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基于LabVIEW的矿井水文监控系统研究


分类号……………一.
UD

密级…………….. 编号……………..

C……………..

十南大学
CENTRAL SOUTH UNIVERSITY

硕士学位论文

论文题目……基于.11量by!麟..的亚盎鲞塞………
………………监控孟.统缬窕…

…………
学科、专业 研究生姓名 导师姓名及
电气工程

袁佩丽

专必支术职务………………鏖办清…熬攮……………

Research of

Mine Hydrological Monitoring
System based
on

and Control

LabVIEW

Master Degree

Candidate:

Yuan Peili

Supervisor:

里煦£互煦Lig鱼g

College of Information Science&Engineering

Central South University

Changsha Hunan P.R.C

原创性声明
本人声明,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单位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。

作者签名:知陋日期.碰年上月土日

学位论文版权使用授权书
本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文, 允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内 容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》, 并通过网络向社会公众提供信息服务。

作者签名细导师签名:随日期:进年—L月三二_日

摘要
矿井水文监控系统是矿井安全监控系统中的一个重要子系统,对 保障矿井生产的安全发挥着重要作用。在现有的矿井水文监控系统 中,水文参数的监测预警和井下排水控制这两部分相对独立,在水位 控制中多采用单一的开关控制,使得系统在处理复杂的矿井涌水问题 时实时性和可靠性不强。针对以上问题,本文结合矿井涌水的特点, 在涌水量预测中引入BP神经网络模型,开展基于PLC和LabVIEW 实现的矿井水文监控系统的研究。 首先,归纳了矿井水文监控系统的国内外研究现状,简要介绍了 系统工作原理。针对系统监控需求,设计了以西门子S7.300 PLC为井 下控制核心、LabVIEW为地面监控软件的矿井水文监控系统的整体方 案,并进行了PLC硬件和软件的模块化设计,同时对水泵及配套电机、 信号检测传感器等进行了选型。其次,定性分析了矿井涌水量影响因 素,选取其中对矿井涌水量影响较大的水文地质条件、地质构造特征、 降水量和开采面积等四个因素作为BP神经网络的输入变量,搭建BP 神经网络矿井涌水量预测模型,在MATLAB中进行了仿真分析。最后, 运用LabVIEW进行地面监控中心的软件设计,并对各个功能进行了测 试。通过TCP/IP通讯模块的设计实现其与井下PLC之间的信息实时传 输。用户界面采用选项卡式设计,可进行多个管理子界面的切换,使 用方便;并利用MATLAB/LabVIEW混合编程,将BP神经网络涌水量 预测模型应用到系统中。 仿真和测试结果表明:使用BP神经网络可以实现矿井涌水量的 实时预测,能够达到预期的预测精度;设计的基于LabVIEW的矿井水 文监控系统可以实现水仓水位自动监控、涌水量预测和以太网通信等 功能,可靠性和实时性高,满足系统设计要求。 关键词矿井水文监控,涌水量预测,S7.300 PLC,BP神经网络模型,
LabVIEW

ABSTRACT

Mine hydrological monitoring and control system is an important subsystem of the mine safety monitoring and control system,which is safety.However,monitoring and early warning of hydrological parameters and underground drainage
responsible for the production control were relatively independent in the present

mine

mine

hydrological

monitoring and control system.Besides,single switch control was usually adopted in the sump water level contr01.Hence,the system had weak real-time capability and reliability in handling the complex

mine

water

inflow problem.In this thesis,in order to solve the above problems, research of the mine hydrological monitoring done based
on

and control system has been

PLC

and LabVIEW.Considering the characteristics of

mine water inflow,BP neural network model iS introduced into the prediction of water inflow. Firstly,the research status of the mine hydrological monitoring

and

control system is summarized and the system working principle is briefly

analyzed.The mine hydrological monitoring and control system is
designed
on

the basis of the system control requirements.Siemens
as

S7—300 PLC was taken

the underground control

core

and LabVIEW

as

the ground monitoring software.According to the system scheme,the modular design of the PLC hardware and software was proposed.

Meanwhile,the selections of pumps with associated motors and signal
detection
sensors are

described in detail.Secondly,the BP neural network thesis.After

model of water inflow prediction is established in this

analyzing the influence factors of mine water inflow,hydro-geological
conditions,geological tectonic feature,quantity of precipitation and area of exploitation
are

chosen

as the BP neural network input nodes.

Simulation is carried out in network.Finally,the designed under the

MATLAB
of

to

analyze the performance of the
ground monitoring
center

software

the

is

LabVIEW platform with each functional module tested.The communication module is designed based on the TCP/IP protocol to achieve the real-time transmission of information between the

ground

monitoring

center
to

and

underground

PLC.A tabbed

control
to

method iS adopted

design the multi.interface.which iS convenient

use.In this part,how to apply the BP neural network model of mine water infow prediction M渔TLAB and into the system with the hybrid

programming of
be

LabVIEW

is mainly discussed.
can

Simulation and test results show that the BP neural network used to realize the real.time prediction of reach the excepted prediction

mine

water inflow,which mine

Can

accuracy.The

hydrological

and control system designed in this thesis has hi曲reliability and real.time performance and Can meet the system design requirements.
monitoring The research of the thesis has mine hydrological monitoring

an important significance

on

the study of

and control system.
monitoring and control,water inflow

KEY

WORDS

mine hydrological

prediction,S7-300 PLC,BP neural network

model,LabVIEW

III

目录
摘要…………………………………………………………………………………..I
ABSTRACT…………………………………………………………………………………………II

第一章绪论…………………………………………………………………………1 1.1论文研究背景与意义……………………………………………………….1 1.2国内外矿井水文监控研究与发展现状…………………………………….3 1.2.1国内外矿井水文监控系统发展现状…………………………………3 1.2.2矿井涌水量预测方法分类和研究现状………………………………4
1.2.3

LabVIEW在矿井水文环境中的应用现状……………………………7

1.3论文主要研究内容和章节安排…………………………………………….7 第二章系统工作原理及矿井涌水量影响因素分析……………………………….9 2.1矿井排水系统组成及矿井涌水来源………………………………………..9 2.1.1矿井排水系统组成……………………………………………………9 2.1.2矿井涌水来源……………………………………………………….1


2.2离心式排水泵工作原理……………………………………………………10 2.2.1离心式排水泵系统组成…………………………………………….10 2.2.2射流泵工作原理简介……………………………………………….11 2.2.3离心式排水泵工作过程…………………………………………….12 2.3矿井涌水量影响因素分析…………………………………………………13 2.3.1矿井涌水量概念…………………………………………………….13 2.3.2影响矿井涌水量的主要因素分析………………………………….13
2.4小结…………………………………………………………………………………………………1 5

第三章矿井水文监控系统方案设计………………………………………………16 3.1系统总体方案设计…………………………………………………………16 3.1.1矿井布局和排水结构……………………………………………….1


3.1.2系统控制需求……………………………………………………….16 3.1.3系统整体结构……………………………………………………….17 3.2系统硬件设计………………………………………………………………18 3.2.1水泵及配套电机选型……………………………………………….18 3.2.2可编程控制器选型及配置………………………………………….19 3.2.3信号检测系统设计………………………………………………….22
3.3

PLC控制系统软件设计……………………………………………………26 3.3.1主程序设计………………………………………………………….27 3.3.2单台水泵自动控制程序设计……………………………………….27

3.3.3水位自动监控和用电避峰就谷程序设计………………………….30 3.3.4水泵和排水管路自动轮换工作程序设计………………………….32 3.3.5运行状态监测和保护程序设计…………………………………….34 3.4小结…………………………………………………………………………………………………35 第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究………………………………….37
4.1

BP神经网络原理…………………………………………………………..37
4.1.1 4.1.2

BP神经网络结构……………………………………………………37 BP学习算法及执行步骤……………………………………………38

4.2矿井涌水量预测模型设计…………………………………………………40 4.2.1输入参数选取……………………………………………………….40 4.2.2隐层数及隐层节点数设计………………………………………….4l 4.2.3训练样本的确定…………………………………………………….4l 4.2.4数据的归一化处理………………………………………………….43 4.2.5涌水量预测模型结构……………………………………………….43 4.3模型仿真及结果分析………………………………………………………44 4.3.1初始权值和学习率的选择………………………………………….44 4.3.2传输函数和训练函数的选取……………………………………….44 4.3.3模型仿真…………………………………………………………….46 4.3.4仿真结果及分析…………………………………………………….47 4.4小结…………………………………………………………………………………………………5l 第五章地面监控中心软件设计和实现……………………………………………52 5.1软件构成和实现功能………………………………………………………52 5.2系统人机界面………………………………………………………………53 5.2.1用户登录界面设计………………………………………………….53 5.2.2工作现场界面设计………………………………………………….55 5.3系统通讯模块设计和实现…………………………………………………56 5.4涌水量预测模型实现………………………………………………………58 5.5报警管理模块设计…………………………………………………………60
5.6列、结…………………………………………………………………………………………………61

第六章总结和展望…………………………………………………………………63 6.1论文研究工作总结…………………………………………………………63 6.2进一步工作展望……………………………………………………………63 参考文献…………………………………………………………………………….65 致谢……………………………………………………………………………………………………………..70 攻读学位期间主要的研究成果…………………………………………………….71

硕士学位论文

第一章绪论

弟一早三;酉下匕 第一章绪论
1.1论文研究背景与意义
安全生产是各大矿山永恒的主题,目前我国仍然处在工业化快速发展进程中 的事故易发期,矿井安全事故的总量仍然比较大。矿井水害是矿井五大安全问题 (瓦斯、水害、煤尘、火灾、冲击地压)之一【11。我国矿井开采的水文地质条件复 杂,矿井突水类型多,成因机制和防治方法也渐趋复杂化,无论是受水害威胁的 面积、类型,还是被水害威胁的严重程度,都是世界罕见的。 随着我国煤矿、金属矿、非金属矿矿区的开采深度不断加大,强富水、高承 压的奥灰、寒灰造成的突水威胁也日趋严重,成为制约矿井安全生产的重要隐患。 长期以来,矿井水害给国家和人民带来的人身伤亡和经济损失极为惨重【2】。在我 国煤矿重特大事故中,矿井水灾事故在死亡人数和发生次数上,仅次于煤矿瓦斯 事故,但造成的经济损失和救援难度一直居各类矿难之首。据不完全统计,2002 年到2011年,全国共发生各类矿井水害事故541起,死亡2560人,失踪629人, 平均每年发生水害事故50余起,死亡250人以上,每起事故死亡4人以上。在 过去的20年里,有250多处矿井被水淹没,经济损失高达350亿元。这其中的 统计不包括矿井全部被淹,未造成人员伤亡的事故。因此,矿井水文监控系统担 负着矿井安全与矿井日常生产正常进行的双重使命。 根据《煤矿安全规程》(201 1年版)第二百五十二条、第二百五十四条以及《煤 矿防治水工作条例》第5条明确规定,矿井应当建立排水系统,对水文地质条件 复杂、有可能造成突水威胁的矿井,必须根据矿井实际情况建立动态监测系统, 进行水害预测分析,及时发现突水征兆,制定处理对策。 然而,我国矿井生产在水害防治方面,目前基本处于“防”、“治"分离的状 态。在排水方面,我国局部矿井企业的井下水泵房已采用可编程控制器 (Programmable
Logic

Controller,PLC)控制的自动排水系统,但大多数矿井依旧使

用传统的人工操作排水系统。在人工操作系统中,泵站设备的操作和状态监测(包 括水泵的启停操作、闸阀的开关过程、压力表等仪表的示数观测等)完全依赖于 工人的经验和既有的操作规程【3】o自动排水系统基本上可以解决人工操作系统对 人的依赖性大、工人劳动强度大、控制的主观性太强等问题,能够适应矿井现代 化建设的要求。在水文监测方面,国内多家科研单位提出了多种水文监测预警系 统,一般具备数据采集与存储、数据处理与分析、警情发布等功能,在国内已有 一些应用实例,例如结合了计算机科学、水文科学、通讯技术和信息处理技术的

矿井水文动态监测智能预警系纠41。但是,将水文监测与排水系统两者有效结合

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第一章绪论

起来对矿井水文进行综合监控,从而达到矿井水害防治结合,在国内矿井生产应 用中几乎是空白的。 传统的人工监测和人工操作排水系统存在效率低、可靠性差、工人劳动强度 大等诸多问题,控制的主观性极强,存在比较严重的安全隐患问题。针对人工监 测和人工操作排水系统存在的缺陷和不足,国内科研工作者在理论和实践应用方 面进行了大量的研究,具备一定自动化程度的PLC自动排水系统和水文监测预 警系统在部分地区得到了应用。尽管在矿井水文监测和控制方面取得了一定研究 成果和进步,但仍存在很多有待解决的问题。 (1)系统设备的调试、维护麻烦。在现有的矿井排水控制系统中,人机交互 界面只能用于显示设备的运行状况,不具备程序参数修改功能。用户若需对控制 系统进行调试,需要重新编制程序和下载。 (2)现有自动排水系统在控制方法上多采用简单的水位开关控制,无法满足 矿井突发涌水等紧急情况的处理【51。如何根据涌水量大小建立系统模型,并选择 合适的控制策略,以满足矿井复杂水文情况的处理需求,是解决矿井水害监测控 制问题的重要手段之一。 (3)矿井普遍存在排水系统不能纳入矿井安全集中监控的问题。目前,矿井 监测系统一般是针对矿井环境中某一特定的监控对象(瓦斯监测、涌水监测、提 升运输等)设计的,其软件通常与系统配套开发,不同系统之间监控软件的通用 性和兼容性差,难以实现全矿井范围的集中综合监控【61。在矿井涌水监控方面, 水文监测预警和水泵排水控制系统相对独立,水文监测结果无法实时地应用于排 水泵的启停控制。 (4)对矿井潜在水害缺乏可靠的预警。矿井涌水受多种随机因素的影响,是 极其复杂的现象,很难准确预测。目前在用的矿井水文监测系统监测的参数主要 包括水位、水流量、水压等,能够直观而形象地显示水文环境各个监测参数的实 际变化,并具备一定的数据分析和处理能力,但是参数比较单一,对于即将发生 的突水事件缺乏可靠的预测,从而无法实现矿井水害实时预警,也无法根据涌水 危害程度控制水泵投入台数。 本文针对目前矿井水文监控系统存在的主要问题和不足,设计综合矿井水文 参数监测、排水泵自动控制的矿井水文监控系统,采用LabVIEW实现上位机监 控,缩短了系统的开发时间,保证了系统的通用性,同时,建立考虑水文地质条 件、大气降水及地表水、开采状况等因素的涌水量预测模型,使系统具有涌水量 预警和实时控制功能,提高了矿井水文监控的实时性和可靠性,对保障矿井生产 安全具有十分重要的实际意义。

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第一章绪论

1.2国内外矿井水文监控研究与发展现状
矿井水文监控是伴随着采矿行业产生的一项系统工程。随着控制理论和现代 检测技术的发展,矿井水文监控系统的相关研究在理论和应用上都取得了一定进 展。 1.2.1国内外矿井水文监控系统发展现状 在矿井排水系统方面,国内多数矿井目前仍停留在比较原始的人工操作运行 模式,工人根据现场涌水量的不同,凭个人经验和矿山的粗放管理制度来确定水 泵的投入台数,使得排水系统大多在低效率、低可靠性状态下运行,并且事后维 修费用、操作人员的人本费用、不合理耗能费用都居高不下。 针对人工操作的排水系统存在的问题和不足,矿井自动排水系统应运而生。 目前国内部分矿井己投入以PLC为核心的矿井自动排水系统【|71,相关研究也主要 集中在针对这类系统的改进和完善,包括水泵投切的优化控制以及设备的隔离保 护、故障监测等。文献[8】实现了水泵与电动机的运行状态及水位、流量等参数 的实时监测,通过PLC控制系统实现对原有继电器操作系统的改造,提高了工 作效率和排水设备自动化管理水平。文献[9]利用西门子WinCC组态软件对水仓 水位实现远程监控,文献[10】实现了PLC和触摸屏组合进行自动排水控制,对矿 井排水系统的监测监控具有一定的理论指导意义与实用参考价值。文献[11】利用 以太网通信技术,实现了矿井水泵房的全自动监控管理。文献[12】设计了基于智 能传感器的水文监测系统,使矿井水文监测数据更全面和实时,文献[13】在矿井 水泵房的节能优化改造方面给出了指导性意见。 上述研究中的自动化排水系统都能实现与上位机的远程通讯,实现远程控制 和在线监测,但对水位的控制均采用单一的开关控制,在处理复杂的排水问题时, 实用性不强。因此,针对水仓水位的控制策略,国内外研究者对其进行了大量深 入的研究。在文献中分别将反向传播(Back Propagation,BP)神经网络、人工智能、

模糊控制、最优控制理论应用于排水系统的设计当中【悼1。71,实验结果表明这些控
制方法使系统在动态性能、鲁棒性等方面得到了一定的改善,为矿井生产实际提 供了一定的理论依据,具有良好的发展前景。 除了大部分基于PLC的自动排水控制系统之外,国内学者还提出了基于计 算机技术的矿井水泵控制系统理念。其中,以矿用本安型计算机为核心的矿井水 泵控制系统,通过控制软件设定的自动控制流程实现自动控制【l 8】;基于以太网工 厂自动化协议(Ethernet
for Plant Automation,EPA)的水泵控制系统,以微网段作为

