矿山井下主配设备安全预警关键技术研究.pdf

博士学位论文 学校代码 Q 旦三 密级公珏 矿山井下主配设备安全预警关键技术研究 T H EK E YT E C H N O L 0G YR E S E A R C H E SI N T 0 M I N ES A F E T YP R E ．ⅥA R N I N GS Y S T E M0 F U N D E R G R O U N DM A I NC O N F I G I 爪A T IO N E Q U I P M E N T 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导老师 李建军 矿业工程 安全技术及工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期圣 』三 三7 r答辩委员会主席 中南大学 2 O13 年1O 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者虢墼吼坐年卫月』日 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中南大学有关保留、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学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 日期巫年乜月卫日 万方数据 博士学位论文 摘要 矿山井下主配设备安全预警关键技术研究 摘要矿山井下设备是矿山生产作业的重要支柱，其井下配套的矿 井通风机设备系统、矿井提升机设备系统、矿井排水设备系统及井下 空压机设备系统是矿山井下生产必备的主要配套设备，简称为矿山井 下主配设备系统。其井下主配设备系统工作运行的好坏直接关系到矿 山人员安全及生产安全和效益，因此如何实现和保障其井下主要关键 设备的安全可靠运行，一直是矿山安全生产领域的重要研究课题。目 前，在井下矿山单设备系统监测监控领域及井下瓦斯监控方面国内外 已有了不少研究成果，但基于包含井下多设备安全监控系统及兼容井 下瓦斯监控等井下其它安全监控系统的集成化统一监控平台系统的 研究稀有涉及，本文正是基于上述现实问题，提出矿山井下安全预警 统一监控平台研究课题，并对形成安全预警统一监控平台系统的主要 关键技术问题展开理论研究与技术实现。 研究设计了包含矿山井下四大主配设备系统的统一的从井下到 井上的三层监控组网技术方案，其组网技术方案首次包含老旧监控设 备系统的兼容、包含瓦斯传感器检测及井下人员定位检测系统等扩展 接口功能，此组网方案及技术实现在国内首创，为后继矿山安全监控 水平的提升提供了全新的理念。 针对矿山井下四大主要配套设备系统各自的功能分析及选用的 安全监控参数及工艺控制方式，本论文统一的对其进行了详细归纳与 研究，提出了统一安全监控平台经济适用、性价比高的参数组选型原 则方案。 通过对统一监控平台所需要的各类电量与非电量传感器性能的 分析，研究了传感器的组成、发展、现状，性能特性及传感器技术的 飞速发展趋势所带来的组网用传感器选型的困惑，提出了矿山井下安 全监控用系统传感器在工程实例中的主要选用原则。 通过S v M 数值分析技术手段对矿山回采工作面的瓦斯传感器的 放置位置与放置数量进行数值分析，验证了瓦斯传感器放置位置距离 及传感器数量问题。 通过对以往各类控制技术等的全面分析研究，给出了以P L C 开 发环境作为分布式子站控制器方案的最优结论，研究开发出预警监控 平台分布式子站现场监控系统最佳组网技术方案结构框图。研究总结 出P L C 硬件配型原则，并进行了配型实现，通过软件编程实现了P L c 开发环境下的井下风机等系统的自动监测控制。 针对井下特殊环境下数据安全采集的高要求，研究分布式子站传 I I 万方数据 博士学位论文摘要 感器与工业控制器之间数据安全采集的实现方法，提出了适合井下数 据安全采集与传输的统一的安全电量变送器联接概念，用于解决大监 控平台多类型传感器多源信息融合难的问题，开发设计出数据安全采 集系统框图。 利用现有的井上监控平台、分布于井下的组网综合布线系统及井 下控制器系统，研究与探讨了预警监控平台兼容瓦斯监控、人员定位 及井下老旧设备系统的一种扩展兼容接口技术实现解决方案，给出了 分布式子站扩展兼容接口相应技术实现设计方案。 将井上光纤以太网通信技术与井下C A N 总线通信技术相结合的 组网方式应用到多设备系统的监控平台上，通过设计两种通用的通信 智能节点，很好的解决了多设备监控系统信道不共享、协议不兼容等 问题。 选择组态王为本矿山主配设备预警监控平台上位机软件开发环 境，完成井下各设备系统中控制器与上位机软件监控系统的数据对接 设计，完成矿山井下主配设备预警监控平台软件监控系统主界面及各 分系统界面的软件编程实现。 采用数据库技术应用于矿山井下多设备系统的统一监控平台当 中，通过将数据库与监控平台各层监控软件进行数据对接，并利用其 数据库技术对海量数据的数据分析与数据管理优势，解决了目前统一 矿山监控平台软件难以满足多设备系统庞大数据实时监控处理的难 题。 建立了上位机监控平台界面，其显示功能首次包含了平台主监控 界面、各主配设备分系统监控界面，并建立了井下各子站现场监控界 面，系统包含了全方位监控功能，建立了从井下到井上的全方位、实 时、立体、安全的监控防护体系。 本文在矿山井下安全监控系统中综合了目前几大前沿技术，将其 各自的优势发挥于矿山井下多设备系统统一监控的平台之中，这些技 术包括最新的控制技术、最新的组网技术、最新的通信技术以及最新 的软件监控技术，为后继矿山井下设备、人员及瓦斯安全监控设计者 提供全新的可实施的操作方案。 本文所做研究工作，立足于学科前沿，对矿山井下主要配套设备 安全预警关键技术问题进行了较深入的研究，具有重要的理论意义和 工程应用价值。图9 6 幅，表1 个，参考文献2 1 9 篇 关键词矿山井下设备；瓦斯；安全预警；统一监控平台；P L C 控制； 通信组网；组态软件 I Ⅱ 万方数据 博士学位论文 A B S T R A C T T H EK E YT E C H N O L O G YR E S E A R C H E SI N T OM I N E S A F E T YP R E ．