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分类号 U D C 密级 学位论文 煤矿水情监测与预测系统的研究与开发 作者姓名 指导老师 于丹 赵春雨副教授 东北大学机械设计及理论研究所 申请学位类别硕士 学科专业名称机械电子工程 论文提交日期2 0 11 年6 月 学位授予日期2 0 11 年7 月 釉九搋撅 学科类别工学 论文答辩日期2 0 11 年6 月 一一席呷狮掳 劭、呵⋯大学 2 0 11 年6 月 万方数据 AT h e s i si nM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g l I l l l lI I I L I I I l l l lI l l l l l lH I I J 0 12 4 5 6 2 R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n to fC o a lM i n e W a t e r M o n i t o r i n ga n dP r e d i c t i o nS y s t e m 8 y Y uD a n S u p e r v i s o r V i c eP r o f e s s o r Z h a oC h u n y u N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y J u n e2 0 1 1 万方数据 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名于丹 日期劫1 7 ．衫乃‘ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年口一年半口两年西 学位论文作者签名寸好 签字目期2 0f 『，∥巧 导师签名叁塔。函 签字日期 Ⅻ『．6 ，a 旷 万方数据 壅 堡盘茎亟圭堂焦迨耋 塑垩 煤矿水情监测与预测系统的研究与开发 摘要 随着我国经济的快速发展，对煤炭的需求也越来越大。而煤炭开采要受到很 多条件的限制，其中地下水是威胁煤矿安全生产的重要因素。因此，根据当前煤 矿井下排水的实际情况，设计了一种基于单片机W 7 8 E 5 8 作为核心通信控制器的 井下监测与预测系统，该系统主要由井下终端设备和井上的上位机监控中心组 成，并可以完成井下水的流量监测和显示。上位机与终端设备采用串行通信实现 矿井与监控中心的数据传送。 经过计算机模拟试验，该系统实现简单，降低了工作人员的劳动强度，提高 了工作效率；通信成本低，可节省单片机I ／O 资源，具有以弱电控制强电的特性； 且可靠性高，运行稳定，具有很强的工程应用价值。 本文首先分析了国内外井下水情的研究现状，针对矿区的实地情况，完成了 该系统的硬件设计，并用P r o t e l9 9S E 软件绘制电路原理图。实现了对井下水情 的流量的采集和保存，将采集到的数据以串行通信的方式发送给地面的主控制室 计算机。 其次，由于人工神经网络在煤矿水情预测中的应用越来越广泛，运用B P 神 经网络原理，结合M A T L A B 的神经网络工具箱，对矿井的水情监测数据进行了 预测，根据预测值和实测值的比较，说明了B P 神经网络算法有很好的应用价值。 最后，对该系统的软件部分进行了详细介绍，上位机程序设计及人机交互界 面均采用D e l p h i 7 完成；下位机由汇编语言控制。并通过软件测试与调试，最终 取得了较为良好的结果。 整个系统的设计具有很强的针对性，即使在环境较恶劣的地方，也能达到较 好的预期效果，给煤矿安全生产的下一步工作提供了依据。 关键词单片机；监测；B P 神经网络；预测 ．I I ． 万方数据 R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n to fC o a lM i n e W a t e rM o n i t o r i n ga n dP r e d i c t i o nS y s t e m A bs t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fO U t “ e c o n o m y ，t h ed e m a n df o rc o a la r eg e t t i n g m o r ea n dm o r es e r i o u s 。A n dt h ec o a lm i n i n gt ot h e l i m i tb ym a n yc o n d i t i o n s ， i n c l u d i n gg r o u n d w a t e ri st h r e a t e n i n gt h ei m p o r t a n tf a c t o r so fc o a lm i n es a f e t yi n p r o d u c t i o n ．T h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ec o a lm i n eu n d e r g r o u n d d r a i n a g e ，a n dd e s i g n e dak i n do fW 7 8 E 5 8 b a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra st h e c o r eo f t h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ri nm o n i t o r i n ga n d p r e d i c t i o ns y s t e m ，t h i ss y s t e m m a i n l yb yt h eu n d e r g r o u n dt e r m i n a le q u i p m e n ta n dP Cm o n i t o r i n gc e n t e ro ft h e c o m p o s i t i o n ，a n dC a nc o m p l e t e l yu n d e r g r o u n dw a t e rf l o wm o n i t o r i n ga n dd i s p l a y ．