整个网络的基本组成单位,构成单泵控制单元,结构简单【l 9】;此外,也有一些基 于单片机、ARM[20,21】等的矿井水文监控系统研究,这类研究也是针对传统人工

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第一章绪论

继电器操作的问题展开的,在提高系统的可靠性方面存在积极意义。 在国外方面,一些矿产资源丰富的国家在矿井自动化技术方面的研究起步较

早,并且已经成功应用到矿井生产和日常管理中,发挥着重要的作用。加拿大在 数字化矿山概念的基础上建立了统一的信息网络,将开采过程及相应的各集成化
支持系统连成一体,便于综合管理,同时大力发展传感技术【221,通过减小监测误 差来提高控制系统的精确性和可靠性;芬兰矿产行业发布了智能化矿山技术项 目,通过该项目组建全矿范围的信息网络,从而实现矿井生产资源的实时管理和 控制,实现生产及维护的自动化;俄罗斯的研究主要集中在设备的节能改造及新 型设备的研制方面,提出了离心式水泵能耗估算方法、以微处理技术为基础的自 动控制系统和故障诊断与安全保护操作系统。目前,加拿大、智利、澳大利亚、 瑞典、芬兰、南非等国家都有自己的示范采区,在整个矿山里划出一小块采区, 做到远程遥控和自动化采矿【23】。这些国家并没有将井下排水系统列为单独的研究 内容,但他们将其列入了矿山整体自动化规划中,将水仓水位的监测值和水泵的 运行参数等信息统一送给控制中心进行集中控制。在矿井水文监控系统的建立方 面,可以参考发达国家在现代化水文管理方面的研究成果,如美国HACH、德国 SEBA等公司的水文遥测系统和德国HT公司和RIBEKA公司共同开发的地下水 监测系统等【241。针对中国矿井的实际情况,国外科研工作者也为我们提出了合适 的改造计划【251,为我国矿井自动化发展提出了可靠意见。无论是发展传感器技术, 还是建立统一的通信网络,都关系到矿井水文监控系统的发展。 1.2.2矿井涌水量预测方法分类和研究现状 矿井涌水量的可靠预测是矿井生产合理开发、进行技术经济评价和矿井安全 评价的重要指标,是制定矿井防治水措施、确定排水能力和防止重大水害的主要 依据。因此,选择准确度和精度高的矿井涌水量预测方法,是提高矿井水文监控 系统工作可靠性的有效途径。 矿井涌水量预测方法多种多样,归纳起来基本可以分为两类。第一类为确定 性分析方法,主要包括物理模拟法、数值模拟法、水均衡法和解析法;第二类为 不确定性分析方法,具有代表性的有水文地质比拟法、模糊综合评判法、相关分 析法、灰色系统理论、BP神经网络和实践序列分析等【261。 对确定性分析方法来说,如果水文地质参数不可靠,水文地质条件没有查清, 或因水文地质情况复杂而条件概化不准确,都有可能直接导致计算结果出现大的 误差。国内外科研工作者对现有的计算方法进行了大量研究和实践验证,提出了 很多改进的方法。近几年来,关于数值模拟法的理论和应用研究比较多见。文献 [27】应用模块化三维有限差分地下水流动模型(Modular
Three.dimensional



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第一章绪论

Finite-difference Ground.water Flow

Model,MODFLOW)求数学模型的解,模拟实

际系统的状态,成功预测了不同含水层的涌水量变化规律。文献[28】应用谷歌移 动服务(Google Mobile Service,GMS)软件的三维地层创建模块和渗流计算模块, 综合分析矿区水文地质条件,建立了陕西某矿采煤工作面的水文地质模型,预测

了其涌水量变化规律,具有实际的工程应用价值。文献[29】通过建立区域模型和 局部模型的方式,解决了边界条件概化不准确的难题,保证了矿井涌水量预测的
正确性,提高了预测精度。 实际工程中,存在着各种影响矿井涌水量预测准确程度的因素,如含水层的 水文地质结构、联系通道、补给来源和人为扰动等。当系统存在以上各种各样的 不确定性(信息不完全性、未确定性和模糊性)时,采取确定性分析方法进行涌水 量预测得出的结论,会存在不合理甚至矛盾的可能。因此,通过不确定性分析方 法来预测涌水量的研究具有十分重要的工程意义。 水文地质比拟法利用地质条件和开采方法具有相似性的矿井排水资料,对新 建矿井的涌水量进行预测,在国内得到了较广泛的实际应用。除了对矿井正常涌 水量和最大涌水量进行预测之外【30】,水文地质比拟法也被广泛用于其它预测方法 的结果校核【311,避免单一预测方法出现偏差较大的预测结果。虽然应用广泛,但 它受限于矿井水文资料的积累程度,而且只能用于条件相似的矿井,也无法考虑 开采条件下水文因素的动态变化,有一定的局限性。 针对在矿井水文监控系统中的应用,关于矿井涌水量预测方法的研究主要集 中在灰色系统法、BP人工神经网络两大方面,也有一些科研工作者运用支持向 量机(Support
Vector

Machine,SVM)方法取得了一定成果。

(1)灰色系统法具有所需样本少、无需知道样本分布规律和预测精度高等诸 多优点,在矿井水文“小样本"、“贫信息”这样的不确定性系统应用中受到了大 量的研究。 在灰色系统法中,最常用的是GM(1,1)预测模型,文献【32】和【33]通过微分 拟合对离散的、随机的时间序列原始水文数据信息进行累加累减处理,并适当修 正残差,在矿井涌水量的动态预测中取得了较好的效果。虽然如此,GM(1,1)模 型也存在一定的局限性,该模型仅适用于原始数据序列非负、符合或基本符合指 数规律变化的场合,对数据波动强烈的情况模拟效果不理想。在实际应用中,灰 色模型本身也在接受不断的改进和完善,文献[34】通过递推解法得到两种基本无 偏模型和四种优化模型,模拟预测结果比传统GM(1,1)预测模型有所改善。文献 [351利用反向变换建立新预测模型,并运用遗传算法对其进行优化,改善了对于 单调递减原始数据序列直接建立GM(1,1)模型会产生不合理计算误差的情况。 (2)神经网络无需建立精确的数学模型,就可以实现输入空间到输出空间的

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第一章绪论

非线性映射,用这种方法建立矿井充水因素和涌水量的映射关系,十分适用于矿 井涌水量预测研究。 文献[36】和[37】通过大量的样本信息对BP神经网络模型进行训练,能够达到

矿井涌水量预测的精度要求;文献[38]和[39]描述了BP神经网络在两个矿井涌水 量预测的实际应用,预测值和实际值吻合较好。但是,由于这种方法需要足够的
样本信息,而且BP算法极易陷入局部最优,所以国内外科研工作者针对这两点 作了大量的研究。文献[40】使用遗传算法对BP网络的初始权值和阈值进行优化, 提高了预测精度。 综合灰色系统理论和BP人工神经网络各自的优缺点,将两者结合起来用于 矿井涌水量的预测,可以得到更好的效果。文献[41】和[42】运用灰色GM(1,1)模 型对矿井涌水量趋势进行预测,然后利用神经网络对残差模型进行修正,克服了 单个模型的不足,能够较好地适应涌水量预测的随机性和复杂性。文献[43】对矿 井不同水位观测孔的水位进行关联度分析,把关联度好的4个作为BP神经网络 的输入神经元进行建模预测,结果表明矿井涌水量预测精度较高。文献【44】是灰 色GM(1,1)模型和BP神经网络模型的有机结合,对提高预测精度也有一定意义。 以上组合模型互补性强、预测精度高,但BP算法极易陷入局部最优与过拟合的 缺陷在组合模型中没有得到解决,文献[45]采用遗传算法对组合模型进行优化, 避免了网络进化时易陷入局部最优的问题。 (3)在支持向量机研究方面,文献[46】提出了基于SVM降雨充水矿井涌水量 预测,具有较好的鲁棒性,在小样本情况下也能保持较稳定的准确率;文献[47】 在运用支持向量机建立涌水量预测模型前,先利用分形理论对涌水量时间序列进 行相空间重构,以此确定支持向量机的输入节点,保证预测值误差最小。 (4)涌水量的准确预测关系到整个矿井水文监控系统的控制和决策问题,因 此,D.S证据理论(The
D.S theory

ofevidence)也得到了极大的重视。

应用D—S证据理论将多传感器采集到的数据进行融合,给出矿井井下涌水预 测的评价模型【481,能够有效消除数据信息的不确定因素,提高检测结果的准确性, 但评价模型的准确度等还有待进一步提高【49】。 (5)由于矿井涌水量预测的复杂性和随机性,各界相关科研人员都在做出不 懈的努力。如地理信息系统(GIS)技术、天然电磁波法都在矿井涌水量预测中表 现出了良好的效果【50,511。 总之,在矿井水文监控系统的研究过程中,涌水量预测方法的准确性和精确 度直接影响监控系统的控制和决策,因此,寻找适用性广、误差小、计算量小的 涌水量预测方法,一直是科研工作者不懈追求的目标。



硕士学位论文

第一章绪论

1.2.3

mVIEW在矿井水文环境中的应用现状
作为计算机技术和现代仪器技术快速发展的产物,虚拟仪器自1986年问世

以来,得到了各国工程师和科学家的青睐,已经成为计算机辅助测试领域的一项 重要技术。它将计算机资源、通用仪器硬件和高效灵活的软件有效地结合起来, 组成具有性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成等特点的虚拟仪器系统,来 完成各种测试、测量和自动化应用【521。 目前在虚拟仪器领域内,使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的 LabVIEW(Laboratory Xrmual Instrument Engineering Workbench),它是一种图形化 的编程语言的开发环境,在工业生产和学术研究领域都已经得到了广泛应用。 在矿井安全监控领域,虚拟仪器技术同样引起了越来越广泛的关注。在矿井 安全监测的很多方面(如矿井提升机监控、瓦斯监控、风机在线监测都有应用 LabVIEW的实例【53-55]),在保证矿井生产安全方面发挥了不可替代的作用。而在 矿井水文监控领域,LabVIEW的应用并不广泛,主要集中在矿井排水装置的故 障监测和诊断方面【561。而在矿井自动排水系统上位机监控软件中占主要地位的基 本是西门子WinCC人机界面软件、组态王等工业组态软件或企业采用C++、
Visual

Basic、DELPHI等计算机语言自行开发的软件平台。

随着矿山自动化建设的发展需求,井下水泵房的远程控制、排水设备状态的 在线监测以及矿井水情的动态实时监测已经成为矿井水文监控系统的重要指标。 鉴于LabVIEW具备图形化、编程方便的优点及其在矿井水文环境中应用尚不广 泛的现状,借鉴它在矿井安全监测的其它方面的应用经验,将它作为矿井水文监 控系统的上位机监控软件,具有积极的实际意义和推广价值。

1.3论文主要研究内容和章节安排
本文以矿井水文监控系统为研究对象,分析排水泵工作原理和矿井涌水量的 影响因素,针对矿井水文监控系统的控制需求,设计监控系统的总体方案,包括 系统硬件设计和井下PLC控制系统的软件设计。在此基础上研究矿井涌水量预 测模型的神经网络建模,并通过仿真验证模型的正确性,最后设计基于LabVIEW 的矿井地面监控中心管理软件,并通过LabVIEW和MATLAB混合编程实现矿 井涌水量预测模型在矿井水文监控系统中的应用。论文章节安排如下: 第一章提出论文的研究背景和研究意义,介绍国内外矿井水文监控系统的 发展现状,在简述矿井涌水量预测方法分类的基础上归纳其研究现状,研究 LabVIEW在矿井水文环境中的应用现状。 第二章简要介绍离心式排水泵系统组成和射流泵工作原理,叙述离心式排 水泵的工作过程,分析矿井涌水量的主要影响因素。


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第一章绪论

第三章叙述矿井水文监控系统总体设计方案、系统硬件设计以及针对系统

控制需求的PLC控制系统的软件设计。
第四章以矿井涌水量影响因素分析为依据,建立矿井涌水量神经网络预测 模型,通过训练集对权值和阈值进行训练,通过测试集验证其有效性和可行性。 第五章设计基于LabVIEW的地面监控中心人机界面,论述系统通讯模块、 涌水量预测模型的混合编程以及报警管理模块的设计和实现。 第六章总结论文的研究工作,指出存在的不足,对进一步研究工作的方向 和内容进行展望。

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第二章排水泵工作原理及矿井涌水量影响因素分析

第二章系统工作原理及矿井涌水量影响因素分析
我国矿井井下排水系统的主排水泵普遍采用离心式水泵,它的工作原理相对 复杂,需要根据其独特的启动和停机步骤编写控制程序。另一方面,涌水量的变 化受诸多因素的影响,选择合理的影响因素建立涌水量预测模型,可以提高模型 的精确度。因此,本章主要介绍矿井排水系统的组成及其工作原理,并分析矿井 涌水量的影响因素,以便更好地实现排水泵的控制和合理选取模型的输入数据。

2.1矿井排水系统组成及矿井涌水来源
2.1.1矿井排水系统组成 矿井排水系统主要由离心式水泵、射流泵、配套电机、排水管路、信号检测 系统、井下PLC控制系统、现场操作台和地面监控中心组成,系统组成结构如 图2.1所示。
操作台

厂]

… _ 到引


地面监控中心 工控机







通信电缆 井下PLC控制系统

毒工业以太网

控制信号
_I●_

+检测信号
信号检测系统


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I▲



启动设备



由碰溷 电儡ll饲

由;h Cm-I泅

I吧副闸网


射流泵


配套电机


捧水管路

离心式水泵

图2-1矿井排水系统组成结构

离心式排水泵是排水系统的工作执行机构。井下PLC控制系统是整个矿井 排水系统的井下控制核心,矿井水文信息和设备运行状态通过信号检测系统检测



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发送至PLC,控制信号控制配套电机启动开关、射流泵电磁阀和排水管路电磁闸 阀等实现控制操作。地面监控中心监控矿井水文系统的运行、设定控制参数、显 示和保存各类数据。 2.1.2矿井涌水来源 矿井涌水的来源分为大气降水、地表水和地下水三类。其中,地表水包括了 矿井附近的河流水、湖泊水和水库水等;地下水包括了岩层的孔隙水、裂隙水和 岩溶水等。因此,矿井所处地区的气候环境、周围河流湖泊的分布情况以及矿井 所处位置的地质构造、水文地质条件的情况都直接影响着矿井涌水,在制定矿井 排水方案时,需要综合考虑这些因素。

2.2离心式排水泵工作原理
2.2.1离心式排水泵系统组成 离心式排水泵系统主要由离心式水泵、配套的电动机、启动设备、管路及其 附件、仪表等组成,如图2-2所示。
1 1

图2-2离心式排水泵设备示意图 1-离心泵;2一电动机;3.电动机启动开关;4.吸水管;5.滤水器;6.电动闸阀;7.逆止阀

8谢流泵;9谢流泵电磁阀;10带压水管;1 1.出水管;12.水仓;13-压力表;14.真空表
1、滤水器和底阀 滤水器安装在吸水管底端,用于防止井底沉积的杂物吸入泵内引起水泵堵塞

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或磨损。底阀安装在滤水器内,保证灌入水泵和吸水管的引水、停泵后的存水不 漏掉。现有排水系统一般不用底阀,而改用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水, 可减小水泵腐蚀,同时提高排水效率【57】。本系统采用射流泵注水。 2、射流泵 要使离心式水泵进入运行状态,必须在启动前将泵腔和吸水管内注满水,否 则水泵转动时会因无法吸水形成“干烧",影响水泵使用寿命。本系统中这一环 节由射流泵完成,利用水射流原理,在水泵泵体中建立负压,大气压将水仓水井 中的水压入水泵工作腔,保证水泵正常进入工作状态。射流泵的控制阀门采用电 磁阀。 3、调节闸阀 调节闸阀安装在水泵上方的排水管路上,用于调节水泵的流量和扬程。为降 低启动电流,在水泵启动时将其完全关闭;在停泵时先关闭它,可有效防止水锤 对水泵的伤害。本系统采用电动调节闸阀。 4、逆止阀 调节闸阀的上方安装有逆止阀,逆止阀在遇到水泵故障突发停转或未关闭调

节闸阀直接停泵的情况时,可实现自动关闭,切断水流,有效防止水泵因水力冲
击而损坏。 5、真空表和压力表

真空表用以检测水泵入口真空度,测量范围肚0.1MPa,安装在吸水接管上。
压力表用以检测排水管水压大小,安装在排水接管上。 2.2.2射流泵工作原理简介 射流泵具有结构简单、工作可靠、安装容易、占地少、维护方便等优点,是 矿井地下水泵房排水设备常用的一种引水设备。射流泵的结构包括喷嘴、吸入室、 吸水管、混合管、扩散管和压出管,如图2.3所示。

