專利名稱：礦井水情預測與排水智能控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于礦山井下水情管理技術領域，特別涉及一種礦井水情預測與排水智能 控制系統。
背景技術：
在煤礦生產過程中，經常可以見到地下水流入巷道和工作面，這就是礦井水。礦井 水的形成一般是由于巷道揭露和采空區塌陷波及到水源所致，其水源主要是大氣降水、地 表水、斷層水、含水層水和采空區水。雖然各煤礦區地質與水文地質采礦條件不同，礦井水形成過程會相應的不同，但 是，其機理及制約因素具有共同的特征。礦井水呈現兩種貯存形式，即形式一，為保證安全 煤炭生產，在采礦過程中隨匯隨排的，過路礦井水，是必須進行疏排的；形式二，礦井、井巷 封閉后經一定時間匯集的，滯流礦井水，其在資源化取用之前交替性和循環性極差。根據礦 井水的成因和貯存形式，礦井水無疑是煤礦水資源系統的特定的組成部分，是具有補給機 制的含水系統的特殊單元，其補給水源主要是采動區域的地表水或淺層地下水，但是，由于 采動裂隙擴展貫通，此時滲流場和滲流條件己經改變，使不同水文地質單元的地下水直接 快速向采空區滲流匯集。綜上所述，不管是從礦井水的合理排放再利用方面，還是從礦井水的放任自流對 煤礦開采的極大危害方面考慮，都需要全面掌握礦下水各采場及巷道水情的變化情況，進 而積累礦井水情管理資料和及時有效的排出礦井。但日前礦山井下僅有排水控制系統，對于局部水情檢測還沒有建立起來。現有的 液位檢測傳感器比較昂貴，也無法建立起水渥檢測系統。而由于水情變化隨機情比較大，無 法建立起精確的數學模型，因此，也無法預測進下水情的變化情況。
發明內容
為了解決現有技術的不足，本發明提供一種礦井水情預測與排水智能控制系統。該系統硬件裝置包括井下局部積水井積水量檢測傳感器群、主積水井積水量檢測 傳感器、RS-485通信網絡模塊、液位檢測裝置、主控制室計算機、井下排水泵站和泵站主控 制箱；RS-485通信網絡模塊包括RS-485通信控制總線、總線通信控制器和中繼器；
井下局部積水井積水量檢測傳感器群采用至少一個智能液位變送器； 智能液位變送器包括485總線插頭、第一 CPU、監視定時器和光電開關；監視定時器連 接第一 CPU，485總線插頭的數據線經過轉換器連接第一 CPU，光電開關連接第一 CPU ；
總線通信控制器包括TTL與232轉換器、TTL與485轉換器、第二 CPU、地址鎖存器和 RAM ；TTL與232轉換器的輸出端通過或門與與門連接第二 CPU串行輸入端，第二 CPU串行 輸出數據端經或門連接TTL與232轉換器的輸入端，變成232信號，由TTL與232轉換器輸 出端輸出；TTL與485轉換器的輸出端通過或門與與門連接第二 CPU串行輸入端，第二 CPU 串行輸出數據端經或門連接TTL與485轉換器的輸入端，變成485信號，由TTL與485轉換
7器輸出端輸出；第二 CPU的地址端口連接RAM的地址總線端；第二 CPU的地址與數據端分別 連接地址鎖存器的輸入端和RAM的數據總線端，地址鎖存器的輸出端連接RAM的輸入端；
中繼器包括兩個TTL與485轉換器和一個反向器，分別為MAX-485-1和MAX-485-2 ； MAX-485-1的接收端與MAX-485-2的發送端連接，MAX-485-1的發送端與MAX-485-2的接 收端連接，MAX-485-2的接收與發送使能端經反向器反向后與MAX-485-1的接收與發送使 能連接，MAX-485-1和MAX-485-2的通信總線控制信號直接連接；當控制線輸出低電平時， MAX485-2從傳感器一側接收數據，并將MAX485-2接收的RS485數轉換成TTL電平，再由 MAX485-1轉換成RS485數據向主控制室計算機方向發送；
液位檢測裝置包括充液筒、浮子、浮子頂桿、下液位光電開關、下液位開關卡套、浮子桿 導向管、上液位光電開關、上液位開關卡套、光敏二極管和發光二極管；充液筒上端連接浮 子桿導向管，浮子設置在充液筒內，浮子上端連接浮子頂桿，上液位開關卡套和下液位開關 卡套分別固定在浮子桿導向管外壁的上下兩端，上液位光電開關和下液位光電開關分別設 置在上液位開關卡套和下液位開關卡套內，發光二極管和光敏二極管分別安裝在浮子桿導 向管下端兩側；
