抽水泵的PLC控制系统毕业设计(论文)

继续教育学院毕业设计（论文）题目：抽水泵的PLC控制系统设计

院、系(站)：机电工程系

学科专业：机电一体化

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2013年 09月

抽水泵的PLC控制系统设计

摘要

基于PLC的矿井排水监控系统现场控制部分是为了煤矿安全和正常生产而进行的各种有关参数或状态的集中监测，并对有关环节加以控制，是保护、采掘、运输、通风、排水等主要生产环节安全运行的重要设施。本文主要介绍了一种基于西门子S7-300 PLC的煤矿井下排水泵自动控制系统的设计方法和思路。西门子S7-300 型PLC 给出了煤矿井下排水系统的传感器及执行机构的配置方案、通信网络结构和系统功能设计，实现了对水泵进行自动控制，水位监测、自动启停水泵、故障自诊断等功能；同时也实现了水泵运行的合理调度，提高了设备利用率，达到了节能增效的效果，并能与上位机通讯，实现远程控制和在线监测，提高了煤矿自动化水平和安全性。

关键词：水泵； PLC；自动控制；利用率；远程控制

目录

1 煤矿井下排水泵自动控制系统的工作原理及组成 (1)

1.1 概述 (1)

1.2 工作原理 (1)

1.3 系统组成 (2)

2 控制系统结构设计 (5)

2.1 系统总体结构 (5)

2.2 控制系统网络设计 (5)

2.2.1 现场级控制网络 (5)

2.2.2远程监控网络 (5)

2.3控制系统功能设计 (6)

2.4 控制系统可靠性设计 (8)

2.4.1 设备可靠运转保障 (8)

2.4.2 传感器可靠性保障 (8)

2.4.3通信可靠性保障 (8)

2.5 控制系统程序设计 (8)

2.5.1 PLC 程序设计 (9)

2.5.2 组态软件程序设计 (10)

3 PLC井下排水自动控制系统 (12)

3.1 PLC井下排水自动控制系统的技术 (12)

3.2 PLC井下排水自动控制系统分层 (12)

3.3 影响PLC控制系统稳定的干扰因素 (14)

3.4 PLC控制系统的抗干扰措施 (14)

4 结束语 (16)

致谢 (17)

参考文献 (18)

1 煤矿井下排水泵自动控制系统的工作原理及组成

1.1 概述

随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。当然煤炭行业也不例外，但是目前许多矿井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均需人工完成，完全依赖于工人的技术、经验和责任心，也预测不了水位的增长速度，做不到根据水位和其他参数在用电的峰谷期自动开停水泵，这将严重影响煤矿自动化管理水平和经济效益，同时也容易由于人为因素造成各种安全隐患。

在煤矿矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井，为保证煤矿的生产安全，必须及时将涌出的矿井水快速地排放到地面，矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水，因此煤矿主排水系统能否正常运行直接关系到矿井的安全生产。因此，矿井排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，排水泵的安全可靠运行对保证矿井安全生产起着非常重要的作用。

目前，矿井排水系统普遍采用人工操作，存在着人员劳动强度大、电机启停时间长、水泵运行效率低等诸多问题，如何实现煤矿井下排水泵的自动控制和无人值守，并满足煤矿生产调度综合自动化的要求，便成为当前急需解决的问题。针对当前煤矿排水系统的实际情况，本文提出一种实现煤矿井下主排水系统的设计方案，并对其工作原理和结构做一扼要介绍。

1.2 工作原理

煤矿井下排水泵自动控制系统通过检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度水泵正常运行。系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、

电机温度、轴承温度、排水管流量等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可节省水泵的运行费用。

1.3 系统组成

整个自动控制系统由数据自动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障记录报警和通讯接口等5个部分组成。

（1）数据自动采集与检测

数据自动采集与检测主要分为两类：模拟量数据和数字量数据。

模拟量检测的数据主要有：水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3趟排水管流量；数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力。

数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。

在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（A/D转换），其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的2倍以上，这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。A/D变换的精度取决于A/D变换器的位数。如5V电压要求以5mV精度变换时，精度为5mV/5V=0.1%,即

1/1000十进制的1000用二进制表示时要求为10位,而本系统所采用的A/D模块分辨率为16bit,其精度在±0.05%以上，该精度等级足以满足控制系统要求。同时，PLC所采用的A/D模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化，适用于噪音严重的工业场所。

（2）自动轮换工作

为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了5台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，记录事故，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。

（3）自动控制

系统控制设计选用了西门子S7-300型PLC为控制主机，该机为模块化结构，由PLC 机架、CPU、数字量I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段（时间段可根据实际情况随时在触摸屏上进行调整和设置）等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制水泵运行。