——◆

Q1

一————◆

Q1+Q2

图2.3射流泵结构图

1.喷嘴;2.吸入室;3.混合管;4扩散管;5.压出管;6-,gt.Tg.-管"
ll

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射流泵根据水射流时的“虹吸”原理进行工作。首先,高压水以流量Q1从 喷嘴高速射出,带走吸入室里的空气,吸入室内被造成一定程度的真空,水池中 的水在大气压的作用下,以流量Q2经过吸入管被压入吸入室,这两股流量分别

为Q1和Q2的水在混合管中发生能量交换和传递,最终流速和压力趋于拉平,
然后,部分动能经扩散管转换为压力能,以一定的流速流出压出管。 在离心式水泵排水系统中,在水泵的最高处连接射流泵。射流泵工作时,需 为其提供高压水源,从而在喷嘴处生成高速水流,吸入室由于虹吸现象将得到真 空,低处的水被吸入水泵,此时方可启动水泵。在开启射流泵之前,保证水泵排 水管路上的闸阀处于关闭状态。 2.2.3离心式排水泵工作过程 矿井水文监控系统根据涌水量预测、水仓水位和排水设备状态参数检测编写 控制流程,对于多台水泵的控制需要对启停数目、启停时间段等进行判断,工作 过程相对复杂。而对于每台泵组来说,只有启动和停止两个过程。在此介绍其具 体步骤,为后面制定合理的控制策略奠定基础。 1、泵组的启动过程 (1)检测水仓水位到达警戒水位或上位机发出水害预警; (2)接通射流泵电磁阀线圈,开启射流泵为离心泵泵腔抽取真空; (3)水泵入口处真空度达到规定值(真空表示数.0.08MPa),接通水泵驱动电 机触点,启动水泵; (4)离心式水泵出口处压力到达规定值(压力表示数1.5MPa),缓慢打开出口 处电动闸阀,同时关闭射流泵。 2、泵组的停止过程 (1)检测水仓水位达到水位下限,或因设备故障等原因需要停泵; (2)慢慢关闭排水管的电动闸阀,水泵进入堵转状态; (3)切断电源,水泵电机停止工作。 在水泵启动和停止过程中需要注意: (1)启动水泵电机后,闸阀应待电动机达到正常转速后再缓慢打开,在正常 情况下,电流表、真空表读数会逐渐增加,而压力表的读数逐渐减小,可据此观 察水泵是否正常运行; (2)为有效防止水泵发热,在闸阀关闭后3分钟内应保证水泵停转; (3)水泵启动后几分钟,须检测水泵和电动机的电流和温度,如果某一部件 电流或温度出现异常,应立即停泵查明原因。

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2.3矿井涌水量影响因素分析
矿井涌水量预测的准确性在矿井水文监控系统设计和水害防治过程中起着 至关重要的作用,在对涌水量进行预测前,有必要对涌水量的概念和其涌出形式 进行了解,以便对矿井涌水有一个更全面的认识。影响涌水量的因素众多,这些 因素之间又具有高度的非线性。对于某一具体的矿井来说,水仓水位的变化规律 受涌水量的主控因素影响最大,因此,对涌水量影响因素进行分析,寻找出涌水 量的主控因素,是准确预测涌水量的前提。 2.3.1矿井涌水量概念 矿井涌水量是指矿山建设和生产过程中单位时间(常用每小时或每分钟)内 流入矿井巷道内的地表水、裂隙水、老窿水、岩溶水等的总量。矿井涌水量是矿 井开发的一个重要技术条件。地质勘探工作区应查明水文地质条件和预计开采矿 井的涌水量,以便在建井和生产时采取相应的流、排、堵、防等措施。 2.3.2影响矿井涌水量的主要因素分析 1、水文地质条件 矿井涌水量的大小与矿井水文地质条件有着直接关系,含水层厚度、含水性、 补给来源、岩溶发育程度和节理、裂隙发育程度都是决定矿井涌水量的重要因素 【581。矿井水文地质条件对矿井涌水量的影响主要体现在以下方面: (1)含水层厚度、含水性及补给来源的丰富性,与矿井涌水量正相关; (2)矿井平面地理位置,如果矿井位于离井、河、泉水近的位置,则侧向补 给来源大,水力关系密切,矿井涌水量就大; (3)开采矿层与区域地下水位和当地侵蚀面的关系,通常开采矿层位于区域 地下水位和当地侵蚀面以下,且补给关系密切的,矿井涌水量大; (4)入渗系数,入渗系数大,降水和地下水可直接转化为矿水,则矿井涌水 量大。 2、地质构造特征 地质构造对地表水和地下水的转化起着重要的控制作用,所以地质构造特征 是影响矿井涌水量的主要因素之一。地质构造的发育使原本完整的地层产生了裂 隙,地下水通过这些裂隙流动,所以褶曲和断层补给来源的丰富程度和断层含水 层的连通情况,对矿井涌水量大小有着重要影响。地质构造越复杂,断层越多, 开采矿层离断层越近,补给越充分,矿井涌水量就越大,反之就小。 3、矿井开采阶段 在矿井开采的不同阶段,矿井涌水量变化存在着一定的规律。根据开采阶段

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不同,涌水量变化也可分为四个阶段: (1)矿井开采初期,即从矿井基建到生产期间,这段时期会揭露较多自然饱 和状态的含水层,含水性强,随着开采面积的增大,顶板会逐渐冒落导致裂隙导 水带被沟通,含水层中的地下水直接渗入矿坑,使矿井涌水量增大。在此阶段, 矿层浅的矿井矿井涌水量也会因地表水的渗入而增大。 (2)矿井开采中期,这个阶段不再大面积揭露新含水层,随着开采时间的增 长,含水层水位不断下降,部分含水层转为无压,矿井涌水量基本不变。 (3)矿井开采后期,部分含水层被疏干,导水裂隙和节理裂隙逐渐被填充, 地表水入渗量逐渐减少,此阶段矿井涌水量逐步减小。 (4)开采末期至停采,坑矿涌水量变小,甚至几乎没有。此时影响矿井涌水 量的主要因素是底部隔水层,采空区会逐步积水,此时仍需考虑进行排水。 上述四个阶段是矿井开采阶段矿井涌水量的一般共性,在判断矿井涌水量 时,需考虑地质构造破坏、地表水和岩溶水发生联系等突发状况。 4、降水量 矿井涌水量与降水量之间有一定的对应关系,在矿井开采初期矿井涌水量与 降水量呈正相关,与降水量的季节变化关系密切,即每年7 ̄9月矿井涌水量随降 水量增加而增加,在开采浅部这种关系比较明显。据统计规律,在矿井开采中期, 矿井涌水量与降水关系不明显,降水增加时涌水量只是少量增加或不增加。 5、开采深度 在一定的矿井水文地质条件和气象条件下,矿井涌水量受开采深度的影响较 大。在一定的深度范围内,开采深度和涌水量保持较好的正相关性,这是因为随 着开采深度的增加,更多的含水层被打开,矿井涌水量也对应增加。据统计分析, 由于矿层越深,节理和裂隙的发育程度和地下水补给条件较差,故当开采到达一 定深度后,涌水量将不再随开采深度的增加而变化。 6、开采面积 开采面积对矿井涌水量的影响与降水量和开采深度有关,主要体现在开采初 期,由于在开采浅部大气降水可通过裂隙带补给,矿井涌水量会随着开采面积的 增长而增加,当开采深度逐渐增大,降水与矿水不再形成补给关系,开采面积的 增加对矿井涌水量的影响就会变小,涌水量将保持基本不变。 7、开采沉陷 开采沉陷对矿井涌水量的影响在开采浅部体现得较明显,浅部开采形成沉陷 后,裂隙导水带直接到达地表,使地下水、大气降水和浅部风化带含水层流速增 加的水流直接入渗到井下,从而增加矿井涌水量。通常开采矿层越厚,贯通含水 层越多,矿井涌水量就增加,其增加程度主要取决于含水层的含水性和渗透系数。

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综上所述,矿井涌水量大小受诸多因素的影响,但是无论哪一种因素,本质 上都是出于水源补给来源和地下水流通性这两大原因。

2.4小结
本章对离心式排水泵工作系统结构进行了介绍,并叙述了射流泵的工作原 理,分析了离心式排水泵的启动和停止过程,最后对影响矿井涌水量的因素进行 了详细的分析,从而为后面制定排水控制策略和建立涌水量预测模型打下了基 础。

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第三章矿井水文监控系统方案设计

第三章矿井水文监控系统方案设计
矿井水文监控系统在保证矿井安全生产中占据着重要的地位,本章针对矿井 水文监控系统的控制需求,以PLC作为控制系统的井下主控制器,以LabVIEW 作为井上监控中心监控软件,叙述系统总体设计方案,选取符合矿井环境的PLC、 传感器等硬件设施进行系统硬件设计,并运用模块化设计的思想完成PLC软件 设计。

3.1系统总体方案设计
3.1.1矿井布局和排水结构 某矿矿区东西长约4000m,南北宽700m-1000m,矿区最高点标高为+1057m, 最低侵蚀基准面标高为+464m。矿井采用分区式多水平立井开拓,共划分为东、 中、西三个矿段,设有两个生产水平,各水平标高分别为+300m和+200m。矿井 实行分期开采,一期开采范围包括+300m水平工作面中矿段、西矿段部分,其余 为二期开采范围。目前,一期己投入生产,二期处于基建阶段。 矿井排水采用自排和集中排水相结合的方式。目前,矿井在一期+300m水平 设中央泵房。+464m标高以上涌水自流排出地表,+300m水平一期二期巷道贯 通后,+300m和+200m水平的水抽排后通过井巷集中排至+300m中央泵房的水 仓,经水泵抽至U+464m平硐流出地面。 3.1.2系统控制需求 矿井水文监控系统主要通过检测水位、压力、流量等有关信号,对矿井井下 排水泵的启动和停止进行自动控制,同时具备手动方式切换功能,保证井下水仓 水位不超过警戒水位,并通过井上人机界面进行实时监控,防止矿井水害的发生。 具体的控制要求如下: 1、水位自动监控和用电避峰就谷 系统应具备水位自动监控功能,根据水仓水位的高低自动准确确定水泵开启 台数,发出水泵开、停命令,及时排出矿水。另一方面,水泵电机容量大,耗电 量高,系统应设计用电避峰就谷环节,根据用电的“峰段”、“谷段”设定不同的 警戒水位,在保证安全的前提下,用电峰段适当抬高警戒水位,使系统整体运行 在节能状态。 2、排水泵和排水管路自动轮换工作 备用泵和备用管路如果长期不用,可能导致电机受潮或其他故障,容易造成
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涌水突发等紧急情况下无法正常投入的后果,影响矿井安全。因此系统应设计排 水泵和排水管路的自动轮换功能,达到故障早发现、早处理的目的。 3、水灾预测报警 系统将涌水量预测结果作为水位控制依据之一,当涌水量预测结果为重大突 水灾害时,系统立即投入所有排水泵,立马启动报警程序,通过声光报警或其他

形式提示井下工作人员及时进行疏散。
4、故障监测和保护 考虑到水泵电机的负荷级别,系统必须设置过流、低电压、漏电保护、超温 保护、漏水保护和流量、压力保护,保证排水设备运行的安全性和可靠性。 3.1.3系统整体结构 本系统根据某矿涌水量实际情况采用五台离心式排水泵作为主排水泵,分别 为两台工作水泵、两台备用水泵、一台检修水泵,每台水泵配套启动电机。系统 共三趟排水管路,每台排水泵与两趟排水管路相连。选用西门子S7.300 PLC作 为控制核心,通过工业以太网与地面监控中心共同组成矿井水文监控系统,其中 上位机监控软件采用LabVIEW程序开发环境的图形化编辑语言G语言编写。系 统整体结构设计如图3.1所示。 PLC的模拟量输入信号包括水仓水位、水泵入口处真空度、水泵出水口压力、 排水管路流量、水泵和电机运行状态(水泵轴温、电机温度、电机电流等)、闸阀 开度,这些信号分别通过液位传感器、负压传感器、压力传感器、流量传感器、 温度传感器等实时检测获得。PLC将采集到的水位信号进行转换处理,计算出水 仓水位的变化速率,进而判断涌水量的大小,另一方面监测水泵和电机的运行状 态,控制排水泵投入和退出运行,避免水泵和电机的损坏;数字量输入信号作为 排水泵启停控制的逻辑判断处理条件及依据,包括控制方式的开关信号、水泵电 机的开关状态反馈信号、各水泵的开关按钮输入信号、射流泵电磁阀的开关状态 反馈信号等;数字量输出信号包括各台水泵电机的开关信号、排水管电动闸阀的 控制信号、射流泵电动球阀的控制信号及报警开关信号。PLC通过以太网接口模 块与以太网交换机相连接入工业以太环网,地面监控中心与PLC通过以太网实

现信息互换;触摸屏与PLC之间通过MPI通讯协议实现通信。
由于矿井涌水量的影响因素众多,在井下采掘面布置多种传感器,包括顶板 压力传感器、底板压力传感器、水沟水位传感器、水沟流量传感器、小水井水位 传感器等,对矿井水文进行分布式多参数测量,将采集到的数据作为水文参数采 集系统输出给地面监控中心,通过事先建立的涌水量预测模型得出涌水量预测信 息,与井下PLC控制系统结合起来对泵组实行合理调度。

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图3-1矿井水文监控系统整体结构图

系统同时具备涌水突发预警功能,在检测到有涌水突发征兆或水仓水位增长 速度超过限定值时,按等级发出对应的声光报警,通知工作人员及时采取预防和 补救措施,保证矿井生产安全。

3.2系统硬件设计
系统硬件设计主要包括井下离心式排水泵及配套电机的选型、可编程控制器 的选型及各模块的硬件组态和信号检测系统的设计。其中,信号检测系统的设计 包括传感器的选型和信号检测的隔离保护设计。 3.2.1水泵及配套电机选型 据统计资料,矿井的正常涌水量为400m3/h,最大涌水量为750m3/h,井 深(排水垂高)196m。根据矿井排水系统用水泵的选择原则和规定【591,可知

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正常涌水期, 水泵必须具备的排水能力 Qvl≥1.2qz=1.2×400=480(m3/h) 最大涌水期, 水泵必须具备的排水能力 Ql一≥1.2q。一=1.2×750=900(m3/h) (3-2) (3—1)

式中:g,——正常涌水量,m3/h; gv一——最大涌水量,rn3/h; Qv,——工作水泵必须具备的排水能力,m3/h; Qv。一——工作与备用水泵必须具备的排水总能力,m3/h。
水泵必须产生的扬程日(m)按下式估算

HI=尼(%+5.5)=1.1×(196+5.5)=221.65(m) 式中:吼——井筒深度(排水垂高),m;
七——扬程损失系数:竖井,k=1.1;斜井,k=1.2~1.35。

(3—3)

综合考虑水泵的排水能力和扬程需求,本文选用250D一60x4型离心式水 泵,其主要性能参数为流量Q=250m3/h,扬程240m,单级扬程/t,=60,转速
1480r/min。

水泵级数

江旦:—221—.65:3.69 Z=——=——=j.
月f
60

Ij (3-4-)1

故选级数i=4。 比较Q。、Qv。一和Q,在正常涌水期需要水泵台数 Q
250

%:堡:塑:1.92≈2
Qvlmax

(3—5)

在最大涌水期需要水泵台数
3?≈ 6 ) 4 碍-I-T/: ) 2 啊一2

:型:3.≈ Q。。丽2

3(3-6

即工作水泵台数na=2,备用水泵台数n,=2。除此之外,再加一台检修水 泵n3=1,共计5台。 每台水泵配套一台启动电机,电机的型号为YAKK4504—4,主要性能参数为 额定电压6kV,功率500kW,同步转速1500r/min,外壳防护等级IP54,冷却方 式IC611,安装方式IMB3。 3.2.2可编程控制器选型及配置 矿井水文监控系统所需采集和控制的模拟量和数字量繁多,并且需要通过工 业以太环网实现与地面监控中心的通讯,而西门子S7.300系列PLC的各种模块 之间可以灵活地组合和扩展。考虑到以上诸多因素,本文选用西门子S7.300系

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列PLC作为系统井下部分的控制核心,与信号检测和处理电路、输出控制电路 一起完成模拟量、开关量信号的采集以及水泵闸阀等电动设备的控制。由于井下 工作环境恶劣,采用隔爆兼本安型壳体作为PLC的机械部分,从而有效提高系 统防护等级。 1、系统输入/输出点数统计 根据系统方案,统计出PLC所需信号模块和通信模块的输入输出点数。模 拟量输入、开关量输入、模拟量输出、开关量输出和通讯口的各个参数以及它们 对应的点数统计如表3.1所示。

表3-1系统输入腧出点数统计表

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2、PLC选型及硬件配置 S7.300系列PLC按照模块化设计,各种模块可以根据用户需求进行灵活的

组合和扩展,主要由机架、导轨、中央处理器模块(CPU)、电源模块(PS)、信号
模块(SM)、功能模块(FM)、通信处理器(CP)和接口模块(IM)等部分组成。各模块 通过背板总线方式进行物理和电气连接,具有高度的可扩展性,维修和更换都十 分方便;各模块都具有完善的诊断功能和全面的自我保护功能,保证了系统具有 极高的可靠性。 根据上面统计确定的输入、输出参数及数目确定选用模拟量输入输出模块、 开关量输入输出模块和通信模块的数量,系统所用到的PLC模块如表3—2所示。
表3-2PLC模块配置表

