礦井水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

李曉君

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003）

引言

礦井水災(zāi)是煤礦五大主要災(zāi)害之一，礦井水如不能及時(shí)排出將嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。以往同煤集團(tuán)一些煤礦的礦井水排出任務(wù)主要由水泵技術(shù)人員目測(cè)水位情況，進(jìn)而決定水泵的啟動(dòng)或停止。如果水泵的啟停控制不及時(shí)的話，當(dāng)水位過(guò)高時(shí)，水倉(cāng)內(nèi)的積水將漫出大巷，井下的車場(chǎng)將會(huì)被淹；當(dāng)水位過(guò)低時(shí)，會(huì)造成水泵吸不上水，水泵空轉(zhuǎn)降低了水泵的使用壽命。由于操作人員的疏忽大意，該類事故時(shí)有發(fā)生。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種超聲波傳感器與單片機(jī)相結(jié)合的礦井水位監(jiān)測(cè)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)距精確，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控水位情況，并發(fā)出報(bào)警提示，有效保障了礦井排水系統(tǒng)的安全可靠性。

1 礦井水位監(jiān)控背景及意義

煤礦在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的礦井水，為了確保煤礦的安全生產(chǎn)及開(kāi)采進(jìn)度必須將這些礦井水通過(guò)水倉(cāng)進(jìn)行安全排放，因此，對(duì)于水倉(cāng)的控制不僅應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，還要設(shè)置一定的上下限，并參照設(shè)置值適時(shí)啟動(dòng)抑或切換排水泵的啟動(dòng)回路，以實(shí)現(xiàn)排水功能。當(dāng)水位不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，則啟動(dòng)報(bào)警裝置。所以，加強(qiáng)對(duì)礦井水倉(cāng)水位的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控功能對(duì)礦井的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。

2 礦井水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

在礦井巷道的頂部安裝礦井水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置，主要采用超聲波傳感器監(jiān)測(cè)三個(gè)水位，分別是高水位、中等水位、低水位。將超聲波傳感器的監(jiān)測(cè)探頭由巷道頂部朝下安裝，距超聲波傳感器1m以上的距離設(shè)定為低水位，10～100 cm距離內(nèi)設(shè)定為中等水位，10 cm以內(nèi)距離范圍為高水位。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)中的單片機(jī)接收到水位傳感器的信號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，將從單片機(jī)的輸出端口輸出相應(yīng)結(jié)果的信號(hào)，假若出現(xiàn)低水位時(shí)，系統(tǒng)中的綠燈亮，紅燈和黃燈不亮；當(dāng)處于中等水位時(shí)，黃色燈亮，其他紅、綠燈均不亮，蜂鳴器不報(bào)警，但此時(shí)巷道內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)積水，系統(tǒng)將啟動(dòng)水泵電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)排水作業(yè)；當(dāng)處于高水位時(shí)，紅燈亮，綠燈和黃燈均不亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，水泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)排水。同時(shí)還選用了1602液晶顯示器動(dòng)態(tài)顯示液面距離傳感器的距離。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

礦井水位監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，其主要包括電源電路、傳感器、單片機(jī)、顯示報(bào)警裝置、水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

圖1 礦井水位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)中監(jiān)控傳感器采用超聲波傳感器如下頁(yè)圖2所示，其原理主要利用超聲波的固有特性研制而成。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，主要通過(guò)電壓對(duì)換能晶片的激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)。超聲波具有頻率高、波長(zhǎng)短、方向性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)超聲波遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)射形成發(fā)射回波，返回信號(hào)到接收器，因此只要計(jì)算出發(fā)送信號(hào)到接受信號(hào)所用時(shí)間就能計(jì)算出傳感器距離反射物體的距離，其計(jì)算公式為 d=s/2=（c×t）/2，d 表示檢測(cè)距離，s表示聲波的往返路程，c表示聲速，t表示聲波往返所用時(shí)間。

本系統(tǒng)中單片機(jī)（見(jiàn)下頁(yè)圖4）采用STC12C5A60S2的P1.0、P1.1具有高靈活性的I/O用作傳感器檢測(cè)水位高低的信號(hào)輸入端口，單片機(jī)通過(guò)軟件程序的控制實(shí)時(shí)檢測(cè)P1輸入端口的電平信號(hào)，并根據(jù)輸入信號(hào)情況執(zhí)行相應(yīng)的操作程序，分別通過(guò)P1.5、P1.6、P1.7三個(gè)端口輸出不同的信號(hào)來(lái)顯示水位情況，并驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定的聲光報(bào)警裝置進(jìn)行顯現(xiàn)提醒，根據(jù)水位情況決定是否驅(qū)動(dòng)水泵的排水作業(yè)。

圖2 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖4所示，水位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主程序采用C51語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序由開(kāi)始經(jīng)初始化后，通過(guò)水位監(jiān)測(cè)器將檢測(cè)后的信號(hào)傳送至單片機(jī)。接著單片機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，如果單片機(jī)輸入端口P1接收到的信號(hào)為OOH的話，則代表此時(shí)為低水位，此時(shí)單片機(jī)執(zhí)行 P1.5=1、P1.6=1、P1.7=1、P1.2=0、P1.3=0、P1.4=0，則綠燈亮，紅燈和黃燈不亮；如果讀取的信號(hào)不是OOH，則程序跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)程序中，在此程序中如果單片機(jī)P1端口接收的信號(hào)為03H，則表示水位為中等水位，此時(shí)單片機(jī)執(zhí)行 P1.4=1、P1.5=1、P1.7=1、P1.2=0、P1.3=0、P1.6=0，黃燈亮，綠燈和紅燈均不亮，蜂鳴器不報(bào)警，水泵開(kāi)始排水作業(yè)。如果P1端口收到的信號(hào)不是03H的話，程序繼續(xù)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)程序中；如果讀取信號(hào)為07H的話，則表示水位為高水位，則單片機(jī)開(kāi)始執(zhí)行 P1.2=1、P1.4=1、P1.5=1、P1.6=1、P1.7=0、P1.3=0，此時(shí)紅燈亮，綠燈和黃燈均不亮，水泵繼續(xù)進(jìn)行排水作業(yè)，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警。假若單片機(jī)讀取的信號(hào)均不是00H、03H和07H的話，則程序?qū)⒅苯犹D(zhuǎn)到初始化后，進(jìn)入新一輪的信號(hào)讀取。

圖4 水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序流程圖

通過(guò)反復(fù)導(dǎo)入程序驗(yàn)證對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行調(diào)試，如發(fā)生異常將針對(duì)相應(yīng)的故障程序進(jìn)行修改，重新導(dǎo)入驗(yàn)證，反復(fù)調(diào)試后，最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能。

3 應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效益分析

假若發(fā)生礦井溢水事故的話，將發(fā)生車場(chǎng)被淹，輕則需要工人加班清理積水，重則將對(duì)車場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)造成嚴(yán)重影響。若主排水泵出現(xiàn)水位過(guò)低情況的話，不僅降低了水泵的使用壽命，而且嚴(yán)重的還會(huì)直接燒毀水泵主軸，造成水泵報(bào)廢，將損失上萬(wàn)元資金。

安裝水位監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)后，不僅大大降低了水泵操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提升了主排水泵的高效性和安全性，而且避免了因人為的疏忽而誘發(fā)的主排水泵事故。同煤集團(tuán)各礦井通過(guò)安裝水位監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)后，有效杜絕了因水位過(guò)高或過(guò)低而造成的機(jī)電事故，取得了良好的社會(huì)效益。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能強(qiáng)大具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。