W A R N I N GS Y S T E Mo FU N D E R G R o U N D M A I NC O N F I G U R A T I O NE Q U I P M E N T A B S T R A C T M i n eu n d e 唱r o u I l de q u i p m e n ti sa ni m 】p o r t a n tp i l l a ro f I I l i n i n gp r o d u c t i o n ．I t sm i n eV e n t i l a t o re q u i p m e n ts y s t e m ，m i n eh o i s t e q u i p m e n ts y s t e m ， m i n e d r a i l l a g ee q u i p m e n ts y s t e m a 1 1 dm i n ea i r c o m p r e s s o re 1 u i p m e mS y s t e m ，w h 0 1 l yn 锄e da su n d e 毽r o u l l dm a i n c o n f i g u r a t i o ne q u i p m e n ts y s t e m ，a r ei n d i s p e n s a b l ef o rm i n ep r o d u c t i o no f m a j o re q u i p m e n t ．T h es t a n do rf a l lo f i t sm a i nc o n f i g u r a t i o ne q V i p m e n t s y s t e mi sd i r e c t l yr e l a t e dt o 如em i n e r s ’s a f 宅劬p r o d u c t i o ns a f ．e t ya n d b e n e f i t ，s oh o wt or e a l i z ea 1 1 ds a f ．e g u a r di t sk e ye q u i p m e n t si 1 1s a f ea n d r e l i a b l eo p e r a t i o nh a sa l w a y sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci n Ⅱl e 丘e l d o fm i n es a f ．e 田p r o d u c t i o n ．A tp r e s e n t ，al o to fr e s e a r c h e si n t om ef i e l do f u 1 1 d e 玛m u n dm i n i I l ge q u i p m e n t ’sm o n i t o r i n ga 1 1 df a u l td i a g n o s i sh a V eg o t r e s u l t s ，b u tl e s sr e s e a u r c h e sh a V eb e e nd o n eo na 1 1i m e g r a t e dm o n i t o r i n g p l a t f o r n lw h i c hc a n 疵鸟t 1 1 en m l t i p l yu n d e r g r o u n ds a f - e 够m o n i t o 血g s y S t e m sa n dg a sc o n t r o la n do m e rs a f e t rm o n i t o 血gs y s t e m ．B a s e do n t 1 1 i sr e a l i 吼t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt I l et o p i co na ni n t e g r a t e dp r e - w a m i n g a J l dm o n i t o 血gp l a t f ．0 mo fm i n eu n d e 可o u l l de q u i p m e n ta 1 1 d 缸恤e r d o e ss o m et 1 1 e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa n dt e c h n o l o g i c a lp r a c t i c eo nm a i n t e c l l r l 0 1 0 9 i e sc o n c e m i n gt h es a f ．e t ，p r e w 锄m ga n dm o n i t o r i I l gp l a t f o m S y s t e m ． T h ep a p e rd e s i g n sa J lu n i f i e dt e c h n o l o g i c a ln e t w o r k i I 培p r o j e c to f t h r e e m o n i t o r i I 坞l a y e r s W h i c hc o V e r st h em a i nf o u ru I l d e 玛r o u n d c o n f i g u r a t i o ne q u i p m e n ts y s t e m s 仔o mt 1 1 eu 1 1 d e 玛r 吼m dt o 也es u r f l a C e ． T h i sn e t w o 曲n gp r 巧e c to r i g i n a l l yi n c l u d e s 血ec o r r l p a t i b i l i 哆o f 山e0 1 d m