根据选择模块的类型和数量,图3.2给出了PLC硬件配置及外围设备连接。 各模块说明如下: 1、电源模块(PS307 5A) 电源模块共计2个,将矿井井下系统输入电压(127VAC)转换为24V操作电 压,给S7.300的各模块和负载电路提供电源,自带断路、短路保护。 2、CPU模块 CPU模块用于执行用户程序,同时为PLC背板总线提供5V电压,并通过 MPI接口,实现PLC和触摸屏之间的数据通信。 3、接口模块 接口模块用于连接中央机架和子机架,保证子机架各模块电源供应。 4、模拟量输入模块(SM331AI 8×12位)

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模拟量输入模块共计4个,4通道8点输入,提供32路模拟量信号输入通 道,将前端测量元件过来的模拟信号数字化。
5、模拟量输出模块(SM332AO 8×12位) 模拟量输出模块提供8路模拟量信号输出通道,用于输出电动闸阀开度控制 信号。 6、数字量输入模块(SM32 1 DI 32×DC24V) 数字量输入模块由24V直流供电,提供32路开关量信号输入通道,采集前 端开关量信号。 7、数字量输出模块(SM322DO 32×DC24V) 数字量输出模块由24V直流供电,提供32路开关量信号输出通道,输出开 关量控制信号和报警信号。 8、高速计数模块(FM350.2) 高速计数模块提供8路脉冲信号输入通道,用于采集水泵电机转速信号。

9、CP模块(以太网接口模块)
以太网接口模块通过以太网交换机接入工业以太环网,与地面监控中心进行 信息互换。

图3-2 PLC硬件配置及外围连接图

3.2.3信号检测系统设计 从表3-1、表3.2统计结果可知,系统需采集大量的模拟量和开关量信息。 系统的信号检测部分由各类传感器、变送器组成,经过适当的信号转换或电气隔

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离送入PLC模拟量、数字量输入模块。 1、传感器选型 信号检测系统检测结果的准确与否直接影响着PLC的执行效果,所以需针 对系统各参数检测的具体要求和应用条件,合理地进行传感器选型,以满足系统 性能指标。 (1)水仓水位检测 水仓水位检测是整个监控系统的检测核心,是系统进行水位自动监控和用电 避峰就谷的直接依据。考虑到矿井涌水的随机性,检测系统需实时连续监测水位 情况,输送水位高度和上升速度等信息给PLC进行处理,同时输出至上位机, 结合系统内部程序所建立的数学模型准确、合理地对水泵运行进行调度,并能够 进行动态显示,便于管理人员直观地了解水位情况。 为保证水位检测的准确性和可靠性,系统采用超声波液位计和投入式水位传 感器互为冗余的方式配置传感器,同时配备本安数字式水位开关作为备用,数字 式水位开关是防止水位过高的保护型设备。超声波液位计选用UTG21.B.EX本 安防爆超声波物位计,投入式水位传感器选用KGU7型矿用水位传感器,本安 数字式水位开关结构简单,浮球开关可以进行水位多段检测,本系统中3组浮球 开关均接为两段式,其导通情况(上浮或下降)分别对应低限水位、低水位、高水 位和高限水位,检测结果通过数字量输入模块输入PLC,主要进行水仓水位过高 的信号输出。 (2)流量检测 水泵出口的流量是判断水泵和配套电机运行状态的重要参数之一。综合考虑 井下现场安装条件和经济性,本系统选用LCZ.803型超声波流量计,直接安装 在水泵出口的总排水管路外壁上,安装维护方便,与传统接触式仪表相比,更显 示出它的优势。 (3)压力检测 水泵进水口和出水口的压力变化信号由安装在管路上的压力传感器检测获 得,为电动闸阀的开关和水泵的启停提供条件。本系统选用GYD60.Y2矿用本 安型压力传感器,对管路中的水压进行实时连续监测,并显示被测点的表压值。 (4)真空度检测 根据离心式水泵的工作原理,真空度必须达到设定值才能启动水泵。在启动 过程中,必须适时、准确地检测真空度。本系统选用KGY8.1型压力(负压)传感 器,对管道中的气体差压进行连续测量,并动态显示被测点的差压值。 (5)温度检测 在运行过程中,电动机的轴承温度直接关系着其运行性能。表贴式温度传感

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器是利用PTl00铂热电阻阻值与温度变化呈一定关系的原理制成的,实现外界 温度的测量,性能稳定,测量精度高,被广泛应用于工业测温。针对矿井井下应 用环境,选用DP.GWP.M型矿用表贴式温度传感器,对水泵机组设备的温度进 行连续监测。 (6)电机转速检测 霍尔转速传感器根据霍尔效应原理工作,当转动的金属部件通过霍尔传感器 的磁场时会引起电势的变化,通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速 值。本系统选用HAL-12霍尔转速传感器,实时测量电机转速。 (7)电量监测 系统电量参数监测在矿井水文监控系统中也起着重要作用,本系统选用 PDl94PQ.2S4T多功能电力仪表对电流、电压、功率因数、频率等参数进行实时 监测。 根据以上选择,系统主要传感器选型如表3.3所示。
表3.3系统主要传感器选型表

2、信号检测系统隔离保护设计 把矿井水文监控系统中使用的传感器及其信号处理部分统一归为信号检测 系统,该系统总体结构如图3.3所示。 其中,传感器输出的各种模拟量检测信号(电阻、电流)通过隔离式安全栅转 换为标准二线制4~20mA电流信号输入PLC模拟量输入模块。 隔离式安全栅接在本质安全电路和非本质安全电路之间,将供给本质安全电 路的电压或电流限制在一定安全范围内,一般由信号处理和保护电路、可靠隔离 单元以及一个具有限压、限流功能的限能单元组成。隔离单元采用电磁隔离技术, 用变压器耦合实现输入信号和输出信号之间的信号隔离,由于信号完全浮空,提 高了控制系统的可靠性和信号的抗干扰能力。其工作原理如图3.4所示。

24

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4撑负压传感器 3撑负压传感器 2撑负压传感器 l撑负压传感器 水泵真空度

第三章矿井水文监控系统方案设计
4存压力传感器

3存超声波流量计I l l I投入式水位传感器I I
超声波液位计 水仓水位

I I l

3撑压力传感器 2撑压力传感器 1挣压力传感器

l 2撑超声波流量计I 1撑超声波流量计l



/\

/L排水管路流量/\水泵出口压力

隔离式安全

信号检测系统

隔离式安全桠n
水泵温度 1撑温度传感器 2群温度传感器 3撑温度传感器 4撑温度传感器

l信号分配器]
闸阀开度 1拌电动闸阀 2撑电动闸阀 3撑电动闸阀 4撑电动闸阀

l光耦隔离板
、厂
水仓水位

、、厂电机轴承温度、、厂 I l I I l
5#温度传感器 6撑温度传感器 7撑温度传感器 8抖温度传感器

I I I l l

l I数字式水位开关

图3-3信号检测系统结构图

由于现场信号采用二线制方式,隔离式安全栅需带配电功能。安全侧电源经 逆变变成交流方波,通过隔离变压器隔离,整流滤波得直流电源,通过限能单元 给二线制传感器供电,实现了电源的隔离和限能作用。限能单元可实现过电压、 过电流的快速切断,当安全侧加入的电压或电流超过熔断器的额定值时,熔断器 快速熔断,切断电路,防止危险电压或电流窜入危险侧。
安全侧 ▲4,一20mA

危 险 侧

图34隔离式安全栅工作原理图

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第三章矿井水文监控系统方案设计

系统信号检测传感器模拟量输出信号主要分为二线制电流信号输出和电阻 信号输出两种,根据需要选用两种不同型号的安全栅:SB3041一Ex(4~20mh)电流 输入型隔离式安全栅和SWP8083.Ex热电阻输入隔离式安全栅。

前者给危险侧的二线制传感器提供隔离直流电源,传感器产生4-..20mA信号
通过隔离单元从危险侧传输到安全侧输出,后者将危险侧热电阻信号转换成 4-一20mA信号,从危险侧传送到安全侧。两者均采用本安电源供电,输入信号、 输出信号、电源三端隔离。 开关量传感信号通过光耦隔离板的隔离保护供给PLC数字量输入模块的输 入。光耦隔离板采用光电隔离技术,实现了输入信号和输出信号的电气隔离,提 高了信号的抗干扰性能。但是,普通光耦隔离器传输数字量时,其响应速度影响 着系统的最大数据传输速率。本系统中,在光耦隔离板光敏三极管的光敏基极上 增加正反馈电路,可以大大提高光电耦合器的开关速度。其工作原理图如图3.5 所示。
R'

图3-5光耦隔离板工作原理图 3.3

PLC控制系统软件设计
系统控制程序的编程设计采用西门子公司提供的S7.300系列PLC专用软件

开发环境SIEMENS SIMATIC STEP7.V5.3,它可以运行于PC机的WINDOWS 操作系统之下,为用户提供了友好的界面和程序接口,可方便地进行在线或离线 编程。 本节根据系统控制需求以及相应的PLC硬件配置,运用模块化设计方法, 完成了矿井水文监控系统的软件程序设计。主要包括主程序设计、单台水泵的启 动、停止程序设计、水位监控和用电避峰就谷程序设计、水泵自动轮换工作程序 设计和系统运行状态监测程序设计等,各模块具有较好的独立性,模块之间组织 关系合理,增强了程序可读性,为程序的调试和修改提供了便利。

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第三章矿井水文监控系统方案设计

3.3.1主程序设计 系统PLC控制程序主要分为OBl主循环程序和OB36定时循环中断程序。 在程序编写过程中,将系统的控制功能和保护功能等分别编写为FC或FB程序 模块,在主程序中调用,程序结构清晰、调试方便。 PLC采用循环方式执行用户程序,这种运行方式也称为扫描工作方式。OBl 是用于循环处理的组织块,相当于用户程序中的主程序,它可以调用别的逻辑块, 或被组织块中断程序中断。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时,CPU 执行起动操作,清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器,清除中断堆栈 和块堆栈的内容,复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次OBl00,完成初 始化操作。以后将进入周期性的循环运行。本系统OBl包含了数据处理、状态 判断、故障报警处理等几个功能模块。主循环的程序流程如图3-6(a)所示。 由于系统水位自动监控子程序需要调用功能块FB41,将其放在OB36中实 现。定时中断程序流程如图3-6(b)所示。

保护现场


开中断


l水位自动监控程序 ◆
恢复现场


中断返回

(a)主循环流程

(b)定时中断流程

图3-6程序流程图

3.3.2单台水泵自动控制程序设计 1、单台水泵启动程序设计 在系统程序设计中,5台水泵的运行相互独立,以1jfj}水泵为例进行单台水泵
27

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第三章矿井水文监控系统方案设计

启动程序设计,程序流程图如图3.7所示。

图3.7单台水泵启动程序流程图

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第三章矿井水文监控系统方案设计

单台水泵的启动程序以系统检测到的水位信息及设备状态信息为基础,若设 备无故障且检测到水仓水位或水位上升速度超过了允许值,按系统需要启动水泵 台数和轮换工作制需启动1撑泵时,执行1撑泵启动程序。 PLC向1撑泵发出指令启动射流泵对水泵进行抽真空,经过设定的延迟时间 检测真空度,若真空度达到设定值,则启动开泵子程序,打开l撑水泵电机,经 过设定的延时后,检测水泵出水口压力值,若检测到的压力值等于或大于设定的 压力值,则进行排水管路排故障和选择,打开出水口电动闸阀,系统正常排水。 其余每台水泵的启动过程都与1捍泵相同,对应的控制程序也是一样的。 2、单台水泵停止程序设计 当水泵运行一段时间后,水仓水位逐渐下降,当水位达到可以关闭水泵的水 平时,通过程序输出控制水泵电动闸阀断电,闸阀逐渐关闭,水泵出水口压力逐 渐上升,直到上升至电动闸阀开闸前的压力值,此时,断开水泵电机开关,水泵 停止工作。另外,如果水泵在运行过程中发生故障,也转入水泵停止程序。1撑 水泵停止程序流程图如图3.8所示。

图3-8单台水泵停止程序流程图

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3.3.3水位自动监控和用电避峰就谷程序设计

图3-9水位自动监控和用电避峰就谷控制流程图

30

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第三章矿井水文监控系统方案设计

系统以水仓水位的水位值以及其上升速度作为判断是否启动水泵的主要因 素,同时考虑节能减耗原则,进行用电“避峰就谷”的逻辑控制,在供电系统的 峰段、谷段分别设置不同的启泵排水水位和警戒水位,实现以水位自动监控为主, 用电避峰就谷为辅的控制逻辑。其程序流程图如图3-9所示。 在程序设计中,水仓水位由低到高取6个水位点(水位点1 ̄6),分成7个区 段(区段心如),如图3-10所示。
G F ………一 ………。 D…………一 ………… ~℃……一 ………一 B E……… ………一

………

…………

…………一…………’A……一::::::::…~

图3—10水仓水位点设置示意图

其中,每个水位点的含义如下: 水位点1:低水位点,安全停泵水位,无论系统投入多少水泵进行排水,都 应使水位下降至水位点1方可停泵,即每次停止排水后系统水位必须在水位点1
以下。

水位点2:谷段高水位点,当系统处于供电谷段时,检测到水位到达该水位 点即投入2台工作水泵,若处于供电峰段,暂不启动水泵。 水位点3:供电处于非峰段但即将进入峰段(可根据系统设置,以2小时为限) 时,检测到水位到达该水位点,投入2台工作水泵。 水位点4:峰段高水位点,系统处于供电峰段时,检测到水位到达该水位点 并且判断水位上升速度情况,投入2台工作水泵。此水位点亦作为供电谷段投入 备用水泵的判断标准。 水位点5:系统警戒水位,若系统处于供电峰段,在该水位点判断水位是否 在上升,相继投入备用水泵和无故障检修泵,如果投入所有水泵后水位依然上升, 则启动上位机光闪烁报警;若系统处于供电谷段,此水位点直接作为启动上位机 光闪烁报警的依据。 水位点6:系统极限水位,无论系统处于供电峰段还是谷段,启动警铃报警, 提醒工作人员进行水灾警情处理,对井下人员进行疏散撤离,防止发生重大事故。 各区段的设置主要用于判断区段水位平均上升速度,系统记录下水位到达某 个水位点时,从上一个到达的水位点到该水位点所有的时间,即得到每上升一个 区段的时间,用该区段的高度除以时间,得到该区段的水位平均上升速度,通过 水位平均上升速度辅助控制水泵启动,这也可以大致反映出矿井涌水量的变化。

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第三章矿井水文监控系统方案设计

3.3.4水泵和排水管路自动轮换工作程序设计 系统设计5台排水泵和3趟排水管路自动轮换工作方式,程序按照一定的循 环顺序自动投切排水泵和排水管路,使各水泵尽量均匀使用,防止水泵长时间使 用因发热等原因而缩短使用寿命,防止水泵和排水管路因长期不使用而受潮或发 生其他故障。在水泵和排水管路自动轮换工作过程中,若检测到某台泵或某趟排 水管路发生故障,系统发出故障报警,记录事故,故障设备自动退出轮换进行维 修处理,其余设备继续按原有顺序进行轮换。水泵和排水管路的自动轮换工作保

证了设备有故障早发现早处理,保障了矿井的水文安全。
1、水泵自动轮换工作 在水泵自动轮换工作程序设计中,将5台水泵依次编号为1撑、2群、3撑、4撑、 5撑,每台水泵分配两个数据寄存器,分别用于存放运行时间和运行次数。同时分 配数据单元用于存储水泵启动先后顺序、最少运行时间、最少运行次数、无故障 泵的数目和启动泵的数目,每台水泵的启动开关和故障标志分配一个PLC内部 位寄存器。水泵自动轮换工作时的PLC内部分配如表3.4所示。
表34排水泵自动轮换工作PLC内部元件分配表

每一次需要启动水泵时,自动启动非工作水泵中无故障且运行时间最少的水 泵,当存在两台运行时间最少(运行时间相近)水泵时,则选择其中运行次数较少 的一台。每一次排水结束后,自动累加刚停止水泵的运行时间,运行次数自动加 l。运行过程中,当某一台水泵发生故障时,自动停止并退出轮换工作,同时按 轮换工作制启动下一台水泵,水泵运行的相关参数保存在数据块DB9中。轮换 工作制度下水泵的启停程序流程图如图3.11所示。 将5台水泵的运行时间依次保存在DB9.DBD0、DB9.DBD4、DB9.DBD8、 DB9.DBDl2、DB9.DBDl6中,当某台水泵开始运行时,它对应的累加器就开始