液位檢測裝置中上液位光電開關和下液位光電開關通過導線均連接智能液位變送器， 智能液位變送器連接中繼器，中繼器通過RS-485通信控制總線連接總線通信控制器，總線 通信控制器連接主控制室計算機，主積水井積水量檢測傳感器和井下排水泵站連接泵站主 控制箱。 該礦山井下水情監測預測與排水智能控制系統包括數據庫管理單元、排水設備故 障診斷與智能控制單元、通訊控制單元和井下水情預測單元；其中數據庫管理單元包括水 情歷史數據模塊、系統報警數據模塊、局部排水井地理信息模塊和主排水泵站設備信息模 塊；排水設備故障診斷與智能控制單元包括用電峰谷平設置模塊、設備故障診斷模塊和智 能排水控制模塊；通訊控制單元包括PLC通信控制模塊和傳感器群通信控制模塊；
1、數據庫管理單元采用SQL-Server軟件進行數據管理，具體如下
1)水情歷史數據模塊
包括井下主積水井輸入流量記錄和井下各局部積水井流量記錄；主積水井增加流量記 錄用于井下全局水情預測，而局部積水井輸入流量記錄用于局部水情預測；
2)系統報警數據模塊
包括全局水情報警數據、局部水情報警數據及各水泵電電機軸承溫度電壓電流的報警 數據；
水情報警信息包括水情編號、水情警戒類型、水情警戒等級和水情系數值；
3)局部排水井地理信息模塊
包括巷道編號、積水井編號、積水井位置、水情類型編號、積水井上下水位之間的距 離、積水井截面積&和積水面積&，即局部積水井周圍環境向積水井蓄水的面積；
4)主排水泵站設備信息模塊
包括設備生產廠家、入礦時間、維修保養與故障記錄，同時包括各水泵電動機運行過 程中檢測溫度、流量、電壓及電流檢測歷史數據；
2、排水設備故障診斷與智能排水控制單元，具體如下
1)用電峰谷平設置模塊包括一天用電峰值起止時間及電價即電價最高、用電谷值起止時間及電價即電價最 低、用次谷值起止時間及電價即電價次低和用電平值起止時間及電價即電價較高； 2)設備故障診斷模塊
水泵檢測分為溫度信號檢測與電器信號檢測兩個方面內容。每臺水泵有5個溫度信 號，分別是水泵兩個軸承溫度、電機兩個軸承溫度及電機定子溫度。這5個溫度信號與設置 閥值比較，如果檢測值超過設定值，說明系統中關鍵零部件有故障，而且依據溫度與溫度變 化規律，給出故障等級。故障等級分為7級，而溫度值與溫度單位時間上升值同樣分為7個 等級，由給出7個故障等級判別，其判別方法由如下模糊判別表下。
表1電動機水泵溫度傳感器故障模糊判別表
權利要求
一種礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于該系統硬件裝置包括井下局部積水井積水量檢測傳感器群、主積水井積水量檢測傳感器、RS 485通信網絡、液位檢測裝置、主控制室計算機、井下排水泵站和泵站主控制箱；RS 485通信網絡包括RS 485通信控制總線、總線通信控制器和中繼器；井下局部積水井積水量檢測傳感器群采用至少一個智能液位變送器；液位檢測裝置中上液位光電開關和下液位光電開關通過導線均連接智能液位變送器，智能液位變送器連接中繼器，中繼器通過RS 485通信控制總線連接總線通信控制器，總線通信控制器連接主控制室計算機，主積水井積水量檢測傳感器和井下排水泵站連接泵站主控制箱。
2.按權利要求1所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的智 能液位變送器包括485總線插頭、第一 CPU、監視定時器和光電開關；監視定時器連接第一 CPU,485總線插頭的數據線經過轉換器連接第一 CPU，光電開關連接第一 CPU。