P C a n dt e r m i n a le q u i p m e n tw i ms e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i mt h em o n i t o r i n gc e n t e ro ft h e m i n et or e a l i z ed a t at r a n s f e r ． T h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e s t ，t h es y s t e mi ss i m p l e ，a n dt or e d u c et h es t a f f l a b o ri n t e n s i t y ，i m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y ；C o m m u n i c a t i o nc o s t sl o w ，m a ys a v e t h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rI ／Or e s o u l c e s ，h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲v o l t a g e e l e c t r i c i t y t oc o n t r o l ；A n dh i g l l r e l i a b i l i 哆，s t a b l eo p e r a t i o n ，a n dh a sas t r o n g e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e ． T h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h er e s e a r c hs t a t u so ft h eu n d e r g r o u n dw a t e ra th o m e a n da b r o a d ，a n di nt h ef i e l d ，t h em i n i n ga r e ac o m p l e t e dt h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r e r e n d e r i n gP r o t e l 9 9S Ec i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a m ．T or e a l i z et h e u n d e r g r o u n dw a t e rf l o wo fc o l l e c t i o na n dp r e s e r v a t i o n ，w i l lt h ec o l l e c t e dd a t ai na s e r i a lc o m m u n i c a t i o nw a yt os e n dt h em a i nc o n t r o lr o o m ，t h ec o m p u t e r ． S e c o n d l y ，b e c a u s eo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki nc o a lm i n ew a t e ru s e dm o r e w i d e l yi nt h ef o r e c a s t ，u s i n gB Pn e u r a ln e t w o r kt h e o r y ，c o m b i n e d 诹t l lM A T L A B t o o l b o xt om i n et h en e u r a ln e t w o r k ，t h eh y d r o l o g i ci n f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t a , p r e d i c t i o na n dp r e d i c ta c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o no f , t h a tt h eB Pn e u r a ln e t w o r k a l g o r i t h mh a sv e r yg o o da p p l i c a t i o nv a l u e ． ．．1 1 1 ．． 万方数据 壅韭盘堂塑鲎焦迨圭△垒熊 F i n a l l y ，t h ep a r to ft h es y s t e ms o t h v a r eg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o n ，P Cp r o g r a m d e s i g na n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea l lu s eD e l p h i 7 ．Am a c h i n eu n d e rc o n t r o lb yt h e a s s e m b l yl a n g u a g e ．