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第三章矿井水文监控系统方案设计

累加运行时间,直到停泵时停止计算,并把当前数值累加到相应的运行时间寄存 器中。DB9.DBW20、DB9.DBW22、DB9.DBW24、DB9.DBW26、DB9.DBW28 保存对应水泵的运行次数,某台水泵的运行时间进行累加后,相应的运行次数寄 存器加1,工作寄存器清零。运行时间通过内部时钟存储器设置产生标准时钟信 号,通过RLO上升沿检测指令和整数加法指令获得,其记录起点和终点由PLC 内部寄存器M2.0、M2.1、M2.2、M2.3、M2.4实现,它们分别作为5台水泵的 启动开关,当某台水泵对应的寄存器接通时,累加器开始计时,断开时,累加器 停止计时。启动泵的数目保存在DB9.DBB42中。

图3.11轮换工作水泵的启停流程图

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第三章矿井水文监控系统方案设计

当排水结束所有启动的泵停止运行时,依次比较5台水泵的运行时间和运行 次数,按照无故障泵运行时间从少到多的顺序,将水泵的编号依次存放在 DB9.DBB30 ̄DBB34中,如果其中两台水泵运行时间相同,则把运行次数较少的 水泵编号放在前面,故障泵的编号依次从DBB34往前存放,并把其中最小的运 行时间、最少运行次数分别保存在DB9.DBD35和DB9.DBW39中,为了防止数 据寄存器数据溢出,分别用5台水泵的运行时间寄存器减去DB9.DBD35,运行 次数寄存器减去DB9.DBW39。5台水泵分别对应一个故障标志位寄存器M3.0、 M3.1、M3.2、M3.3、M3.4,当某台水泵发生故障时,对应的位寄存器接通。 DB9.DBB41存放无故障泵数目,每当有一台水泵发生故障,DBB41减1。 2、排水管路自动轮换工作 排水管路的自动轮换工作和水泵的自动轮换工作原理相同,3条排水管路依 次编号为1撑、2群、3撑,排水管路自动轮换工作时的PLC内部分配如表3.5所示。
表3-5排水管路自动轮换工作PLC内部元件分配表 水泵编号 运行时间 运行次数 启动开关位寄存器 故障标志位寄存器 启动先后排序 最少运行时间 最少运行次数 无故障管路数目
1撑 DB9.DBD43 2撑 DB9.DBD47 3撑 DB9.DBD5 l

DB9.DBW55
M2.5 M3.5

DB9.DBW57
M2.6 M3.6

DB9.DBW59
M2.7 M3.7

DB9.DBB6l—DBB63

DB9.DBD64

DB9.DBW68
DB9.DBB70 DB9.DBB7 1

启动管路数目 3.3.5运行状态监测和保护程序设计

本系统具有设备运行状态监测和保护功能,主要包括水泵轴承超温保护、电 机超温保护、过压、过流、漏电保护、水泵漏水保护、闸阀故障保护等。水泵运 行状态监测和停泵保护程序流程图如图3.12所示。 在程序设计中,PLC采集水泵运行过程中各传感器和电量监测模块的参数变 化,经过相应的隔离和抗干扰处理后和PLC内部设定的对应物理量的正常值进 行实时比较,如果某一参数不在设定范围,则表示该泵发生故障,必须停止该泵 的运行,并发出报警信号,防止因故障泵继续运行而引发安全事故。 另外,系统还设置了逻辑错误保护功能。在系统各设备正常运行时,PLC的 输入信号、输出信号和中间寄存器之间存在着一定的逻辑关系,而设备出现故障 时,这些逻辑关系就会出现异常。在程序设计中,加入系统常见故障的异常逻辑

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第三章矿井水文监控系统方案设计

关系程序,一旦异常逻辑关系在系统运行过程中被执行,就说明相应的设备发生 故障,即可根据故障危害程度执行报警、停机等保护措施。 在上位机LabVlEW监控界面中,专门设置故障保护界面。当系统某设备发 生故障时,故障画面自动弹出,提示工作人员进行相关处理。在故障画面每一个 故障单元对应一种故障类型,当某设备发生故障时,对应的单元进行光闪烁报警。
开始

采集各运行状态信息

水泵轴温 在设定范围?
。。。。。。。。。。。r。。。。‘。。一

L—、磊


皇Y
水泵转速 在设定范围?
。。。。。。。。。。。r。。。。。。。一

◆Y
出水口压力 在设定范围? 出水口压力异常

—————]广——一 ◆Y
出水口流量 在设定范围?

全-r;j:赢赢


—————]———一 ◆Y
出水口温度 在设定范围?
_________________________________________——

出水口温度高

◆Y
闸阀开度 在设定范围?


闸阀开度异常

——h_
停泵,该泵故障

子程序返回

(笙塞)
图3.12水泵运行状态监测和停泵保护程序流程图

3.4小结
本章首先在提出矿井水文监控系统的控制需求的基础上,选择系统总体控制 方案,介绍了系统的整体结构。

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第三章矿井水文监控系统方案设计

然后,针对某矿涌水实际情况,进行水泵和排水管路的设计,重点介绍了水 泵及配套电机的选型;针对系统控制需求,叙述了PLC选型及其硬件配置、信 号检测系统传感器的选型和信号隔离保护电路的设计。 最后,运用模块化编程的思想对系统软件设计进行了详细地说明。首先进行 了主程序设计,然后分别介绍了针对离心式水泵启动和停止过程的复杂性设计的 单台水泵启停控制程序;通过设置水仓水位点,实现水位变化的自动监控和配合 用电避峰就谷的程序设计;通过设定启动的先后顺序,实现水泵和排水管路的自 动轮换工作程序设计;最后阐述了运行状态监测和保护功能的程序设计。

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第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究

第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究
矿井涌水的成因机制相对复杂,影响涌水量的因素众多,且相互之间又具有 高度的非线性。传统的矿井排水系统以水仓水位为控制对象,对矿井涌水缺乏预 测,遇到突发涌水时应急能力不足。本章针对矿井涌水量影响因素之间的非线性 关系,建立以BP神经网络为基础的矿井涌水量预测模型,并通过仿真验证其有 效性和可行性。
4.1

BP神经网络原理
BP神经网络是一种典型的多层前馈(multilayer feed.forward)神经网络,其网

络拓扑结构由输入层、隐层(单个或多个)和输出层组成,层与层之间的连接方式 为全互联,同一层内的节点互不相连,在合理设置隐层层数和神经元节点的情况

下,可以以任意精度逼近任意连续函刻601,主要应用于模式分类、聚类分析、函
数逼近和非线性预测等方面。
4.1.1

BP神经网络结构 BP神经网络拓扑结构包含一个输入层、若干个隐层和一个输出层,具有m

个输入、一个隐层、n个输出的BP神经网络模型㈣如图4-1所示。
输入层 隐含层 输出层

图4-1单隐层的BP神经网络模型

BP神经网络中的神经元是多输入单输出的信息处理单元,上一层神经元的 输出向量表示为P=[p。,P2It???11PR]T,权值向量∞=【q,哆,…,%】表示上一层神经 元与该神经元的连接强度,其值可正可负,臼为该神经元的阈值,激活函数厂表 示神经元的输入输出关系,则神经元的输出表示为: 上

口=厂(∑哆B一0)
i=l

(4-1)

神经网络解决实际问题的能力受其采用的激活函数的影响,BP神经网络对
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第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究

激活函数的要求为处处可微,通常各隐层神经元使用S(sigmoid)型函数,输出层 根据应用的需求不同选择S型函数或线性函数(purlin)。 图中BP神经网络的输入矢量为x=[Xo,玉,…,吒一。】T,x∈R”,设隐层有q个
h Rq 神经元,输出为h=[ho,JIlI,…,h一。】T, o为量向出输,为数 元∈ 经神层 出输,


Y=[Yo,M,…,以一。】T,Y∈R“。输入层到隐层的权值为%,阈值为g,隐层到输
出层的权值缈0,阈值为Z,网络中各神经元的输出可表示为:

hs=厂(∑%五一嘭),j=o,l,.1一,g一1 =

(4.2)

YI:f(∑oJ;khj-ok),后=0,1,…,,z一1
BP神经网络的信号从输入层流向输出层,实现了从给定的m维空间到输出 的n维空间的映射。
4.1.2

BP学习算法及执行步骤

BP神经网络由标准的BP算法或基于标准BP算法的改进算法进行训练,实 现网络各连接权值和阈值的学习和修正。BP网络的学习过程分为以下两个阶段: 1、信号的正向传播 已知学习样本从输入层输入,经过设置的网络结构,运用前一次迭代的权值 和阈值向后计算,直至计算出输出层的输出。BP学习算法的学习方式属于有教

师学习,在此阶段的最后,判断输出层的实际输出与教师信号(期望的输出)是否
相符,若不符,则转入反向传播阶段。 2、误差的反向传播 在此阶段误差信号沿网络结构逐层往回传递,从输出层向前计算各权值和阈 值对网络总误差的影响梯度,据此对各权值和阈值进行修改。 以上两个过程反复迭代,直到误差达到期望范围为止。 在图4.1所示的BP神经网络中,各层的变量定义如下: 输h r甸量x=[xo,五,…,‰一。]T、隐层输出向量h=[%,7ll,…,吃一.]T、输出层输出 向量Y=[Yo,Yi,…,只一。]T,输入层到隐层的权值为%,阈值为目,,隐层到输出层

的权值国欠,阈值为联。期望输出向量t=[to,fl,…,乙一。】T,设有z个样本数据,其
个数表示为P=1,2,…,,。 则标准的BP学习算法的执行步骤为: (1)网络初始化。给各连接权值赋初值(位于区间(.1,1)内的随机数),设定误

差函数P=去∑(喀(p)一儿(p))2,给定计算精度值占和最大学习次数M。
二k=0

(2)依次输入,个样本数据,设当前随机选取第P个输入样本

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第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究

x(p):[而(p),‘(p),…,%一。(p)】T,对应期望输出t(p)=【气(p),fl(p),…,乙一。(p)】T。
(3)依次计算隐层输入,l‘(p)、输出ho,(p)和输出层输入几(p)、输出
yot(p)。

办‘(p)--Z%誓(p)一g,
i=0

j=o'l,.1一,q-1

(4-3) (4-4)
(4-5) (4-6)

ho:(p)=f(hij(p)),
d—I

/=0,1,…,q一1
k=o,l,.1”,,l一1 k=0,1,…,,l一1

Yik(P)--Z啄t
,=0

0,(p)一g,

yo±(p)=厂(y‘(p)),

(4)利用网络实际输出和期望输出,计算误差函数对输出层各神经元的偏导

数瓯(p)。

一=:一一 a哌Oy‘a哝
q-I

ae

ae砂‘

a(∑co;.kho:(P)一曜)
—i—)y——i—k——(—P——)—:

a哌

a吐k

=hoj(p)

旦:兰薹n-1 1竺!二坐望

弧-_(抛)一=训啪) =一(气(p)一yD。(p))y《(p)
=一(tk(p)-yo。(p))厂’(Yik(P))
全一瓯(p)


、。V

(5)利用隐层到输出层的权值、输出层各神经元的偏导数嚷(p)和隐层的输

出,计算误差函数对隐层各神经元的偏导数t(p)。

一=一一=一U,IⅣ,,‘U.IⅣ, 熹:旦磐:一瓯( O a缈簇 p)^。如)yi,a哌
一~r‘


a∞4

Oe锄‘(p)
Ohio(p)a∞4

.————————一==

Ohi:(p)

a(∑嘞薯(p)一哆)
=五(p)
ad洚

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一孤 沈一“ —p

ll —

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州∑丝

畋一a

a(吉∑(畋(p)一厂(yt(p)))2)锄。,(p)
厶k=l

一. . . . 二!. : 二
锄巳(p) Ohio(p)

竺咖些,

p一”一0一

型毗 ∽一∽

(4—8)

39

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第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究

a(圭∑k=l(蛐H(善畋慨(p)一《))2)锄吼p)
‘ ,=O

…’,、,7

=一芝(畋p)一煅(p)厂’(以p)哝丽ahoj(p)k=l
全一万,(p)

ahos(p)

ahfj(p)

v¨oi\P}

=一(∑瓯(p琢)厂’(^‘(p))
(6)利用输出层各神经元的偏导数瓯(p)和隐层各神经元的输出,修正权值 国:七(p)。

△哝(p)一刁嚣=蝴p)咻p)
国盖H1=国名‘+,_18k(p)ho:(p)
经元的输入,修正权值%o)。

(4.9) (4-lO)

其中,t为迭代次数。然后,利用隐层各神经元的偏导数万,(p)和输入层各神

△%(p)叫鲁叫丽Oe百Ohij(p)=帅)抛)
%件1=%‘+rlS:(P)xg(P) (7)计算全局误差

(4.11) (4-12)

E=石己t∑n--a(畋(p)一儿(p))2

(4—13)

判断误差是否满足要求,若误差达到预设精度s或学习次数达到设定的最大 次数M,则结束学习。否则,选取下一个学习样本及对应的期望输出,返回第 (3)步,进入新一轮学习。

4.2矿井涌水量预测模型设计
4.2.1输入参数选取 BP神经网络输入参数的选取决定着其结构和输出,对涌水量预测模型建模 是否成功有着至为重要的影响。为此,根据2.2节对矿井涌水量影响因素的分析, 选取对涌水量影响较大较直接的水文地质条件、地质构造特征、降水量和开采面 积作为模型的输入参数。 其中,降水量和开采面积可直接采用某矿的生产统计数据,水文地质条件和 地质构造特征根据矿井地理位置和随着生产的进行所揭露的构造裂隙数量、规模 范围和入渗性能等,按程度分别量化为0.2、0.4、0.6、O.8、1.0。

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第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究

4.2.2隐层数及隐层节点数设计 BP神经网络可以包含一个或多个隐层,在确定神经网络结构时,需要确定 隐层的层数及各隐层的节点数。BP神经网络的隐层数目和各隐层节点数的选取 主要受其所处理问题的复杂程度影响。隐层数和隐层节点数过少,会导致网络划 分空间粗糙,网络的知识表达和联想记忆能力不足;在网络训练过程中表现为极 易陷入局部最优,预测误差增大,网络对输入输出关系的拟合能力不足。相反, 隐层数和隐层节点数越多,网络划分空间越细致,其知识表达和联想记忆能力提 高,非线性程度越高。但也应避免过多的隐层数和隐层节点数将输入输出样本中 的误差作为输入输出关系中非线性因素引入,导致网络泛化能力因预测误差的增 大而下降,输入输出关系出现过拟合现象。 从理论上说,若不限制隐层节点数,单隐层的BP神经网络即可实现从输入 到输出的任意非线性映射。当模式样本数较少时,两层(单隐层)网络和较少的隐 层节点即可实现模式样本空间的超平面划分;在模式样本较多的情况下,需要增 加隐层,减小网络规模,但通常隐层数目不会超过两个。根据涌水量预测模型实 际需求,选用单隐层的BP神经网络。 隐层神经元个数的确定是一个复杂的问题,隐层节点数过多会导致学习时间 过长,过少的节点数又会导致网络的容错性差,识别未经学习的样本的能力低。 至今为止,隐层节点数的设计尚未找到一个很好的解析式,往往根据设计经验和 设计过程的试验来确定。在进行隐层节点数设计时,需要综合考虑求解问题的要 求、输入输出单元数的多少等各方面因素,根据经验,可参考Kolmogorvo定理 【621进行设计

n^=41,1f+%+口
‰≥no

(4-14)

(4—15)

或 ni=l092(nh) (4-16)

式中:心——隐层神经元个数; /'1i——输入层神经元个数; K——输出层神经元个数; a——l~10之间的常数。
根据公式4.14、4.15和4.16,隐层神经元个数应在4 ̄12之间选取。 4.2.3训练样本的确定 训练样本的选择直接影响着BP神经网络性能的好坏,在设计训练样本时, 既要注意其规模,又要注意数据的质量。
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第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究

通常认为,训练样本数越大,网络的训练结果越能反映输入输出关系的内在 规律。实践表明,网络误差在一定范围内随着训练样本数的增加而降低,当样本 数增大到一定程度时,网络精度基本保持在确定的水平。同时,样本数据的收集 受到客观条件的限制,在实际应用中样本数并非越多越好。

对于BP神经网络,训练所需的样本数和输入输出之间非线性映射关系的复
杂程度有关,输入输出关系越复杂,样本中所含的噪声越大,为保证训练精度, 网络所需的样本数就越大,网络的规模也越大。训练样本数可按照“训练样本数 等于网络连接权总数的3~10倍”这个经验规则确定【631。 网络在训练过程中从样本中提取其蕴含的规律,因此样本的选取一定要全 面,且注意类别的均衡,尽量保证不同类别的样本数基本相等。按以上原则选取 的样本,能够保证网络在训练中见多识广,并且能够有效避免网络对出现次数不 同的类别印象深浅不一的情况。 根据上述原则,从某矿的生产数据报表选取样本数据,剔除异常的数据后, 选取120组数据作为训练样本,20组数据作为预测样本,部分样本数据如表4.1
所示。 表4.1涌水量预测模型的部分样本数据

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第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究