o n i t o 血gs y s t e m s ， t h e g a s s e n s o rc h e c k i l l ga 1 1 ds o m ee x p a r 【d i I l g c o m l e c t i o n 缸1 c t i o n ss u c ha st h em i n e r su n d e 培r o u l l dp o s i t i o n i l l gs y s t e m s ． T h i sn e 呐o r kd e s i 伊a 1 1 dm et e c h n o l o g i c a lr e a l i z a t i o ni s i 1 1 i t i a t i V e l y m e n t i o n e di nC h i I l aw h i c hp r o v i d e san e wc o n c 印tf o rp r o m o t i n g 也e 1 e V e lo f 缸曲e ru I l d e 玛r o u l l ds a f ．e 够m o n i t o r i n g ． T h i sp a p e r ，f - 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s t a t i o ne x p a n s i o n i m p l e m e n t a t i o nd e s i 盟o fi n t e r f a c et e c h n o l o g y ． A p p l y i n gt 1 1 en e t w o r kt e c h n 0 1 0 9 yt ot l l em o n i t o r i n gp l a t f o m lo f m u l t i e q u i p m e n ts y s t e mb yc o m b i n i n gt h e E t h e m e tc o r n m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yo fw e Uf i b e r s 甜l dd o w r 山0 1 eC A Nb u sc o m m u n i c a t i o n t e c h 芏1 0 1 0 9 y ，t 1 1 r o u 曲也ed e s 谫o f t w ok i n d so f g e n e r a li n t e l l i g e n tn o d e ，i t c a ns o l V et h ep r o b l e m so fn oc o m p a t i b i l i t ra n dn oa c c e p t a b l es h a r i n g c h a r m e l si 1 1m u l t i e q u i p m e n tm o n i t o d n gs y s t e m ． S e l e c t i n g 也e Ⅺn g V i e w a s廿l em a i ns o 胁a r e d e V e l o p i n g e n v i r o n n l e n to nm eh o s tc o n l p u t e rf o rm i n em o n i t o 血ga n de 砌yw a 衄i n g p l a t f o m ，i tc o m p l e t e sd o c k i l l go fd a t a 丘o mt 1 1 e c o r l t r o l l e r so fe v e 巧 e q u i p m e n ts y s t e ma n dP Cs o f t w a r em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h eh o s t c o m p u t e r ，c o m p l e t e ss o 小V a r ep r o 掣煳i n go fm i n e r a lm 西ne q u i p m e m m o r I i t o r i t l ga n de a r l yw a n l i n gp l a t f o m ls o f t w a r em o n i t o r i n gs y s t e mf o r m em a mm e r f a c ea 1 1 dm es u b 访t e r f a c eo ft h es y s t e m ． I nu I l i f i e d m o n i t o 血gp l a t f ．0 n 1 1b y印p l i c a t i o n o fd a 讪a s e t e c h n o l o g y i nm em i n e e q u i p m e n ts y s t e m ， t h ed 撕b a s ea 1 1 dt h e m o n j t o 血gp l a t f b mo fe a c hl a y e ro fm o n i t o r i n gs o 脚a r eh a V em ed a t a d o c k i n g ，a n db yu s m gt l l ed a ．汕a s et e c l l l l o l o g yo fm a s s i V ed a t aa n a l y s i s a 1 1 dd a t am a n a g e m e n ta d V a n t a g e s ，也eu r l i t e dm i n em o n i t o r i n gp l a t f o m s o m V a r ei st os 0 1 V et 1 1 ep r o b l e mo fh u g ed a t ar e a l - 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