A n dt h r o u g ht h es o f t - w a r et e s t i n ga n dd e b u g g i n g ，f i n a l l yo b t a i n e d g o o dr e s u l t s ． P a p e rh a sas t r o n gd e s i g ns p e c i f i ca i m ，e v e ni fi nt h ee n v i r o n m e n ti sb a dp l a c e ， a l s oc a l la c h i e v eag o o dr e s u l tf o rc o a lm i n es a f e t yi np r o d u c t i o n ，t h en e x tw o r kt o p r o v i d et h eb a s i s ． K e yw o r d s S C M ；M o n i t o r i n g ；T h eB Pn e u r a ln e t w o r k ；F o r e c a s t 一Ⅳ一 万方数据 目录 独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A b s t r a c t ⋯．⋯．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．．．⋯．．⋯．．．．⋯．．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯I I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．2 煤矿水情监测与预测系统的国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 论文的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 第2 章监测系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 监测系统总体介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．1 ．1 主要特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．2 系统工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 工作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 ．1 网络结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 t 2 光纤传输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．2 ．3 通信接口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．4 光纤m o d e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 总线通信控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1 单片机W 7 9 E 5 8 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．3 ．2 芯片简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 ．3 系统整体硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．4 设备层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．4 ．1 传感器的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 2 ．4 ．2 工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．5 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 第3 章水情预测算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 ．V 一 万方数据 3 ．1 水情预测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．1L o c a lM o d e l i n g 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．2 门限自回归预测模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 ．3 灰色预测模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．1 ．4 其它方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2B P 神经网络⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 3 ．2 ．1 神经网络的发展过程及特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．2B P 神经网络结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．3B P 学习算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．2 ．4B P 网络设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．2 ．5 ／3 P 网络学习过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．3B P 神经网络的M A T L A B 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．