为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，因此，系统设置了两套水位传感器，模拟量和开关量传感器，两套传感器均设于水仓的排水配水仓内，PLC将接受到的模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，同时检测井下供电电流值，计算用电负荷率，根据矿井涌水量和用电负荷，控制在用电低峰和一天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。

（4）动态显示

动态模拟显示选用日本Digital公司的GP-570T型触摸式工业图形显示器（触摸屏），系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和压力值。用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高

段水位分段报警，用不同音响形式提醒工作人员注意。

采用图形、趋势图和数字形式直观地显示3趟管路的瞬时流量及累计流量，对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下端循环显示最新出现的3条故障（故障显示条数可在触摸屏上设置），以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。

（5）通讯接口

PLC通过通讯接口和通讯协议，与触摸屏进行全双工通讯，将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至PLC，控制水泵运行。PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机，与全矿井安全生产监控系统联网，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控，并为矿领导提供生产决策信息。触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意。

2 控制系统结构设计

2.1 系统总体结构

系统采用现场层(远程IO)、控制层(PLC)和管理层(上位机)组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。上位机利用友好的人机界面实现人机对话和远程监控功能，PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程IO实现现场数据的采集和上传，通过专门的控制网络实现数据交换和统一调度控制。其中控制层主要由PLC控制柜构成，是整个排水系统的控制核心，PLC控制柜由PLC、触摸屏、检测部分(模拟量和开关量监测采集)、执行部分等组成。

PLC控制柜中的核心部分是PLC模块，用于完成对于监测量的处理、运算和存储，并根据监测结果进行逻辑处理，控制水泵及附属设备启停。为保证控制器的可靠性，系统选用德国西门子生产的S7-300系列PLC作为主要控制单元，考虑到现场设备比较分散，就地控制箱采用远程I/O的方式进行数据采集及控制，并通过现场总线同CPU 模块进行数据交换。系统为实现对设备状态、就地控制命令采集、输出控制指令、设备逻辑控制等功能，主PLC配置了2块32路数字量输入模块和2块16路数字量输出模块，远程I/O配置1块32路数字量和1块16路数字量输出模块。主PLC还配置了1块模拟量采集模块完成对水位的监测，远程I/O部分配置1块模拟量采集模块完成对压力、负压及流量的监测。为便于现场对水泵的半自动控制，系统配置了触摸屏，可实现实时动态显示水泵当前状态，并为用户提供水泵控制的平台。

2.2 控制系统网络设计

2.2.1 现场级控制网络

排水系统监测参数及参控设备较多，采用传统的PLC控制系统接线复杂、可靠性低且维护困难。因此，系统采用现场总线实现设备层和控制层的连接。系统设计了现场总线网络，主要用于数字量输入/输出、模拟量输入/输出等小数量级的快速循环通信，将现场网络配置成Profibus-DP网络，采用西门子的ET200分布式I/O进行现场设备的数据采集及控制。

2.2.2 远程监控网络

在PLC控制柜与设在矿调度室的上位机之间建立了工业以太网，用于实现现场控制层与上位机之间的数据交换。控制层PLC统一采用了西门子的S7-300系列PLC进行配置，网络结构简单清晰，避免了异构网络互连时必须安装相应网关的缺点。系统选取西门子的S7-300系列以太网通信模块CP343-1，利用该模块可以方便地实现PLC与监控中心之间的以太网通信。为保证信号的可靠传递和防止电气干扰对通信的影响，系统采用以太网与光纤传输技术实现控制PLC与调度中心上位机之间的通信。

2.3控制系统功能设计

针对当前许多煤矿排水泵控制自动化水平不高、主要以人工控制为主，开发出一套以PLC 为核心的井下泵房自动控制系统，主要实现以下功能：

（1）PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。

（2）系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。

（3）系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动就近的真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便自动启动备用真空泵。

（4）系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电

网运行质量。

（5）PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。

（6）在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能。

（7）系统具有通讯接口功能，PLC可同时与触摸屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现遥测遥控功能。

（8）系统保护功能有以下几种。

·超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC实现超限报警。

·流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。

·电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控制。

·电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。

（9）系统控制具有自动、半自动和手动检修3种工作方式。自动时，由PLC检测水位、压力及有关信号，自动完成各泵组运行，不需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择某台或几台泵组投入，PLC自动完成已选泵组的启停和监控工作；手动检修方式为故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组将自动退出运行，不影响其它泵组正常运。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。

2.4 控制系统可靠性设计

排水系统是否能可靠运行直接影响着煤矿生产和人员安全，为提高控制系统的可靠性，针对传统控制系统的不足，系统从设备本身、传感器、通信网络等各方面设计了可靠性保障措施。

