矿井水位监控系统设计应用研究

李晓君

（大同煤矿集团有限责任公司， 山西 大同 037003）

引言

矿井水灾是煤矿五大主要灾害之一，矿井水如不能及时排出将严重威胁煤矿的安全生产。以往同煤集团一些煤矿的矿井水排出任务主要由水泵技术人员目测水位情况，进而决定水泵的启动或停止。如果水泵的启停控制不及时的话，当水位过高时，水仓内的积水将漫出大巷，井下的车场将会被淹；当水位过低时，会造成水泵吸不上水，水泵空转降低了水泵的使用寿命。由于操作人员的疏忽大意，该类事故时有发生。鉴于此，本文设计了一种超声波传感器与单片机相结合的矿井水位监测装置，该装置结构简单、测距精确，能够实时监控水位情况，并发出报警提示，有效保障了矿井排水系统的安全可靠性。

1 矿井水位监控背景及意义

煤矿在开采过程中会产生大量的矿井水，为了确保煤矿的安全生产及开采进度必须将这些矿井水通过水仓进行安全排放，因此，对于水仓的控制不仅应该控制在一定的范围内，还要设置一定的上下限，并参照设置值适时启动抑或切换排水泵的启动回路，以实现排水功能。当水位不在设定范围内时，则启动报警装置。所以，加强对矿井水仓水位的监测与监控功能对矿井的安全生产起着至关重要的作用。

2 矿井水位监控系统设计

2.1 工作原理

在矿井巷道的顶部安装矿井水位监测系统装置，主要采用超声波传感器监测三个水位，分别是高水位、中等水位、低水位。将超声波传感器的监测探头由巷道顶部朝下安装，距超声波传感器1m以上的距离设定为低水位，10～100 cm距离内设定为中等水位，10 cm以内距离范围为高水位。当监控系统中的单片机接收到水位传感器的信号后，经过计算分析，将从单片机的输出端口输出相应结果的信号，假若出现低水位时，系统中的绿灯亮，红灯和黄灯不亮；当处于中等水位时，黄色灯亮，其他红、绿灯均不亮，蜂鸣器不报警，但此时巷道内已经出现积水，系统将启动水泵电机进行自动排水作业；当处于高水位时，红灯亮，绿灯和黄灯均不亮，蜂鸣器发出报警声，水泵继续运转排水。同时还选用了1602液晶显示器动态显示液面距离传感器的距离。

2.2 系统硬件设计

矿井水位监控系统的硬件设计如图1所示，其主要包括电源电路、传感器、单片机、显示报警装置、水泵自动控制系统等。

图1 矿井水位监控系统硬件设计框图

本设计中监控传感器采用超声波传感器如下页图2所示，其原理主要利用超声波的固有特性研制而成。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，主要通过电压对换能晶片的激励产生振动。超声波具有频率高、波长短、方向性好等众多优点，当超声波遇到杂质或分界面时会产生发射形成发射回波，返回信号到接收器，因此只要计算出发送信号到接受信号所用时间就能计算出传感器距离反射物体的距离，其计算公式为 d=s/2=（c×t）/2，d 表示检测距离，s表示声波的往返路程，c表示声速，t表示声波往返所用时间。

本系统中单片机（见下页图4）采用STC12C5A60S2的P1.0、P1.1具有高灵活性的I/O用作传感器检测水位高低的信号输入端口，单片机通过软件程序的控制实时检测P1输入端口的电平信号，并根据输入信号情况执行相应的操作程序，分别通过P1.5、P1.6、P1.7三个端口输出不同的信号来显示水位情况，并驱动系统设定的声光报警装置进行显现提醒，根据水位情况决定是否驱动水泵的排水作业。

图2 传感器内部结构图

图3 单片机内部结构示意图

2.3 系统软件设计

如图4所示，水位监测报警系统主程序采用C51语言进行编程，程序由开始经初始化后，通过水位监测器将检测后的信号传送至单片机。接着单片机开始运行，如果单片机输入端口P1接收到的信号为OOH的话，则代表此时为低水位，此时单片机执行 P1.5=1、P1.6=1、P1.7=1、P1.2=0、P1.3=0、P1.4=0，则绿灯亮，红灯和黄灯不亮；如果读取的信号不是OOH，则程序跳转到下一个程序中，在此程序中如果单片机P1端口接收的信号为03H，则表示水位为中等水位，此时单片机执行 P1.4=1、P1.5=1、P1.7=1、P1.2=0、P1.3=0、P1.6=0，黄灯亮，绿灯和红灯均不亮，蜂鸣器不报警，水泵开始排水作业。如果P1端口收到的信号不是03H的话，程序继续跳转到下一个程序中；如果读取信号为07H的话，则表示水位为高水位，则单片机开始执行 P1.2=1、P1.4=1、P1.5=1、P1.6=1、P1.7=0、P1.3=0，此时红灯亮，绿灯和黄灯均不亮，水泵继续进行排水作业，蜂鸣器开始报警。假若单片机读取的信号均不是00H、03H和07H的话，则程序将直接跳转到初始化后，进入新一轮的信号读取。

图4 水位监测系统程序流程图

通过反复导入程序验证对系统软件进行调试，如发生异常将针对相应的故障程序进行修改，重新导入验证，反复调试后，最终实现相应控制功能。

3 应用情况及经济效益分析

假若发生矿井溢水事故的话，将发生车场被淹，轻则需要工人加班清理积水，重则将对车场的标准化建设造成严重影响。若主排水泵出现水位过低情况的话，不仅降低了水泵的使用寿命，而且严重的还会直接烧毁水泵主轴，造成水泵报废，将损失上万元资金。

安装水位监测自动控制系统后，不仅大大降低了水泵操作人员的劳动强度，有效提升了主排水泵的高效性和安全性，而且避免了因人为的疏忽而诱发的主排水泵事故。同煤集团各矿井通过安装水位监测控制系统后，有效杜绝了因水位过高或过低而造成的机电事故，取得了良好的社会效益。该系统运行稳定，功能强大具有良好的推广应用价值。