在网络的训练过程中,要注意样本的合理组织。如果同类型的样本输入太集 中,网络在训练中倾向于只建立与其匹配的映射关系,当集中输入另一个类别的 样本时,网络又转向建立新的映射关系,否定前面建立的训练权值结果。如果各 类样本这样轮流集中输入,网络训练会出现振荡,从而导致训练时间延长。因此, 需要将不同类别的样本交叉输入,或从训练样本集中随机选取输入样本。 4.2.4数据的归一化处理 BP神经网络涌水量预测模型根据输入数据经过数值计算实现涌水量预测, 输入数据是否准确有效关系到模型的性能,在应用样本数据对网络进行训练之 前,有必要对输入数据进行统一处理。在作为输入参数的各涌水量影响因素中, 不同的样本数据大小差别很大,在训练过程中容易由于数值差异而造成误差。因 此,采用数据的归一化处理公式对样本数据进行标准化处理,将输入数据转换到 区间【0,l】内,具体采用以下公式

置=二∑二堕 彳。一Xmin
y y


(4.17)
、 。

式中:豆——归一化处理以后的数据; Z——原始的输入数据;

L。——原始输入数据中的最大值; L。——原始输入数据中的最小值。
4.2.5涌水量预测模型结构 在选取了矿井涌水量输入参数、隐层数和隐层节点数的基础上,设计矿井涌 水量预测模型的结构,如图4.2所示。其中,xa、x2、x3、x4为4.2.1选取的4个 输入参数,X—l、x一2、x一3、x一4为四个变量经过归一化处理后的相应数据,则模型的预 测输出为Y=厂(五,x2,x3,_),与涌水量实际值Y’比较后得出误差,供算法的误差 反传。

图4-2涌水量预测模型结构框图
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4.3模型仿真及结果分析
4.3.1初始权值和学习率的选择 BP算法实质上是一种梯度下降的学习算法,容易陷入局部最小点。由于BP 神经网络误差曲面的局部最小点非常多,如果网络的初始权值不同,则每次训练 结果也不同。通常情况下,为保证各神经元输入值“较小,工作在激活函数斜率 变化最大的区域,初始权值需取较小的随机值,小的随机值亦可有效防止多次连 续学习后有些权值绝对值出现不合理无限增长。本文中初始权值取为(.1,1)区间 内的随机数。 学习算法的性能受学习率选择的影响十分严重。学习率过大,算法可能振荡 而不稳定;学习率过小,则收敛速度慢,训练时间长。一般情况下,选取较小的 学习率以保证误差值不跳过误差曲面的低谷,从而获得全局最小,保证系统的稳 定性,本文中学习率选取范围为0.01~1.0。 4.3.2传输函数和训练函数的选取 BP神经网络中的传输函数通常采用S(sigmoid)型函数

f(x)=专(4-18)
输出层根据实际情况可采用纯线性(purlin)i函数。我们选取tansig函数作为隐层的 传输函数,purlin函数作为输出层的传输函数。 在训练函数方面,标准的BP算法存在容易陷入局部最小和收敛速度慢等不 足,针对以上问题,出现了多种基于标准BP算法的改进算法。MATLAB7.5为 仿真研究提供了大量的训练函数,使用十分方便。但是,不同的学习算法各具特 点,在应用中应结合实际需要,选取合适的算法。

本系统中的BP神经网络模型输入参数个数为4,隐层神经元数目为和12,
输出参数为涌水量1个,根据网络连接权的总数,可知系统所用的神经网络规模 属于中小型神经网络的范畴。按照网络规模,综合考虑算法的收敛速度、计算量 和存储空间等因素,可以选取traingdx、trainbfg、trainlm作为本文BP神经网络 的训练函数,在此对这三个训练函数作简要的介绍。 (1)traingdx是自适应调整学习率并附加动量因子的梯度下降反向传播算法 的训练函数,其每一层权值和阈值的修正方法为

tIx(k+1)=私x(尼)+口(1一刁)掣
o|】|【峰J x(k+1)=x(尼)+Ax(k+1)

(4.19) (4-20)

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础州={黑瓮:紫嚣
式中:x(后)——第k次迭代各层之间的连接权向量或阈值向量; E(尼)——第k次迭代的网络输出的总误差性能函数;



票——输出误差对各权值或阈值的梯度向量;
口(后)——第k次迭代的学习率; 刁——动量因子(O<r/<1)。

该算法以前一次的修正结果来影响本次修正量,当前一次的修正量过大时, 式4.19中第二项的符号与前一次修正量的符号相反,从而减小本次的修正量, 减小振荡;反之则增大修正量,加速修正。当误差以减小的方式趋于目标时,说 明修正方向正确,可使步长增加,式4.21中学习率乘以增量因子毛。,使学习率 增加;当误差增加超过事先设定值时,减小学习率。 (2)trainbfg是采用BFGS(Broyden,Fletcher,Goldfarb,and Shanno)拟牛顿 法的训练函数,其基本方法为

x(七+1):x(尼)一It一1(后)黧(4-22)

该算法最初沿着梯度的负方向进行搜索,第k+1迭代中权值或阈值按照

一it-1(尼)笺婴来修改,其中H是近似Hessi趾矩阵。通常,算法通过较少的步长
就能达到收敛。但必须对H进行存储,在每次迭代过程中所需的计算量和存储空 间都很大,适用于规模较小的网络。 (3)trainlm是采用LM(Levenberg-Marquardt)算法的变梯度反向传播算法的训 练函数,其修正方法为
x(七+1)=x(后)一[J1J+∥I】-1J1e (4-23)

式中,J为Jacobian矩阵,包含了网络误差函数对权值和阈值的一阶导数,

其计算比Hessian矩阵的计算简单得多。LM算法与拟牛顿算法一样,在以近似
二阶训练速率进行修正时避免了Hessian矩阵的计算,Hessian矩阵近似计算为 It=JTJ,梯度按g=JTe计算。 当调整量∥=0时,式4.23即为牛顿法,而当∥值很大时,上式变为步长较 小的梯度下降法。在实际应用中,尽可能使其接近于牛顿法,保证逼近最小误差 的速度更快,精度更高。在每一步成功的迭代(误差性能减小)后,使∥减小;仅 在进行尝试性迭代后的误差性能增加的情况下,才使∥增加。运用该算法,能够 保证每一步迭代都朝误差性能减小的方向进行。对于中等规模的网络,其收敛速 度最快,精度较高,且对MATLAB实现也是相当有效的。

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4.3.3模型仿真 将采集到的140组样本数据经过归一化处理之后进行模型仿真,由于BP神 经网络的训练需要大量数据,将样本数据分成两组,前120组数据作为训练样本, 后20组数据作为预测样本。MATLAB7.5提供了神经网络工具箱,借助其提供的 多种学习算法及相关的工具箱函数,可直观、方便地进行神经网络的设计和分析。 考虑到工具箱只提供训练结果和训练误差性能曲线的输出,本文采用newff(.)函 数搭建BP神经网络,增加了设计的灵活性,仿真结果易读性高。newff(.)函数 的句法结构表达如式4.24所示。

net=newff(PR,[&是…&,】,{弼砭…珥。),曰卵,BLF,阡)
墨——第f层神经网络的神经元个数;

(4—24)

式中:艘——R×2的矩阵,矩阵值为神经网络R行输入中每行的最大、最小值;
硒——第f层神经网络的传递函数; 曰腰——神经网络的训练函数;
剧F——神经网络的学习函数;

即——误差性能函数。
根据本文设计的预测模型,Ⅳ1为2,即模型包含一个隐层和一个输出层,S

取值在2-12之间,迎为1,传输函数珥选取为tansig,硬选取为purelin,训
练函数BTF在traingdx、trainbfg、trainlm之间选取,BLF选用learngdm,它是 附加动量因子的梯度下降学习函数,PF选用均方误差函数mse。 BP神经网络搭建完成之后,进行训练参数的设置,其程序如下: net.trainParam.goal=0.001;%网络误差性能函数训练目标值 net.trainParam.epochs=3500;%最大学习次数
net.trainParam.show=1 0;%显示间隔

net.trainPamm.1r=-0.05;%学习率

然后调用train(.)函数利用训练样本对训练搭建好的神经网络,调用sim(.)函
数通过训练好的神经网络对预测样本进行预测仿真,并在Command窗口显示仿 真时间,具体程序如下: tic;%计时开始 net=train(net,P,t);%i)ll练神经网络
sim

toc;%计时结束 神经网络训练和预测仿真完成后,绘制网络训练样本数据的输出误差性能曲 线和预测样本数据的输出误差性能曲线,直观显示网络训练和预测效果,两者的 显示程序相似,此处以训练效果输出的程序为例说明,如图4—3所示。

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用不同的训练函数训练神经网络,对其预测性能将产生较大的影响,在程序中分 别采用4.3.2中初选的traingdx、trainbfg并fl trainlm训练函数进行仿真,对其训练 结果进行分析比较。表4.2、表4.3、表4.4给出了在不同训练函数下,隐层节点 数分别为4、6、8、10、12时,对神经网络进行仿真的训练和预测性能,性能参 数包括均方误差、拟合程度和仿真时间。
表4-2 traingdx函@-F ej BP神经网络模型仿真性能表

表4-3 trainbfg函@-F ej BP神经网络模型仿真性能表

表4_4 trainlm函数下的BP神经网络模型仿真性能表

从表4.2到表4—4可以看出,采用trainlm训练函数的BP神经网络训练速度 最快,仿真所用时间最短,训练结果和预测结果均较好。在trainlm训练函数下, 随着隐层节点数目的增加,网络的训练误差呈现逐渐减小的趋势,训练结果的拟 合程度逐渐增高,仿真时间也逐渐增加,这是由于隐层节点数增加而导致网络复 杂化,增加了仿真的运算量,但总体仿真时间依然较短。网络的预测结果在隐层 节点数为6时误差最小,拟合度最高。
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堡主堂垡笙壅 第四章BP神经网络矿井涌水量预测模型研究 —————————————————————————————————————二-——二: :::==::::::=::::::=:==:::

相比于trailllIll训练函数下的BP神经网络,砌nb龟训练函数下的BP神经
网络仿真时间变长,仿真误差有所减小。但是,当隐层节点数超过6时,出现了 预测结果的过拟合,在P]络i]ll练误差减小的情况下,预测结果出现了较大误差。 这是由于网络过分追求训练集内误差最小,使得网络在训练过程中学习了过多的 特殊样本,记住了某些噪声,从而影响预测结果。

t:她dx训练函数下的BP神经网络仿真时间最长,远大于trainlm和trainbfg
函数下的仿真时间,且训练结果和预测结果在三种训练函数下性能最差。 基于以上分析,本文选取trainlm作为BP神经网络的训练函数,并将隐层节 点数确定为6,此时BP神经网络训练拟合曲线MSE为4.7762x10。4,,.为0.9480; 预测拟合曲线MSE为0.0013,,.为0.9174,模型的跟踪和预测效果较好。

确定了模型结构和模型参数之后,对样本数据进行训练和预测仿真。图4.4
为120组涌水量训练样本经BP神经网络的训练输出及训练误差曲线,子图1中 黑色幸表示涌水量实际值,红色.表示BP神经网络的训练输出,子图2表示训 练输出的误差。图4.5为20组涌水量预测样本的预测输出及预测误差曲线,图 中各数据的表示方法与图4.4相同。
BP_i)ll练输出

蜩I




样本数 BP训练输出误差曲线

删 赂

图44trailllm函数下的BP神经网络训练试验结果(隐层节点数为6)

49

BP预、钡4输出

咖l




样本数

BP预测输出误差曲线

j{}|j 嗤

样本数 图4-5 trainlm函数下的BP神经网络预测试验结果(隐层节点数为6)

在模型仿真过程中,神经元权值和阈值的取值是随机的,因此每次的仿真结 果都存在着一定程度上的随机性。如果权值和阈值的选取不当,会严重影响BP 神经网络的收敛速度,甚至导致网络不收敛。 对于训练好的BP神经网络,可通过程序查看网络各层的连接权值和阈值, 具体如下:


输入层到隐层的权值:wl=net.IW{1,1); 隐层阈值:thresal--net.b{1、}; 隐层到输出层的权值:w2--net.LW{2,1,; 输出层阈值:thresa2--net.bf2} 本文中,网络各层的连接权值和阈值如下:
0.8763 0.4505 1.0638 Wl


-0.479l 1.3128 一O.8461 0.5720 0.2438 2.0717 1.3065

1.3826 —1.1033 0.0394 0.7208 一O.7472 0.2875

0.4702 O.1549 一O.9024 0.8523 0.3017 O.1508

0.8106 0.3286 0.7233

W2=【一1.4021

1.2063

0.9754—1.0268

1.1279]

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0.7904 -1.0532 O.9915

thresal=

-0.8729 0.7642

1.1274

thresa2--[0.8629】
4.4小结
本章在介绍BP神经网络的结构、学习算法及其执行步骤的基础上,针对矿 井涌水量的预测问题进行了BP神经网络模型的设计,并利用训练样本和预测样 本在MATLAB中对模型进行训练和预测仿真。选取影响矿井涌水量的4个参数 作为输入变量,确定网络结构为两层网络,通过训练效果比较,选择trainlm作 为网络的训练函数,通过隐层节点数不同的仿真结果对比,选取隐层节点数为6。 预测结果表明:该模型能够较好地拟合实际数据,预测输出误差较小,能够达到 期望的预测精度,采用该模型来进行矿井涌水量的预测是现实可行的。

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第五章地面监控中心软件设计和实现

第五章地面监控中心软件设计和实现
根据矿井水文监控系统的设计要求,本章应用LabVIEW软件开发平台设计 地面监控中心的管理软件,主要包括系统界面、通讯模块、数据处理和数据管理 四大模块的设计,软件向用户提供动态的工作现场画面、数据的实时显示画面等, 工作人员通过监控界面进行各种数据参数的设定、监视以及对系统工作过程的控 制,实现实时的人机交互。同时,利用MATLAB和LabVIEW进行混合编程, 实现了涌水量预测模型在矿井水文监控系统中的应用。

5.1软件构成和实现功能
地面监控中心应用LabVIEW软件开发环境进行模块化设计,主要包括系统 界面、数据通讯和数据处理和管理三部分,各个部分都包含若干子模块,其构成 如图5-1所示。
地面监控中心 管理软件

系统界面





数据通讯



l数据处理和管理

用 户 登 录 管 理 界 面

工 作 现 场 实 时 界 面

系 统 控 制 界 面

报 警 管 理 界 面

以 太 网 通 讯 模 块

块 间 数 据 同 步 传 输

数 据 处 理 与 存 储

用 产 信 息 数 据 表

历 史 数 据 曲 线 查 询




数 据 报 表

图5.1地面监控中心软件整体结构图

LabVIEW软件设计主要实现以下功能: (1)进行人机界面设计,包括用户登录界面、工作现场界面、数据实时显示 界面等子界面,操作人员可通过监控界面对矿井水文情况进行实时监测和必要的 控制; (2)设计基于数据库技术的多用户密码管理系统; (3)开发PLC和地面监控中心的数据通讯模块,实现数据采集信息和控制信 号的实时传输; (4)实时显示PLC和水文信息采集系统采集到的水位、流量、压力等信号;

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(5)根据水位、压力、流量等监控参数的变化和涌水量预测模型的预测信息 控制排水泵启停,同时具备险情和故障报警功能; (6)采用数据库技术存储各种监控参数并进行管理,可通过数据库访问查询 历史水位数据和曲线,亦可进行报表打印。 LabVIEW开发环境采用数据流驱动模式,可实现自动多线程运行,支持多 循环并行执行,系统控制模块、数据存储模块、数据查询模块等模块分别代表一 个子循环,当用户通过密码管理系统进入主系统后,软件自动并行执行所有模块 功能。

5.2系统人机界面
系统人机界面运用LabVIEW的选项卡功能进行设计,用户在通过用户登录 界面密码验证之后,进入主系统。主系统包括工作现场、实时数据显示、控制面 板、历史数据曲线查询、安全评价及报警和报表打印六个子界面,对各个子界面 的控件进行合理布局,合理挑选颜色搭配,保证界面的友好美观,可以达到良好 的人机交互效果。工作人员成功登录后,可在六个子界面之间自由切换,根据需 要查看工作现场的情况、查看实时或历史数据、执行系统控制功能。本节主要介 绍用户登录界面的设计及其相应的功能模块设计和工作现场界面的设计。 5.2.1用户登录界面设计 系统用户登录界面如图5.2所示,整体设计简洁,用户可以方便地使用。

图5-2用户登录界面

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用户输入正确的用户名和用户密码后点击用户登录按钮进行登录,登录成功 后可根据需要选择进入系统、用户管理、修改密码或退出系统等功能,如果输入 了数据库中不存在的用户名或错误的密码,则弹出错误提示,用户需要修改用户 名或密码后重新尝试登录。界面同时还包括了用户权限、用户登录次数和最后登 录时间的显示,便于用户管理。 用户登录管理模块,将用户分为管理员和普通员工两种不同权限类型,普通 员工可通过用户登录进行进入系统、修改密码、退出系统等操作,用户管理功能 只对管理员权限开放,管理员成功登录系统后可对数据库中的用户信息进行新增 用户、删除用户、编辑用户等修改操作,系统整体功能完善,使用灵活。用户登 陆界面的程序图如图5.3所示。