2.4.1 设备可靠运转保障

设备可靠运转是安全排水的前提，针对现场实际情况，该系统开发了排水系统控制软件的辅助管理模块，对设备进行统一的管理。依据设备运行情况，监控软件的设备辅助管理模块读取相应数据后进行逻辑处理，给出维护意见，从管理上来弥补设备本社在可靠性上的不足。

2.4.2 传感器可靠性保障

排水系统采用了多种传感器，传感器的可靠性直接影响着系统的整体可靠性。不同的传感器对系统的影响也不尽相同，根据影响范围的不同，系统将传感器分为全局型和局部型。其中全局型传感器为液位传感器，它的可靠性关系到整个系统安全排水的实现，其余传感器主要反映单台泵的运转工况，属于局部型。系统中的全局型传感器采用冗余设计，而对于局部型传感器则采取自诊断方式确定其故障类型并报警，提示工作人员进行维护或者更换。

2.4.3通信可靠性保障

控制PLC与上位机之间的通信故障判别采用校验码与状态位相结合的方式，其中校验码判断数据传输的正确性，状态位判断传输通道的通畅性，如果状态位不正常时表明通信通道中断，启用备用通讯网络。

2.5 控制系统程序设计

控制系统程序的设计主要基于控制要求和具体控制方案的实现。本系统程序设计包括PLC 程序设计和组态软件程序设计两大部分。

2.5.1 PLC 程序设计

PLC 程序设计采用STEP 7 软件编制。STEP 7软件是用于西门子S7-300/400 型PLC 创建可编程逻辑程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制。S7 系列PLC包括一个供电单元、一个CPU，以及输入和输出模块(I/O 模块)。PLC 应用STEP 7软件编制的S7 程序监视控制整个系统，并通过地址寻址寻找I/O 模块，实现数据的输入输出。

PLC 编制程序时首先作硬件组态。其主要任务就是在STEP 7 中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统,生成网络、网络中各个站的机架和模块,以及设置各硬件组成部分的参数,即给参数赋值。硬件组态确定了输入/输出变量的地址,为编制顺序控制程序打下了基础。

然后根据手动、半自动、自动控制的方式选择，进入相应的程序流程。整个程序主要包括运行前水位和供电状态检测、正常启停泵组、运行中参数检测和故障报警、故障停泵等模块，程序流程如图1 所示。STEP 7软件通过建立在线连接下载程序到PLC 以对编制好的程序进行调试，可实现程序的运行状态监视、强制性数据变更和输入输出信号的强制开/关等。

图 2-1控制程序流程图

2.5.2 组态软件程序设计

组态软件编程主要用于生成人机交互界面，以便进行实时监控。本系统应用西门子公司的WINCC自动化监控软件进行程序设计，可以生成标准化输入/输出域、棒图、

趋势图、光栅和矢量图，且具有动态性能的属性，可进行便捷的过程可视化,并提供集成的消息和报警系统。

编制的人机界面主要有控制画面、参数显示画面及故障报警记录等状态信息，编程框图如图2 所示。操作员可通过触摸屏进行系统的控制方式选择以及各项检测参数的显示，实现了整个控制过程的可视化。并且可以通过通讯同步到地面上位机，实现远程控制与监测。

图 2-2组态软件编程框图

3 PLC井下排水自动控制系统

3.1 PLC井下排水自动控制系统的技术

可编程控制器(PLC)，是一种数字运算操作的电子系统，向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能，且同一台PLC还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同控制的控制要求，具有很大的灵活性和通用性。PLC的输入、输出电路一般用光电祸合器来传递信号，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，具有可靠性高、抗干扰性强的特点。此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接。

3.2 PLC井下排水自动控制系统分层

整个系统可分为3 个层次：地面监控主站层;以PLC为核心的控制及通讯管理层;机械设备层。

·地面监控主站层

主要由工控机、监控组态软件、工业电视监控系统等组成，通过光缆与井下PLC、防爆型网络摄像机连接。工控机通过组态软件可以实时显示由井下PLC采集并传输的主排水泵的运行参数，并存储相关记录，操作人员也只需在地面生产指挥中心采用鼠标操作，就可以实现对各泵组的控制；工业电视和硬盘录像机可实时显示、记录井下状况。

·控制及通讯管理层

由PLC和触摸屏组成的数据采集终端及数据处理系统、电控设备、数据交换设备、信号采集装置等组成。PLC负责完成信号处理、逻辑判断、故障诊断和参数记忆等功能。通过数据采集、模块采集水位信号决定泵是否开启以及开启台数，然后根据选择的控制方式按流程启动泵组，此时数据采集模块将采集供电电源、电机、水泵的各项参数，如：检测开关的带电状态、电机定子温度、轴承温度、泵出水口压力、主排水管流量、