3.按權利要求1所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的總線 通信控制器包括TTL與232轉換器、TTL與485轉換器、第二 CPU、地址鎖存器和RAM ；TTL與 232轉換器的輸出端通過或門與與門連接第二 CPU串行輸入端，第二 CPU串行輸出數據端 經或門連接TTL與232轉換器的輸入端，變成232信號，由TTL與232轉換器輸出端輸出； TTL與485轉換器的輸出端通過或門與與門連接第二 CPU串行輸入端，第二 CPU串行輸出數 據端經或門連接TTL與485轉換器的輸入端，變成485信號，由TTL與485轉換器輸出端輸 出；第二 CPU的地址端口連接RAM的地址總線端；第二 CPU的地址與數據端分別連接地址鎖 存器的輸入端和RAM的數據總線端，地址鎖存器的輸出端連接RAM的輸入端。
4.按權利要求1所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的中繼 器包括兩個TTL與485轉換器和一個反向器，分別為MAX-485-1和MAX-485-2 ；MAX-485-1 的接收端與MAX-485-2的發送端連接，MAX-485-1的發送端與MAX-485-2的接收端連接， ΜΑΧ-485-2的接收與發送使能端經反向器反向后與MAX-485-1的接收與發送使能連接， MAX-485-1和MAX-485-2的通信總線控制信號直接連接；當控制線輸出低電平時，MAX485-2 從傳感器一側接收數據，并將MAX485-2接收的RS485數轉換成TTL電平，再由MAX485-1轉 換成RS485數據向上位機方向發送。
5.按權利要求1所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的液位 檢測裝置包括充液筒、浮子、浮子頂桿、下液位光電開關、下液位開關卡套、浮子桿導向管、 上液位光電開關、上液位開關卡套、光敏二極管和發光二極管；充液筒上端連接浮子桿導向 管，浮子設置在充液筒內，浮子上端連接浮子頂桿，上液位開關卡套和下液位開關卡套分別 固定在浮子桿導向管外壁的上下兩端，上液位光電開關和下液位光電開關分別設置在上液 位開關卡套和下液位開關卡套內，發光二極管和光敏二極管分別安裝在浮子桿導向管下端 兩側。
6.按權利要求1所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的主控 制室計算機中嵌入該系統軟件功能單元包括數據庫管理單元、排水設備故障診斷與智能控 制單元、通訊控制單元和井下水情預測單元；其中數據庫管理單元包括水情歷史數據模塊、 系統報警數據模塊、局部排水井地理信息模塊和主排水泵站設備信息模塊；排水設備故障 診斷與智能控制單元包括用電峰谷平設置模塊、設備故障診斷模塊和智能排水控制模塊；通訊控制單元包括PLC通信控制模塊和傳感器群通信控制模塊。
7.按權利要求6所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的數據 庫管理單元采用SQL-Server軟件進行數據管理包括1)水情歷史數據模塊包括井下主積水井輸入流量記錄和井下各局部積水井流量記錄；主積水井增加流量記 錄用于井下全局水情預測，而局部積水井輸入流量記錄用于局部水情預測；2)系統報警數據模塊包括全局水情報警數據、局部水情報警數據及水泵電電機軸承溫度電壓電流的報警數據；水情報警信息包括水情編號、水情警戒類型、水情警戒等級和水情系數值；3)局部排水井地理信息模塊包括巷道編號、積水井編號、積水井位置、水情類型編號、積水井上下水位之間的距 離、積水井截面積&和積水面積&，即局部積水井周圍環境向積水井蓄水的面積；4)主排水泵站設備信息模塊包括設備生產廠家、入礦時間、維修保養與故障記錄，同時包括各水泵電動機運行過 程中檢測溫度、流量、電壓及電流檢測歷史數據。
8.按權利要求6所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的排水 設備故障診斷與智能排水控制單元包括1)用電峰谷平設置模塊包括一天用電峰值起止時間及電價即電價最高、用電谷值起止時間及電價即電價最 低、用次谷值起止時間及電價即電價次低和用電平值起止時間及電價即電價較高；2)設備故障診斷模塊該設備故障診斷模塊診斷過程步驟如下①從數據庫中讀取事先設定并存儲的時間步長及診斷時間；②按時間步長及診斷時間，從設備信息歷史數據庫中讀取各傳感器檢測信息；③按照當前時間溫度檢測傳感器的溫度值減去給定時間步長溫度傳感器的溫度值 等于給定診斷時間內的溫度升高值計算各溫度檢測傳感器在給定診斷時間內的溫度升高 值；④調用電動機水泵溫度傳感器故障模糊判別表，給出溫度故障診斷結果；⑤利用各電動機三相電壓和電流檢測值，求取兩相變換結果；首先將三相電壓與三相電流轉換到(a，b)兩相定子靜止坐標系下，其變換公式為