3 ．1M A T L A B 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．3 ．2 神经网络工具箱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．3 ．3B P 神经网络的M A T L A B 实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 3 ．4B P 神经网络算法在井下水情预测中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．4 ．1 确定网络结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．4 ．2B P 神经网络训练样本的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 3 ．4 ．3 样本数据的归一化处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．4 ．4 确定传递函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．4 ．5 水情预测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 第4 章系统软件开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．1 上位机软件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 ．1D e l p h i 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．1 ．2 程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．1 ．3 系统数据管理及软件界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 4 ．2 下位机程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 ．V I ． 万方数据 壅a 垦盘堂塑鲎焦坌塞旦垂 第5 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 选题的背景及研究意义 当前水安全问题已成为社会、经济发展中的重要因素。安全问题特别是煤矿 井下排水等灾害所引发的突发事件，其危害性巨大，所以研究井下水情监测、预 测系统，通过对水情的动态监控、预报、及时发现事故尤其是突发事故先兆，迅 速做出反应，实时给予决策支持并实旌自动控制，为工程和相关地区提供安全保 障；为管理部门提供多层次信息管理和决策支持手段，在兼顾防灾水资源优化调 度基础上实现水资源可持续利用，充分发挥水利工程的效益。 煤矿井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，系统设备是煤矿安全生产的 关键设备。有效地控制排水系统，使其高效低耗、经济可靠地运行，对煤矿安全 生产具有十分重要的意义。煤矿的矿井水是在煤矿生产过程中地下水流入巷道或 工作面，或者是由于巷道揭露和采空区塌陷波及到水源所致。水源主要是大气降 水、地表水、断层水、含水层水和采空区水。矿井水量达到一定的立方数时，如 果不及时排放，将会严重影响煤矿的生产安全【l 】。 因此，煤矿排水系统能够安全可靠地工作直接关系到煤矿的人身和财产安 全。 矿井水呈现两种贮存形式形式一，为保证安全煤炭生产，在采矿过程中随 汇随排的，过路矿井水，是必须进行疏排的；形式二，矿井、井巷封闭后经一定 时间汇集的，滞流矿井水，其在资源化取用之前交替性和循环性极差。根据矿井 水的成因和贮存形式，矿井水无疑是煤矿水资源系统的特定的组成部分，是具有 补给机制的含水系统的特殊单元，其补给水源主要是采动区域的地表水或浅层地 下水，但是，由于采动裂隙扩展贯通，此时渗流场和渗流条件己经改变，使不同 水文地质单元的地下水直接快速向采空区渗流汇集【2 】o 煤矿具有生产环节多、大型机电设备多、环境条件恶劣等特点，容易出现突 发性事故。为了确保煤矿安全生产、提高劳动效率、节约成本，监测与预测系统 在煤矿得到愈来愈广泛的应用。 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，都需要全面掌握矿下水各采场及巷道水情的 变化情况，进而积累矿井水情管理资料和及时有效的排出矿井1 3 , 4 ] 。 ．1． 万方数据 而现代化煤炭生产企业离不开现代化的安生生产的监测系统，在电子技术、 传感技术、计算机技术、网络技术和信息技术高度发达的今天，监测系统为各级 生产指挥者和业务部门提供环境安全参数和生产设备工作状态的动态信息，为指 挥生产提供第一手资料。现场数据的采集 获取 已经是一件很容易的事情，对 温度、湿度、速度、频率等物理量的采集只需要专用传感器和单片机电路配合即 可解决。在很多生产和生活领域，数据的传输与远程集中控制已非常简单易行， 并已成为必要。 1 ．2 煤矿水情监测与预测系统的国内外研究现状 2 0 世纪5 0 年代丌始，世界上许多产煤国家把煤矿安全监测技术应用到安全 生产管理上。 国外煤矿监测技术是在六七十年代大力发展起来的，因而大大推动了各类型 矿用传感器、本质型矿用生产设备以及矿用监测系统的研制开发，有效地改善了 煤炭生产行业的生产安全状况。 到2 0 世纪八十年代是计算机、大规模集成电路、数字通信等现代技术调整 发展的时期同，由英国煤炭研究院推出的M I N O S 系统软件应用成功后，英国的 H S D E 、H U W O O D 、T R A N S M I T I N G 等公司分别生产了以时分制为基础的系统 与之相配套；德国也提出了矿井监测监控系统的实施计划；波兰也自行开发了以 时分制为基础的H A D E S 设备工况监测系统在此期间，美国以其拥有雄厚高新 技术优势，率先把计算机技术、集成电路技术等现代高新科技用于煤矿监测系统， 使煤矿监测监控技术跻身于高科技之列。 