图5-3用尸登录界面程序图

用户登录模块的开发包含了很多子程序的设计,在登录模块中通过子程序调 用的方式运行,这里主要包括了密码验证、用户管理、更新用户数据、新增用户、 删除用户、编辑用户、路径处理、当前时间等子vI,每个子vI具备相应功能, 在主程序中接受调用,共同完成用户登录的程序功能。图5.4为密码验证子vI 的程序图,当输入的用户名存在于数据库中时,程序提取出用户名信息,判断输 入的密码是否与数据库中的密码数据一致,输出密码是否正确的判断信息供主程 序后续使用,同时提取用户权限、登录次数和最后登录时间的信息在主界面上进

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行显示。

图5-4密码验证子vI程序图

5.2.2工作现场界面设计 工作现场界面为工作人员提供水仓水位、井下各离心式水泵和排水管路工作 状态的实时动态显示,全面直观地反映井下排水工作的运行状况,同时将电动闸 阀、射流泵及压力、流量传感器等设备的布置显示在界面中,以实时数据的形式 显示现场设备的工作状况,当有故障发生时,程序依据故障等级进行显示,便于 工作人员及时了解系统运行状况,并据此开展管理和维修工作。本系统设计的工 作现场界面如图5.5所示。

图5-5工作现场实时显示界面

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5.3系统通讯模块设计和实现
系统地面监控中心与井下PLC之间通过工业以太网进行通讯,采用开放式 的以太网通讯标准PROFINET技术,实现系统井上监控界面和井下PLC控制器 之间的连接和信息传输,最小化系统通讯接口数量,避免了各种通讯协议之间的 转换,简化了系统组态和配置方式,系统数据传输实时性强,准确性高,且易于 维护。 系统采用TCP/IP标准通讯方式,传播速度快、距离远,且进行传输数据位 校验,最大限度地保证了传输的正确性。上位机配置CPl613以太网通讯卡及 SOFTNET驱动软件,PLC配置CP343.1通讯模块,单独配置RJ45通讯接口, 通过SCALANCE X400以太网交换机连接到工业以太环网,实现全矿范围的 PROFINET通讯。PLC通过梯形图进行编程,按照通讯协议把采集到的水仓水位、 压力、流量等信息参数通过规定的端口发送给上位机,上位机通过LabVIEW编 制通讯程序,以扫描物理地址中固定端口的方式探测以太网中是否有数据发送, 并做出相应的响应,工作人员通过监控界面实时接收井下PLC传输的信息数据, 可对这些数据进行存储、查询、分析等处理,从而实现人机之间的信息交互及井 上井下的信息交换,达到系统的远程监控管理。 Client.Server模式是基于TCP/IP协议进行网络通讯的基本传输模式。在该 模式下,井下PLC运行Server程序,为地面监控中心提供数据服务,称为Server; 地面监控中心的计算机运行Client程序,使用PLC提供的数据服务,称为Client。 Client和Server同时运行相应的数据通讯程序,实现数据的远程传输。下位机采 用梯形图进行编程,选择基于TCP/IP协议的通讯方式进行数据的发送,上位机 采用LabVIEW编程,接收下位机发送的数据并发出控制信号。在LabVIEW中, 利用软件集成好的TCP协议函数进行TCP/IP通讯模块的设计,主要用到以下几 个函数:

(1)TCP ListenL兰:l:此函数用于侦听端口的创建,创建的端口一直处于侦听



状态,等待一个可接受的TCP网络连接的响应。
(2)TCP
Open

Connectionl退l:此函数用户打开一个TCP网络连接,同时指



定其网络地址和端口号,等待其指定网络地址和端口号的数据响应。

l曼羽
l●■一_

(3)TCP

Readl竺I:此函数用于从指定的网络连接中读取数据,并在数据输 w矗td竺l:此函数用于将数据写到指定网络连接的对应端口中,等
犀翮 _●r—l

出端口输出所得到的数据。
(4)TCP 待响应。

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I零钟I
(5)TCP
Close

Connectionl至塞I:此函数用于关闭“TCP
Open

Open

CoIHlection”所

打开的网络连接,与“TCP

Connection”构成一对。

采用LabVIEW软件集成好的TCP协议函数编写的上位机实时数据显示界面 如图5-6所示。程序接收井下PLC发送的水仓水位、压力和流量采样数据,并 进行实时显示。在地址中输入发送端的IP地址和各项数据对应的端口号,运行 程序,则在波形图中显示接收到的数据实时波形,程序同时将各项实时数据保存 到数据库相应的表格中。

图5-6基于TCP/IP数据接收的买时数据显示界面

上位机通讯模块程序的具体实现过程主要包括:建立网络IP地址和侦听端 口的网络连接;在设定的侦听端口读取水仓水位、压力、流量等相关数据,在程 序中设置两个TCP Read函数,第一个读取接收数据的数量,第二个用于数据的 接收,同时检测输入输出是否错误,有错误发生时,进行提示并停止程序执行; 运用创建波形函数将接收到的各组数据和时间组合起来,时间数据和采集到的信 息参数实时数据一一对应,在前面板的波形图中进行显示,其程序框图如图5.7
所示。

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团圆圆

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…FkI停I£

图5.7地面监控中心通讯模块程序图

在地面监控中心和井下PLC的通讯中,数据发送程序和数据接收程序的建 立只是整个通讯网络中的基础,更为重要的是建立Client和Server之间的连接, 保证Client程序对Server程序的数据发送请求进行正确的响应,使接收到的数据 和发送的数据保持一致,在程序设计中注意了以下几点: (1)获取PLC端的正确IP地址并准确输入到用户界面的地址输入栏中,保 证两者严格一致,这是地面监控中心和井下PLC进行通讯的基础。 (2)在设置井下PLC端口地址时,注意避开一些常用程序所用到的端口,防 止数据交换出现错误。 (3)根据信号检测系统数据采样频率设置PLC端发送数据的延时时间,并以 此确定上位机接收收据的延时时间,保证系统监控的实时性。 井下PLC和地面监控中心的数据通讯模块是矿井水文监控系统的重要环节, 采用LabVIEW软件平台进行基于TCP/IP协议的通讯模块开发具有较好的便利 性,通讯模块具有极好的实时性和容错性,能够满足系统应用的实际需求。

5.4涌水量预测模型实现
LabVIEW在编写用户界面、处理各种数学函数、对输入输出变量进行显示、 设置及调试能方面都体现出强大的优势,程序运行结果形象直观。然而,它在数 值处理、分析和算法工具等方面的效率比较低,矿井涌水量BP神经网络预测模 型的建立和实现需要对大量的数据样本进行矩阵运算和处理,对于LabVIEW来

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说,这些巨大的运算量是一个极大的挑战。为此,LabVlEW提供了与MATLAB 的混合编程方法啤】,将MATLAB强大的矩阵运算能力和LabVIEW可通过多种 硬件设备接口进行通讯的能力结合起来,实现实时控制和操作,方便了涌水量预 测模型的设计和实现。 MATLAB和LabVIEW混合编程的实现方法主要有[65】:利用DDE(动态数据 交换,Dynamic Data Exchange)技术、利用DLL(动态链接库)技术、利用ActiveX 技术和利用MATLAB Script节点技术等四种。其中,DDE利用LabVIEW前面 板中的函数模板用户库将DDE VIs设置成DDE服务器程序或客户程序,实现两 者的通信;DLL技术将MATLAB的m文件编译成一些独立的DLL文件,供 LabVIEW Advanced函数模板中的CLF节点(调用库函数节点,Calling
Function

Library

Node)调用:ActiveX技术依靠组件对象COM及MATLAB自动化服务

器来实现与LabVIEW的混合编程。这三种方法都使用了LabVIEW强大的外部 程序接口功能,调用MATLAB以实现自动控制,程序运行速度快,兼容性较好, 但是他们的实现过程都相对比较复杂。因此,我们选择利用MATLAB script节点 技术来实现涌水量预测模型的混合编程,该方法实现简单,打开被调用的 MATLAB脚本程序速度快,但在使用中应注意执行完脚本程序后,需手动关闭
MATLAB Server释放内存空间。

在LabVIEW中,通过MATLAB script节点调用BP神经网络涌水量预测程 序的实现方式如图5.8所示。

MATLAB script

箱入参数

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最大迭代次数

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图5-8 MATLAB script节点实现BP神经网络涌水量预测

59

硕士学位论文

第五章地面监控中心软件设计和实现

图中,MATLAB script节点中的程序是通过“导入”功能直接导入的编好调 试好的程序文件。 在MATLAB和LabVIEW的混合编程中,需要注意以下两点: (1)由于两种软件编程语言不同,两者的数据类型定义和编程规则相互独 立,使用LabVIEW调用MATLAB时要注意script内外数据类型的匹配和参数设 置,保证LabVIEW的正常运行; (2)在通过LabVIEW使用MATLAB script节点之前,确保计算机上安装了 MATLAB5.0或以上版本,保证执行MATLAB节点时可以调用MATLAB
Server。

5.5报警管理模块设计
报警管理模块是保证矿井水文安全的最后一道防线,在整个系统中占据着重 要的地位。系统提取各个过程参数和设备运行状态的实时检测值,与程序设定的 该参数的界限值进行比较,得出安全等级,如果某参数不在设定的安全范围内, 则通过“安全与报警"界面进行实时的报警曲线显示并产生声光报警提示,工作 人员可以及时查看报警状态,也可通过报警信息记录查询详细情况。 报警管理模块的用户界面包括参数当前值的实时显示和报警信息的记录表 格两大部分,每个参数按安全、危险、非常危险三个等级对应设置三个报警指示 灯,分别为绿灯、橙灯、红灯;同时设置过程变量界限值的输入框,管理员权限 的用户可以根据矿井生产的实际情况对其进行更改,也可根据需要添加其他的过 程变量。 报警管理模块程序主要包括数据处理、各参数的比较报警和报警信息的数据 库存储三部分。其中以各参数的比较报警为程序的主要组成部分,水仓水位比较 报警、压力比较报警、流量比较报警等比较报警以并行的方式运行,并将报警信 息输出给数据库存储程序进行存储,两者同时放在一个for loop(for循环1结构中,
for

loop的输入为经过数据处理程序处理的数据组,循环次数为该数据组的大小。 各参数的比较报警程序实现基本一致,如图5-9所示为水仓水位比较报警程

序图,系统按水位由低到高的顺序设置“最小水位”、“警戒水位”、“极限水位" 三个界限,程序将经过处理的数据输入给索引数组,从其输出提取当前水位的实 时采样值,当前水位经过三个比较器和以上三个界限值进行比较,判断水位参数 所处的范围。当“当前水位”位于“最小水位”和“警戒水位”之间时,处于安 全状态,“安全"灯亮绿灯;当“当前水位”位于“警戒水位”和“极限水位” 之间时,处于危险状态,“危险”灯亮橙灯;当“当前水位”大于“极限水位" 时,处于非常危险的状态,“非常危险’’灯亮红灯。同时,在“危险"和“非常 危险”两种状态下,分别设置不同的声音频率进行报警,工作人员可以从声光报
60

硕士学位论文

第五章地面监控中心软件设计和实现

警中得到比较直观的信息,根据声音区分出报警等级,防止安全事故的发生。

图5-9水仓水位比较报警程序

在程序中,for loop的循环次数为索性数组提供索引号,for loop每执行一次, 索引号加l,其输出变为数组中的下一个元素,即可提取到下一时刻水位的实时 采样值。同时,索引数组的输出(即水仓水位的采样值)通过创建波形子VI对水 仓水位的当前值进行实时显示。 报警数据的输出有两方面,一方面经过水位比较报警程序进行声光报警,提 醒工作人员对报警及时进行处理和解决;另一方面将报警数据存储到数据库中, 用户可通过数据库对报警数据进行分析,预测数据的发展趋势,及时处理可能出 现的水害险情。 系统其它过程参数和设备运行状态的监测和报警管理部分用同样的编程思 想进行设计,共同组成系统报警管理模块。

5.6小结
本章主要介绍了基于LabVIEW的矿井水文地面监控中心的软件设计和实 现。首先在介绍软件的构成及其实现功能的基础上,对系统人机界面进行设计, 主要论述了用户登录界面和工作现场界面的设计,在用户登录界面的程序设计中 以密码验证子程序为例介绍了系统子VI的设计;然后,针对系统实现,主要介 绍了系统通讯模块、涌水量预测模型的混合编程和报警管理模块的设计。针对系 统以太网通讯,利用LabVIEW集成的TCP协议函数进行TCP/IP通讯模块的设

6l

硕士学位论文

第五章地面监控中心软件设计和实现

计,并通过现场实时数据的显示验证了其实现;利用MATLAB/LabvIEw混合编 程,实现了涌水量神经网络预测模型在系统中的应用;最后,介绍了报警管理模 块的设计,重点叙述了水仓水位比较程序的设计。基于LabVIEW的管理软件设

计具有全面、直观和实时的特性,能够很好地实现矿井水文监控系统的地面监控。

62

硕士学位论文

第六章总结和展望

第六章总结和展望
6.1论文研究工作总结
矿井水文监控系统是矿井安全和矿井日常生产正常进行的重要保障,但我国 矿产行业已有的水文控制系统多存在防治分离的弊病,控制方法的实时性和可靠 性也有待提高。本论文在深入调研国内外矿井水文监控系统的研究和应用现状的 基础上,基于某矿的实际情况对矿井水文监控系统进行设计和研究,这对我国矿 产行业的矿井水文监控系统建设具有一定的参考价值。本文的研究工作主要有以 下几点: (1)介绍了矿井水文监控系统的研究背景和研究意义,调研了国内外矿井水 文监控方面的相关研究和应用现状;针对系统控制需求和涌水量预测模型建模需 要,详细分析了井下排水泵的工作原理和矿井涌水量的影响因素。 (2)在分析离心式排水泵工作原理的基础上,针对系统控制需求,设计了以
西门子S7—300 PLC作为井下控制核心,以LabVIEW作为地面监控中心软件的

系统总体方案,并完成对井下PLC系统的硬件系统设计和软件程序设计。其中 硬件设计具体包括水泵和配套电机的选型,PLC系统设计和模块组态,信号检测 系统的设计;软件设计采用模块化设计,单台水泵的启动、停止程序设计、水位 监控和用电避峰就谷程序设计、水泵自动轮换工作程序设计等各子程序组织关系 合理,程序修改和调试方便。 (3)在分析影响矿井涌水量主要因素的基础上,采用BP神经网络建立矿井 涌水量预测模型。在MATLAB中应用训练样本对神经网络的权值和阈值进行训 练,并用预测样本检验所建立模型的误差。仿真结果表明:BP神经网络建模可 以逼近从影响因素到涌水量的非线性映射,适用于矿井涌水量预测,预测结果能 够较好地拟合原始数据,预测精度较高。 H)应用LabVIEW软件开发平台设计地面监控中心的管理软件,主要完成 了系统界面、通讯模块、数据处理和数据管理四大模块的设计,通过实时数据的 显示等验证了其实现;利用MATLAB和LabVIEW混合编程,将BP神经网络涌 水量预测模型成功应用到了系统中,提高了系统的实时性和可靠性。

6.2进一步工作展望
矿井水文监控是复杂的非线性控制,针对现有的矿井水文监控系统防治分 离、控制方法单一的问题,本文将涌水量预测的BP神经网络模型应用到系统中, 有效地优化了系统性能,提出了井下PLC+井上LabVIEW的系统结构,可方便
63

硕士学位论文

第六章总结和展望

应用于现有系统的优化改造,在理论研究和实际应用中都有一定的参考价值。但 是由于影响矿井涌水量的因素众多,不同矿井的井下环境各异,系统在很多方面 还有待进一步的研究和提高,日后的研究工作可以针对以下几个方面开展: (1)BP神经网络模型预测精度与输入参数的选取、训练样本的个数关系密 切,为提高预测准确性,在实际运用中需要大量的统计数据,且对于具体的某个 矿井,其主要影响因素需要具体分析,建立模型的准备工作比较繁杂。在以后的 研究中可应用灰色系统理论的灰色关联度分析进行涌水量影响因素分析,提高输 入参数选取的正确性;BP神经网络本身存在容易陷入局部最优和泛化能力不足 的缺点,在以后的预测模型建立过程中纳入遗传算法对网络的初始权值和阈值进 行优化,提高模型的预测精度。 (2)系统是针对单个水仓的控制设计的,在实际应用中,存在各水平工作面 多级水仓的联合控制问题。在后续的研究中,可采用D.S证据理论收集各级水仓 的水文信息并进行数据融合,建立更完善的矿井水文监控系统。

硕士学位论文

参考文献

参考文献
[1】 徐智敏.深部开采底板破坏及高承压突水模式、前兆与防治【J】.煤炭学报,
201l,36(8):1421-1422.

[2】

Y'mg

Zhang,Qing-an Cui,Li-jie

Feng,et a1.Game analysis of government

and
of

company
20 1 1

in the prevention of water disaster in the coal
1 8th

mine[C].Proceedings
Engineering

IEEE

International Conference

on

Industrial

and

Engineering

Management(IE&EM).Piscataway,NJ:IEEE,201 l:127—129.