9.按權利要求6所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的通信 控制單元包括主控制室計算機通信控制模塊和總線通信控制器通信模塊；主控制室計算機通信控制模塊中主控制室計算機向總線控制器發送數據包按如下步 驟進行①查詢局部水情數據庫，獲取傳感器群分站數；②發送同步字符，校驗字清0，發送分站數并計算校驗字；③發送各分站號，查詢各分站儀表數發送，并計算校驗字；④發送校驗字及結束符；⑤設置定時器接收回復字，若收到，則轉下一步；否則，報錯結束； ⑤判別接收字，若正確結束；否則，報錯結束；主控制室計算機解包過程步驟為①讀取同步字符，請校驗和；②判別同步字符，不對則報錯結束，否則轉下一步；③讀取分站數，計算校驗和；④依次讀取各分站數據數及數據，并計算校驗和；⑤讀取校驗字及結束符，并判別是否正確，若正確結束，否則報錯結束； 總線通信控制器通信模塊，步驟如下①初始化串口中斷，并將串口指向主控制室計算機；②串中斷接收主控制室計算機數據，存入相應存儲單元，并校驗，若不正確則報警，否 則轉下一步；③將串口指向RS-485總線，按接收數據，呼叫各儀表數據，并存入相應存儲單元；④將串口指向主控制室計算機，將數據傳送給主控制室計算機；⑤準備接收主控制室計算機命令數據。
10.按權利要求6所述的礦井水情預測與排水智能控制系統，其特征在于所述的水情 預測步驟如下①給出預測時間；②依據預測時間，從歷史數據查詢前η小時水情檢測數據；③利用式(11)對所得數據進行平滑計算； 井下滲水流量時間序列指數平滑的計算公式如下ne +1ne + 1其中，7( )表示第《時間的檢測的滲水流量，&是指數平滑因子； Φ給定延時時間 ，從平滑后數據中得到η個數據樣本；其中前m個數據作為訓練樣 本，后n-m個數據作為校驗樣本；設獲取的經平滑后的滲出流量時間序列為tofc)}，將其嵌入重構相空間夕中， 為嵌 入時間延遲，i/為嵌入維數；r為樣本數，得=(12)⑤設定誤差參數e，閥值辦； ⑤選擇徑向核函數，隨機產生。值；HQ勘，QR(n)) =2qf . ](20)其中，|·||表示歐氏距離，ο為核寬度J為核函數； ⑦調用BP算法，完成模型訓練；③輸入校驗樣本數據，求取預測誤差歸一化誤差，對預測結果進行評估，若不滿足要 求，跳回步驟⑤，重新訓練；若滿意則進行下一步； ⑨給出預測時間水情流量預測值； 得到支持向量機對井下滲水流量的回歸估計為Sβ( + 1) = f(&M) = ZC^ -辟)乂 K^bSihQfM) +Mn)(19)式中、和C^均表示調整因子；表示CIi*和表示調整因子的目標值汝為核函數； 辦為閥值。
全文摘要
一種礦山井下水情監測預測與排水智能控制系統，屬于礦山井下水情管理技術領域。該系統硬件裝置包括井下局部積水井積水量檢測傳感器群、主積水井積水量檢測傳感器、RS-485通信網絡模塊、液位檢測裝置、主控制室計算機、井下排水泵站和泵站主控制箱；RS-485通信網絡模塊包括RS-485通信控制總線、總線通信控制器和中繼器；本發明的優點以達到節能減排，降低井下排水成本，提高井下排水的安全性。增大了井下傳感器通信距離；大大降低水位檢測成本，提高了系統可靠性。方便了地面主控室對井下水情的全面了解與控制，提高了井下水情的安全性。
文檔編號E21F17/18GK101979838SQ201010521110
公開日2011年2月23日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者張輝, 趙春雨 申請人:錦州重型水泵有限公司