我国的煤矿监测技术是以自力更生方针为起点，在引进、吸收、消化国外先 进的煤矿监测技术的基础上逐步发展起来的。9 0 年代后期，随着传感器技术、 电子技术、计算机技术和信息传输技术的飞速发展和在煤矿的应有，矿并安全监 控系统已由早期的单一参数发展为多参数综合监控系纠5 I 。 改革开放以来，我国煤矿安全生产监测技术得到长足的发展，监控系统产品 种类有几十种，国有煤矿中几乎所有矿井都装备了监控系统，煤矿监测系统的应 用对改善我国煤矿的安全状况，提高煤矿排水的效率和现代化管理水平起到了重 要作用。近年来在我国也有了飞速的发展，各种煤矿监测系统及其配套产品应运 而生。 我国是矿业大国，在矿业发展迅猛的今天，矿山安全问题也日益突出和显露 出来。目前，我国的重点煤矿已全部安装有监测系统，并已经成为煤矿标准化达 ．2 ． 万方数据 标的首要条件。但是，现有矿井监控系统均存在着通用性差、智能程度低等问题， 既不符合智能型集中监控的要求，又不能满足煤矿安全生产的需要。 目前，煤矿安全监测系统主要存在的问题有以下3 个方面。 1 现有矿井监控系统均针对某一监控对象开发，为单一的环境安全、设备 开停等专用监控系统，从而造成设备、配件互不通用，信道各自为政，信息不能 共享。如若一个矿井实现集中监控，则需要装备数个互不兼容的系统，从而造成 设备重复投资，增加维护人员，浪费大量的人力、物力和财力。大部分矿井的监 控系统没有将数据、文字、声音、图形、图像等多种媒体有机地结合在一起，难 以提高信息的利用率。现有系统均在同一水平上重复开发，若要进行新领域的监 控，需重新开发且开发周期长，需要大量的人力、物力和财力。矿井监控系统均 没有针对矿井机电一体化和移动监控研制，主要表现在没有用于机电一体化的、 体积小、功能齐全的本质安全型嵌入式智能监控站和便携式仪器接入的移动测控 网。 2 现有监控系统均为主从式传输，没有一个符合矿井防爆等特殊要求的干 线标准，从而造成不同厂家的设备无法接入，无法共用传输电缆。这种传输系统 的可靠性受地面中心站设备及主干电缆影响很大，当地面中心站设备或干线电缆 发生故障，将会造成整个系统瘫痪。这种传输方式用于环境安全、供电系统等单 方面监控时，一般不会出现中心站瓶颈效应，但当用于全矿井多方面综合监控时， 由于信息量的增加，必然会出现严重的中心站瓶颈效应，若靠提高传输速率解决 中心站瓶颈效应是没有出路的。其分站均为某一监控目的而开发，功能单一，用 户难以通过简单的操作来实现环境安全等多方面的监测。 3 现有监控软件均为某一监控目的而开发，用户难以通过简单的操作实现 多方面监控的目的。传感器及执行机构，一般采用星型结构与分站连接 并联 ， 这样虽然可使用一根多芯电缆既给传感器及执行机构供电，又传递信号，但由于 电缆复用率低，需敷设大量的电缆，既增大系统投资，又增加了系统电缆投资。 传感器输出信号制为模拟信号和开关量信号，这样很难实现传感器及执行机构的 电缆多路复用。传感器的电路均针对某一种传感元件设计，仅能实现标校、显示、 声光报警、信号输出等基本功能，不能实现同一种电路配接不同传感元件，也不 能实现多路监测【6 J 。 我国煤矿受到顶、底板突水灾害的严重威胁，重大突水事故不断发生，如果 水害不能得到有效的预防，煤矿水害事故不能得到有效的遏制，将对矿工的生命 一3 一 万方数据 塞些盘堂亟鲎焦逢塞 笠 童圭茎造 安全不断地造成威胁，使国家的矿产资源受到巨大的损失。 目前，国内外煤矿监测系统发展主要体现出以下3 个特点[ 7 】 1 综合化监测参数类型多，系统容量大，生产、环境和安全监测集成一 体，实行综合化管理，针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范，应尽 快寻找一种解决系统兼容性的途径或制定相应的专业技术标准，这对促进矿井监 控技术发展和系统的推广应用具有十分重要的意义。 2 智能化传感器零漂、灵敏度实现自校正，不仅进行有害信息监测，而 且注重发展信息分析和事故预测功能。并且在软件技术上应研究开发能根据被监 测环境地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案。在事故情 况下，指示最佳救灾避灾路线，为抢救和疏散人员、器材提供决策。 3 网络化安全监测系统连接局域网或因特网，系统应用软件按统一的格 式向外提供监测数据，各生产矿井与矿务局、各矿务局与本省乃至全国煤矿系统 构成统一完整、功能先进的计算机网络系统，真正实现更大范围的煤矿资源共享。 同时，有害信息变化透明度高，政府监管力度加大。 而今以自动化技术、计算机技术、通信技术为核心内容的监测监控系统对于 现代化的煤矿生产企业是不可缺的。监测系统是为生产服务的用户要根据所控的 对象，本着可靠性高、通用性好、易操作的原则，选择适合的微机自动化控制系 统。 我国矿区监测技术已从人工监测发展到了自动监测，监测系统从环境安全监 测发展到了工况监测和生产监测，并表叔形成了矿区监测网络，为矿区生产和管 理的现代化提供了良好的条件【8 】。 1 ．3 论文的主要内容 矿井下的排水问题历来是煤矿挖掘的难点之一，但日前矿山井下仅有排水控 制系统，对于局部水情检测还没有建立起来1 9 1 。现有的液位检测传感器比较昂贵， 也无法建立起水位检测系统。而由于水情变化随机情比较大，无法建立起精确的 数学模型，因此，也无法预测进下水情的变化情况。 由于煤矿井下是一个特殊的工作环境，因此矿井安全监控系统不同于一般工 业监控系统这主要体现在电器防爆，传输距离远，监控对象变化缓慢。要求对电 网电压波动适应能力强，抗故障能力强，不宜采用中继器，传感器宜采用远程供 电，设备外壳防护性能要求高等方面因此一般工业监控原理和技术难以直接运用 到矿井安全监控系统中。 ．4 ． 万方数据 壅些盘茔塑堂焦逾塞釜 童缱逾 由于现代信号检测技术、信号传输技术、计算机信息处理技术、计算机控制 技术及现场总线技术不断应用到监测技术中，监测系统从环境安全监测发展到工 况监测和生产监测，并逐步形成了矿区监测网络，为煤矿生产和管理的现代化提 供了良好的条件。 