水泵前后轴温度等。各参数将在触摸屏上显示，并且通过数据交换设备传输到地面监控主站。控制原理如图3 所示。

图 3-1水泵自动控制系统原理图

·机械设备层

煤矿排水系统主要设备包括电机、水泵、吸水管道、排水管道、管道阀门等。该自动控制系统是基于原煤矿排水系统的设计，只需在原有排水系统设备的基础上进行部分改动。除在电机、水泵和管道上做部分机械结构的改动以满足传感器的安装需要外，主要是对原有排水阀门、注水阀门更换为电动可控阀门；加装为水泵注水的射流泵或为泵抽真空用的真空泵以满足水泵启动的需要。为保证安全性，防止自动控制系统出现故障时不能正常启动泵组排水，不破坏原排水系统结构形式，保留原始人工操

作方式。该系统的主要功能是通过触摸屏组态画面的切换，对现场各运行参数进行检测、设定和动态监视，完成历史数据归档及异常信号的报警，并通过检测水仓水位和其它参数，实时控制水泵工作与适时启动水泵，合理调度水泵运行。

3.3 影响PLC控制系统稳定的干扰因素

PLC作为一种自动化程度高、配置灵活的工业生产过程控制装置。因为其本身的高可靠性，它的应用场合越来越广，环境越来越复杂，所受到的干扰也越来越多。在PLC控制系统中，就PLC本身来说，其薄弱环节在I/O端口。来自电源波形的畸变、现场设备所产生的电磁干扰、接地电阻的耦合、输入元件触点的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。研究影响PLC控制系统的干扰因素，对于提高PLC 控制系统的抗干扰能力和可靠性具有重要作用。

对PLC的干扰的产生过程主要有三个因素组成：(1)电源引入的干扰。雷电冲击、开关操作、大型电力设备启停等，都有可能会影响系统的正常运行，造成PLC系统故障。(2)I/O信号线引入的干扰。在使用PLC组成控制系统时，要连接大小设备和各种通信线路，这样就有可能会发生各种各样的电磁干扰环境，影响PLC系统的运行。(3)接地线引入的干扰。若接地线处理混乱或是电线上的电位分布不等，则会电路的正常运行，有可能在成数据换乱，信号失真。

3.4 PLC控制系统的抗干扰措施

对PLC的干扰的产生过程主要有三个因素组成，相应地对抑制所有电磁干扰的方法也从这三个要素着手解决。(1)最大限度地抑制干扰源。电源系统的抗干扰措施是为了抑制电网电压的波动及畸变对系统电源产生的干扰，可采用使用隔离变压器或者使用低通滤波器的措施来解决。另外，也可以使用交流稳压电源来增大抗干扰能力或使用在线式不间断供电源(UPS)来作为PLC控制系统的理想电源。(2)阻隔祸合通道或衰减干扰信号。输入端有感性负载时，在交流信号输入负载两端并联RC浪涌吸收器或压敏电阻RV；在直流信号负载两端并联续流二极管VD或压敏电阻RV或稳压二极管

VX或RC浪涌吸收器等。在使用多芯信号电缆时，要避免I/O线和其它控制线共用同一电缆。(3)降低系统本身对电磁噪声的灵敏度，提高自身抗干扰能力。

4 结束语

井下排水技术在煤矿的开采中的重要性和井下水资源的缺乏利用以及人工控制井下排水系统的种种弊端决定了井下排水自动控制系统研究的重要性。基于可编程控制技术的煤矿井下排水自动控制系统是利用当前优秀的工业控制技术精心研究与开发而成的，它具有许多传统控制系统无法比拟的优点，PLC控制系统得到了广泛的应用和具有广大的发展前景，但是PLC系统在井下排水自动控制系统中的应用还存在着一些问题需要，这需要我们做进一步的研究和实践，并最终解决问题。

以西门子S7-300 型PLC 为核心的水泵自动控制系统，通过合理的程序设计和对原排水系统的改进，实现了根据水仓水位的高度、水位变化速度及用电避峰填谷原则，自动启动水泵进行排水，减轻工人劳动强度，增强井下排水的可靠性。同时也实现了水泵运行的合理调度，提高设备利用率，节能增效。

自动控制系统采用了技术先进的西门子S7-300 型PLC，性能稳定，故障率低，且具有完备的故障诊断和保护功能，保留的人工控制方式可在PLC控制系统故障时正常启动水泵。通过西门子触摸屏TP270，可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。系统的通讯功能还可实现远程监控。总之，该系统的使用必将提高煤矿生产的自动化水平，对矿井安全生产具有重要意义。