[3】

温国栋.基于ARM的煤矿自动排水监控系统的研究【D】.西安:西安科技 大学,2009.

【4】

朱明.基于网络的矿井水文动态监测智能预警系统的研究与应用【J】.中州 煤炭,2007,(5):23.24.

【5】

陈子春,刘向听.井下中央泵房水泵自动化控制系统的研究与应用[J】.工 矿自动化,2007,(2):77.79. 孙学军.基于Web Services的煤矿信息整合平台设计[J】.煤矿开采,2011,
16(4):29-32.

[6】

[7】

芦新涛,孙卫东,彭玉生.井下排水自动控制系统在矿山的应用[J].矿山 机械,2010,38(21):120.122. 殷国友,王海波,朱日来.焦家金矿井下中央排水自动化系统开发及应用 [J].黄金,201 1,32(6):33—38.

[8]

【9】

杨旭宏,刘进平.基于PLC的煤矿水仓水位监控系统[J】.辽宁工程技术大 学学报(自然科学版),2011,30(2):190-193.

[1 0】Wu Jing,Chen Guojie.Design

of Coal Mine Underground Drainage Pump
on

Monitoring and Controlling System Based Proceedings of
20 1 1 International

PLC

and

Touch

Screen[C].

Conference

on

Mechatronic Science,Electric

Engineering

and Computer.Piscataway,NJ:IEEE,201 1:1245—1247.

[1 1]蔡俊,朱成杰,郭来功.矿井水泵房自动排水监控系统设计[J】.煤矿机械,
201 1,32(4):30-32.

[12]张建中,尚效周,刘延芳.基于智能传感器的矿井水文监测系统的设计【J].矿 山机械,2010,38(5):7.10. [13]高培智,师瑞祥,张武.老井主排水系统优化节能改造【J】.煤矿安全,2011,
42(8):121—123. [1 4]Shufang
Zhao,Lichao Chen.The safety monitoring of

coal mine

drainage

65

硕士学位论文

参考文献

facilities based Conference
on

on

BP neural

network[C].Proceedings

of 20 1 0 International

Computer Application and System Modeling.Piscataway,NJ:

IEEE,2010:581-584.

[1 5】Wen Zongzhou,Li Guochao.Underground

drainage system based

on

artificial

intelligence control[C].Proceedings
on

of 201 1 IEEE 3rd International

Conference

Communication Software and

Networks(ICCSN),Piscataway,NJ:IEEE,
level Fuzzy Control System Design Based International

2011:700—703.

[1 6】Guimei Wang,Hui Song.Mine Water
on

PLC[C].Proceedings
Technology

of

2nd

Conference

on

Intelligent

Computation 130.133.

and

Automation.Piscataway,NJ:IEEE,2009:

[17】苗强,何凤有,王敦胜.一种智能化矿山主排水控制系统[J】.煤矿机电,
2008,(2):59-61. [18]譬兴建,许中.基于矿用本安型计算机的矿井水泵控制系统[J】.煤矿机械,
2010,31(9):207-209.

[19】姜秀柱,徐钊,冯东芹.基于EPA的煤矿井下水泵控制系统[J].工矿自动 化,2008,10(5):62.65. [20】Wu
Yanrong.Design of Intrinsically Safe

Intelligent Water-level Monitor Used Conference
on

in Coal and

Mine[C].Proceedings

of IEEE International

Automation

Logistics(ICAL).Piscataway,NJ:IEEE,2009:1158—1162.

[21]杜小璐.基于ARM的矿井水情监测与自动抽排控制系统设计[D】.武汉: 华中科技大学,2009. [22】Chehri Abdellah,Farjow Wissam,Mouitah
sensor

Hussein T’et

a1.Design

of wireless 24th

network

for mine safety
on

monitoring[C].Proceedings
and Computer

of 20 1 1

Canadian Conference

Electrical

Engineering(CCECE),

Piscataway,NJ:IEEE,201 1:1 532—1 535.

[23】梁宵,袁艳斌,张帆,等.数字矿山应用及其现状研究[J】.中国矿业,2010, 19(9):94—97. [24】付瑞锋.可视化多参数水文动态监测系统研究【D].西安:西安科技大学,
2008.

[25]Becker Franz,Bans—Neufang Bernhard,Seeliger Andreas.Integrated planning
of the partially automated

Banji coal

mine in

China[J].Procedia

Earth

and

Planetary Science,2009,1(1):13 12-13 19. 【26】杜敏铭,邓英尔,许模.矿井涌水量预测方法综述[J].地质学报,2009,

硕士学位论文

参考文献

29(1):70?73.

[27]Tian
Coal

Gan,Zhao Chunhu.Applications of Seam Floor
on

MODFLOW
of 20 1 1

in

Quantitative
3rd

Analysis

Water[C].Proceedings

IEEE

Intemational

Conference

Communication Software and Networks(ICCSN).Piscataway,

NJ:IEEE,2011:711-714.

[28】宋业杰.GMS在矿井涌水量预测中的应用[J】.煤矿开采,2011,16(1):
104—107.

[29】李平,郭会荣,吴孔军,等.王河煤矿矿井涌水量数值模拟及预测[J】.地 球科学.中国地质大学学报,2011,36(4):755.760. [30】刘小满,赵明坤,王泽轩.新安煤矿矿井涌水量预测研究[J】.中国煤炭,
2010,36(4):103—105.

[31】刘洋,张幼振.浅埋煤层工作面涌水量预测方法研究【J】.采矿与安全工程 学报,2010,27(1):l 16.120. [32】Haibo Dong,Minming
of Mine
20 1 0

Tong,Hongmei Liao,et a1.Study of

Prediction Method
of

Water

Emission Control

Based

on

Grey System

Theory[C].Proceedings

Chinese

and

Decision

Conference.Shenyang:Northeastern

University Press,2010:3946—3949.

[33】LIU

Changying,Huang
Intemational

Huagui,Shi

Jinshan.Application

Research

on

Hydrological Forecasting
20 1 0

Based

on

Grey Prediction Model[C].Proceedings
on

of

Third

Conference

Information

and

Computing.

Piscataway,NJ:IEEE,2010:290-293.

[34】石斌,刘思峰,党耀国,等.无偏灰色预测模型递推解法及其优化[J】.系
统工程理论与实践,2011,31(8):1532.1538. 【35】王丰效.基于反向变换和遗传算法的GM(I,1)模型优化[J】.统计与决策, 2011,(16):20-22. [36】吴翠娟.基于神经网络的矿井涌水量预测研究【J】.中国煤炭,2009,35(10):
105.113.

[37】Jianlin

Li,Hongyun Zhang.Application of BP Neural

Network

to

determine of
of 201 l 2nd

mine water inrush sources International
Electronic

based

on

Matlab[C].Proceedings

Conference

on

Artificial

Intelligence,Management Science and
1:1 79-1 82.

Commerce(AIMSEC).Piscataway,NJ:IEEE,201

【38】武强,陈红,刘守强.基于环套原理的ANN型矿井小构造预测方法与应用

——以淄博岭子煤矿为例【J].煤炭学报,2010,35(3):449.453.
[39】凌成鹏,孙亚军,杨兰和,等.基于BP神经网络的孔隙充水矿井涌水量预

67

硕士学位论文

参考文献

测[J】.水文地质工程地质,2007,(5):55.58.

[40】窦贤明,杨永国,徐伟伟,等.基于遗传算法和BP神经网络的矿井涌水
量预测[J】.中国煤炭地质,2009,21(10):37.38. [41】陈建宏,施飞,郑海力,等.基于灰色神经网络的矿井涌水量预测【J】.矿 业研究与开发,2011,31(2):73.75. [42】Zuo
Xianzhang,Kang
on

Jian,Wang Jianbin,et

a1.Study

on

Prediction Model of The

Based
Eighth

Grey Residual Information Neural International Conference
on

Network[C].Proceedings
Electronic 1:322—325.

Measurement

and

Instruments(ICEMI).Piscataway,NJ:IEEE,201 [J】.矿业安全与环保,201 1,38(6):28.30. [44】Jelena Milojkovi6,Van60
Based
on

[43】邱国良,吴基文,王厚柱.基于灰色BP神经网络的水位矿井涌水量预测

Litovski,Octavio Nict0一Taladriz,et a1.Forecasting

Short Time

Series Using ANNs

and

Grey

Theory-Some

Basic

Comparisons[J].Lecture notes

in computer science,2011,6691:183—190.

[45]李春华,李春静.GA优化GNNM(1,1)的煤矿涌水量预测[J】.水电能源科
学,2011,29(2):25.27.

[46】刘北战,梁冰.基于SVM降雨充水矿井涌水量预测[J].辽宁工程技术大 学学报(自然科学版),2010,29:72.74. 【47】黄存捍,冯涛,王卫军,等.基于分形和支持向量机矿井涌水量的预测【J】.煤 炭学报,2010,35(5):806.810.
[48】Xin
Heng-qi,Shi Long-qing,Yu Xiao—ge,et a1.Application of D—S Evidence in

Theory

Mine Water-inrush from
on

the

Floor[C].Proceedings

of 20 1 0 2nd

Intemational Conference

Information Engineering and Computer Science

(ICIECS).Piscataway,NJ:IEEE,2010:1-5. [49】张英梅,程珍珍.D.S证据理论在煤矿水害预测中的应用[J].太原理工大 学学报,2008,39(6):589.591. [50]刘惠德,张颖,赵任栋,等.基于GIS的矿井水文地质的空间分析及预测 系统的设计【J].工矿自动化,2009,(4):97.99. [5 1】Mill
Guo,Xiaosu

Chen,Wenfeng Transient
Case
on

Liu,et a1.Application

of Technology

Combined GIS and
Burst

Electromagnetic Technique in Coal Mine Sihe
Coal

Water
1 9th

Prevention—A

of

Mine[C].Proceedings

of

International Conference

Geoinformatics.Piscataway,NJ:IEEE,201 1:l-5.

[52]李挺.基于LabVIEW的虚拟测试技术[c】.第二届亚太地区信息论学术会 议论文集(上册).北京:中国电子协会信息论分会,201
1:44—47.

68

硕士学位论文

参考文献

[53]

Guimei

Wang,Qingdong Wang,Jiangbo
testing system based
on on

Li,et

a1.Mine elevator comprehensive

performance
IEEE

virtual

Conference

Industrial

instrument[C].Proceedings of 3rd Electronics and Applications(ICIEA).

Piscataway,NJ:IEEE,2008:1 027-1 030.

[54]

胡嘉坤,陆绮荣.基于LabVIEW的矿井瓦斯远程监控系统[J].工矿自动化, 2007,(2):64-66.

[55】

汤青波,何学文.基于LABVIEW的风机在线监测系统开发[J】.噪声与振 动控制,2007,(2):47.48.

【561 Guimei

Wang,Shanlin
Testing

Jiao,Hui

Song.Mine
on

Pump

Comprehensive of

Performance
International

System
on

Based

Labview[C].Proceedings
Technology

Conference

Measuring

and

Mechatronics

Automation(ICMTMa).Piscataway,NJ:IEEE,2009:300—303.
[57】

高林.煤矿井下排水自动控制系统的研究与开发[D】.太原:太原理工大学,
2007.

[58】

徐高强.陕西省煤矿区矿井水涌水量预测模型研究[D].太原:太原理工大 学,2008.

[59】

赵建群.矿井排水设备的选型计算【J].山西煤炭,2011,31(3):45-47.
Shen.Study of the Safety

[60] Yongjian Fan,Jianying Mai,Yangguang
Model
of Coal

Assessment
2nd

Mine Based

on

BP Neural

Network[C].Proceedings of
Computation

Intemational

Conference

on

Intelligent

Technology

and

Automation.Piscataway,NJ:IEEE,2009:103-106.

[61】 W:K.Wong,C.W.M.Yuen,D.D.Fan,et
classification using wavelet

a1.Stitching defect detection
BP

and

transform and

neural

network[J].Expert
coded
wim

Systems with Applications,2009,36(2):3845—3856.
[62] A.Sedki,D.Ouazar,E.E1 Mazoudi.Evolving neural network
genetic algorithm for daily rainfall-runoff using real

forecasting[J].Expert Systems

Applications,2009,36(3):4523—4527. [63】 魏海坤.神经网络结构设计的理论与方法[M】.北京:国防工业出版社,2005.
with neural

[64】 Jui-Hong Homg.Hybrid MATLAB and LabVIEW

network

to

implement
[65]



SCADA

system

of AC

servo

motor[J].Advances

in Engineering

Software,2008,39(3):149-1 55.

叶琳,乔闪.基于LabVIEW和MATLAB混合编程技术的研究[J】.仪器仪 表学报,2009,(6):543.546.

硕士学位论文

致谢

致谢
时间如同过隙白驹,悄然带走我在长沙,在中南大学的七年。本科四年,研 究生三年,这座城市,这个学校,以及身边的人们,带给我太多领悟和感动,让 我从原来的青涩懵懂成长成现在的成熟清朗。在论文即将完成之际,谨以微薄的 字句,对在我的成长过程中带给我指导和帮助的老师、同学和亲人们致以最由衷 的感谢! 感谢我的导师廖力清教授!感谢廖老师的睿智博学,让我在吸收更多专业知 识的同时学会了如何全面和辩证地看待事物;感谢廖老师的严谨治学,让我懂得 了在理论研究和项目实施中需要一丝不苟的精神;感谢廖老师的耐心包容,当我 在工作过程中出现过失和错误的时候,给我指导和鼓励。 感谢凌玉华教授、欧阳昌华副教授和刘建良老师!在课题研究和论文的撰写 过程中,得到了他们的悉心指导和耐心帮助,从最初的选题、系统的设计研究到 论文的撰写修改,都给了我很多指导性的意见,同时在日常生活中给了我很多无 私的关心,让我感到无限温暖。 感谢实验室彭浩、张琪、黄凯、姚明星等师兄给予的关心和帮助,他们丰富 的理论知识和项目经验让我获益匪浅,他们的个人人格和处事态度也深深感染着 我!感谢杨振耕、张航其、肖智、龙晓芬、郑义、丁宇、曾理等同学,课题的完 成也得到了他们真心的帮助,他们的建议和指导,督促我不断完善和进步! 感谢寝室同学朱燕红、伍春燕和李幸!在一起生活的三年,我们共同分享欢 喜,分担忧愁,相互学习,共同提高。是你们让我的生活更加丰富多彩! 感谢我的父母,你们在我的成长过程中的开放式教育,让我懂得如何自己承 担选择和决定的责任!感谢你们无论如何都永远给予我最坚实的支持和鼓励。感 谢我的姐姐姐夫,用你们的生活经验给我提供帮助!感谢我的男朋友,你正直善 良的品格和对我的无私关心,让我拥有走得更远的信心! 最后,感谢所有在论文中被引用文献的作者们!他们开拓性的研究和实践工 作,为我们提供了一个良好的研究平台。感谢在百忙中抽出宝贵时间参加本论文 评阅、答辩的各位专家学者,感谢他们对论文工作提出的各种宝贵意见1

袁佩丽 2012年5月

70

硕士学位论文

攻读学位期间主要的研究成果

攻读学位期间主要的研究成果
一、发表和完成的学术论文
[1】袁佩丽,廖力清.无线传感网络在矿井监控系统中的应用【C].中南大学信息 与工程学院201 1年学术年会论文,201
1.

二、参加的科研项目
[1】井下安全监测、预警与应急处理系统研究 [2]中南大学机电学院试验液压压力机检测信号改造

7l

基于LabVIEW的矿井水文监控系统研究
作者: 学位授予单位: 袁佩丽 中南大学

引用本文格式:袁佩丽 基于LabVIEW的矿井水文监控系统研究[学位论文]硕士 2012


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水文系统应用理论研究
物联网技术在煤矿水害应用 中的设计架构, 结合积累水文信息管理的经验和物联网技术架构的特点, 将基于物联网的 水文监测信息管理系统分为硬件平台和软件平台。...
KJ273水文系统介绍详细版
一、 水文系统的功能 1、 系统的总体功能 KJ273 矿用水文动态监控系统实现对矿井井下水仓水位、水温, 钻孔水压、水温、流量,明渠流量和给排水管道流量、压力以及...
矿井水文地质基础工作主要包括以下内容
所有观测资料均应系统编录。 第十一条 凡正式设站...第二十五条 根据已批准的矿井水文地质补充勘探设计,...监测、试验、专项研究总结等成果 资料的具体要求: 1...
矿井水文地质划分报告_图文
它关系到矿井开拓方式的 选择和采掘系统的布置,从而影响到矿井的总体规划和设计,防治水 工作的投入直接影响到矿井建设和运行成本, 因此开展矿井水文地质 类型划分工作...
矿山打印
矿井水文动态监测系统计... 暂无评价 11页 4下载券 (综合打印)2011年鄂庄煤....基于LabVIEW和AVR单片机... 5页 免费 公务员考试常识四十题(附... 11页 7下...
承压水的特点与监测布控项目研究报告
经矿井领导及有关技术部门详细研究与分析后,在副斜井井底车场及轨 道下山、 七车场等水文监测地点布置一套基于光纤传输的矿井水文监测及其 分析系统。 该系统利用...
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