同时，随着单片机和计算机技术的不断发展，由单片机和计算机结合做成的 监测系统已成为控制系统的一个发展方向，它结合了单片机实时采集及计算机界 面显示，图形处理的优点。单片机作为下位机采用R S 4 8 5 接口与计算机进行通 信，计算机采用D e l p h i 7 编写程序。 光纤通信技术具有频带宽、衰耗小、抗电磁干扰强、传输距离远，可实现井 上井下电器设备隔离等特点，适用于在地面中心站到井下大巷未端之间敷设。光 缆的两端需安装光端机，并需要可靠的电源供电，采用多芯光纤可以同时传输视 频图像、监测监控数字信号、音频信号等。 就传感器而言，一是要丰富传感器的种类和开发多参数监测仪；二是要向智 能化方向发展，包括A ／D 信号转换，数据处理，不开壳遥控调校，延长调校周期 等；三是要向小型化、多功能、低功耗方向发展；四是要提高传感元件的可靠性、 灵敏度和使用寿命，并有效防止井下有害气体的腐蚀；五是要实现宽量程连续自 动测量，克服有害气体突发性上升时对传感器带来的冲击危害和误测误报现象。 为了解决现有技术的不足，本文提供一种矿井水情监测与预测系统。这样便 可以对井下水情进行提前预测，将煤矿水害事故降到最低。该系统硬件装簧包括 并下，积水量检测传感器，总线通信控制器、主控制室计算机等。 本发明的优点以达到节能减排，降低并下排水成本，提高井下排水的安全 性。增大了井下传感器通信距离；大大降低水位检测成本，提高了系统可靠性。 方便了地面主控室对井下水情的全面了解与控制，提高了井下水情的安全性。 随着人们节能降耗意识的增强，本系统有望在煤矿井下排水系统中发挥到重 要作用。 因此，本系统有它自身的优点，如成本低、功耗低、安全可靠和实用等。 本文主要工作有以下几个方面。 1 首先根据煤矿现场生产的实际情况，完成了该系统的硬件部分设计。 2 结合煤矿井下水情的实地状况，应用B P 神经网络原理并利用M a t l a b 神经网络工具箱完成了井下水情预测算法的研究。 3 用D e l p h i 7 软件进行系统的上位机软件开发，并用汇编语言对下位机进 ．5 ． 万方数据 盘i 堡盘堂塑堂垡逢圭笠 主墨醴 行程序设计。 4 对整个系统进行测试和调试。 5 总结全文，并指出今后需进一步研究的方向和任务。 ．6 ． 万方数据 第2 章监测系统设计 2 ．1 监测系统总体介绍 如果说，进行现场了解和技术调研是系统设计的准备工作，那么，确定系统 总体方案就是进行系统设计的第一步，也是最关键、最重要的一步。总体方案确 定的好坏直接影响到整个监测系统的功能及实施细则，更有可能关系到设计的成 败。 因此，监测系统的设计主要具有下面五个性质可靠性；先进性；通用性； 合理性；经济性。 监测系统的设计是一个综合运用知识的过程，涉及计算机原理及接口、模拟 电路与数字电路、软件设计方法及编程等方面的基本知识。所以首先必须详细地 了解安全、生产对系统的要求，明确本文的设计任务。 对于煤矿井下水的排放部分主要有两种方式第一种是继电器控制。水泵的 开停及选择切换需要人工完成，达不到根据水位等参数自动开停水泵。第二种是 采用P L C 和变送器控制交流电机来启动水泵的启停。这种方式可以实现水泵的 自动化操作，运行可靠、操作方便等优点，但价格较贵。 鉴于以上情况，为了解决现有的技术不足，本文设计了一种基于单片机控制 的排水监测系统。它能够实现对水位的实时监控，根据水位及其他参数因素来控 制水泵的启停；可通过地面监控中心实时监控泵房设备的运行信息，并完成数据 的记录和查询等工作。 井下是由单片机W 7 8 E 5 8 构成的核心控制电路，可以完成对井下水情的流量 参数的实时采集和保存，将采集到的数据显示出来并以串行通信的方式发送给地 面的监控中心。当上位机发出查询数据命令时，智能终端装置将采集的数据通过 单片机发送给上位机进行记录和分析。实现煤矿井下水情流量的数据采集、显示、 存储与报警，并且与井上计算机监测中心进行实时通信。该系统实现简单，通信 成本低，抗干扰能力强，可靠性高，具有较高的推广应用价值。 2 ．1 ．1 主要特点 系统主要特点如下本系统的工作过程就是监测到现场水的流量的情况，将 这一情况立即传送到环境监控中心，由环境监控中心里的计算机做出相应的分析 ．7 ． 万方数据 丕i 垦盘茔塑茔焦迨塞笠2 圭些型茎丝选盐 和采取相应的措旌，这样就建立了一个以监控室为中心的网络通信过程，即主机 将数据以广播形式下发，下位机 R S 4 8 4 设备 仅一个响应此指令，并将数据返 回主机。通信过程采用循环呼叫方式。 信号采集部分利用超声波传感器监测水位的变化。传感器是将非电量转换成 电量 电压、电流、电容、电阻等 ，它是非电量电测系统的一个核心部分，由 它将非电量变换为电量 或电参数 后，输至测量电路，再用指示仪表或数字仪 表显示。 在整个系统设计过程中遵循原则如下f 1 0 J 1 功能完善。 2 实时性监测系统的响应速度应满足煤矿井下排水安全运行的要求。 3 可靠性监控系统将任何部件故障局限于一定的范围内，即系统中任何 一个局部故障不影响监控系统关键功能和其它部分正常运行。 4 可维护性计算机监控系统投运后，硬件和软件至少在1 5 年内完全可 维护通过预防性维护使磨损性故障尽量减小。 5 可扩充性监控系统在各主要部分和环节上对系统提供扩充功能，以适 应系统规模的变化和功能的扩充需要。监控系统扩充能力表现为监控系统的点 容量裕度；计算机系统硬件平台的资源裕度；计算机系统软件平台的资源裕度； 网络系统的资源裕度；系统软件、功能软件、外围设备、系统通信的接口。 6 安全性主要包括操作安全、结构性安全、故障时安全和设备安全。 2 ．1 ．2 系统工作原理 本系统主要应用光纤传输完成P C 机与单片机的点对多点通信，从而实现煤 矿井下水情的集中监测功能1 1 1 , 1 2 1 。 监测系统主要采用单片机控制技术，单片机又称单片微型计算机 M C U ， 顾名思义，它指的是一种单硅片上集成微型计算机主要功能部件的集成芯片。单 片机的出现要归功于大规模集成电路技术的发展，就组成和功能而言，可以毫不 夸张的说，它正如一个微型计算机系统，内部集成了中央处理器 C P U 、随即