煤矿井下低压供电设计中的应用 J 1 能源技术与管理， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 8 8 8 9 2 】 王俊飞， 杨洁明 基于A u t o C A D的矿井设备供电绘图系统 的开发f J 1 煤矿机电， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 6 1 6 3 【 3 】 彭宏钊 ， 毛善君 ， 曹春杰 ， 等 基于G I S的煤矿井下供电设 计系统的实现 J 煤炭科学技术， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 9 6 9 9 【 4 李定明 浅谈煤矿井下供电的计算机辅助设计软件需处理 的问题f J 1 煤炭工程， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 7 8 Re s e a r c h o n S o f t wa r e S y s t e m for Po we r S u p p l y i n Co a l Mi n e YUW EN Hu i - b i a o ( J i n c h e n g A n t h r a c i t e C o a l Mi n i n g G r o u p C o ， L t d ， J i n c h e n g 0 4 8 2 0 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n v i e w o f t h e p r o b l e ms o f t r a d i t i o n a l c o a l mi n e p o we r s u p p l y d e s i g n ， a me t h o d i s p u t t e d f o r w a r d b a s e d o n t h e C AD s e c o n d a ry d e v e l o p m e n t f o r p o w e r d r a w i n g ， c a l c u l a t i o n a n d s e t t i n g s c h e me A o b j e c t - o r i e n t e d d e s i g n a n d v i s u a l p r o g r a mm i n g t e c h n o l o g y a r e u s e d w i t h A c t i v e X a u t o ma t i o n t e c h n o l o g y ， t h e s o f t wa r e s y s t e m i s d e s i g n e d wi t h p o we r s y s t e m g r a p h i c d r a w i n g w i t h p r i mi t i v e ， d a t a b a s e ma n a g e me n t ， s t a t i s t i c s a n d c a l c u l a t i o n o f h u ma n c o mp u t e r i n t e r a c t i o n ， s e t t i n g c a l c u l a t i o n o f a u t o ma t i c o u t p u t r e p o rt I n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e s o ft wa r e c a n g r e a t l y r e d u c e t h e t e c h n i c a l p e r s o n n e l b u r d e n ， a n d h a s a d v a n t a g e s o f a c c u r a t e c o mp u t a t i o n r e s u l t s Ke y wo r d s ： p o we r s u p p l y i n c o a l mi n e ； s e c o n d a r y d e v e l o p me n t ； p r i mi t i v e ； d a t a b a s e ； v i s u a l p r o g r a mmi n g 1 40