井下排水控制系統(tǒng)設計及應用

韓 明 孫京誥

(鄒城市質量技術監(jiān)督局1，山東 鄒城 273500;化工過程先進控制和優(yōu)化技術教育部重點實驗室2，上海 200237)

0 引言

煤礦生產的地質結構復雜，大氣降水、地表水、斷層水、開采用水等流入巷道或工作面，若不及時排出，往往容易誘發(fā)透水事故，淹沒巷道，危及井下生產安全。目前，井下排水主要有繼電器控制排水和PLC控制排水兩種方式。水泵的開停、調節(jié)和切換均由人工完成，自動化程度低、處理緊急情況的效果差，存在很大的安全隱患。因此，基于嵌入式技術的排水控制得到了廣泛的研究和應用，如馬勝利采用ARM技術實現(xiàn)了水泵的開關自動控制［1］。

本文設計了基于ARM技術的排水控制系統(tǒng)，并加載智能控制算法，用以解決復雜控制問題。系統(tǒng)集控制、監(jiān)測、運算于一體，具有安全性和可靠性高、操作靈活、顯示直觀、數(shù)據處理和分析存儲能力強以及組網方便等特點。

1 排水系統(tǒng)簡介

煤礦井下智能排水系統(tǒng)主要包括控制器、水泵控制驅動器、各類傳感器和電動閥門。

基于ARM和WinCE的控制器是系統(tǒng)控制的核心，負責各種傳感器參數(shù)的采集、顯示和傳遞，以及向水泵驅動控制器發(fā)出控制指令等。水泵驅動控制器負責向電動閥門發(fā)出開關命令，控制水泵的運行。傳感器負責采集水位、流量、水泵出口壓力以及水溫等信息。

水泵配備控制驅動器和交流電機，每6個水泵作為一個排水控制單元。其中3個水泵處于工作狀態(tài)、2個水泵處于備用狀態(tài)、1個水泵作為檢修水泵。在正常情況下，3個水泵處于工作狀態(tài)，在用電高峰時維持水倉水位最低(設定值)。

水泵綜合控制器實時采集水位信息，并傳遞給控制器?？刂破骰贏RM和WinCE(內置智能控制算法)，根據水位的變化情況控制水泵開啟和電機的變頻，將水倉水位維持在最低設定水位。在用電谷段，由控制器發(fā)出排水指令，全力進行水倉的排水作業(yè)。控制器可根據采集水泵的軸承溫度、震動等狀態(tài)參數(shù)，提前發(fā)現(xiàn)水泵運行故障，并自動切換正常水泵，以降低故障率，延長水泵的工作時間。

2 井下排水系統(tǒng)的硬件設計

2.1 基于ARM和WinCE的控制器

控制器基于ARM和WinCE，主要負責傳感器參數(shù)的接收和處理、控制指令的發(fā)出、信息的聯(lián)網傳輸?？刂破髦骺匦酒x用三星公司的S3C2440A芯片，16/32位內核，主頻達到405 MHz，配備64 MB SDRAM、256 MB Nand Flash Memory，提供1個100 Mbit/s網絡 RJ-45接口、3個串口、1個 RS-232接口、2個 RS-485接口?？刂破麟娐泛唵?、工作電壓低，具備較強的本質安全性能［2］。

控制器結構如圖1所示。

圖1 控制器結構圖Fig.1 Structure of the controller

控制器采用嵌入式WinCE操作系統(tǒng)。WinCE的內核小巧、移植性好、運行穩(wěn)定、開發(fā)平臺成熟，廣泛應用于嵌入式控制系統(tǒng)中。微軟提供基本的底層驅動軟件包(board support package，BSP)、BootLoader、標準開發(fā)板電路，并提供了大量源碼。這些源碼只需進行簡單修改，就可以應用于工程。WinCE 6.0系統(tǒng)針對工業(yè)控制應用進行了針對性修改，提高了設備實時響應性能;通過定義任務優(yōu)先級等方式對實時任務進行優(yōu)先級處理，能夠滿足大部分控制應用。對實時性要求高的控制，也可以通過選擇合適的驅動芯片進行功能擴展。

控制器具備多種接口，可連接各種傳感器，采集水泵流量、水位、水溫、真空度、功率等參數(shù)信息，通過以太網接入煤礦井下工業(yè)以太干網，實現(xiàn)對水泵運行的遠程監(jiān)控。控制器作為控制、檢測、傳遞數(shù)據的核心，在加載智能算法后，可根據水位等實時信息，求解最優(yōu)控制方案;并通過調節(jié)驅動設備實現(xiàn)對多個排水水泵的開關和電機控制等，從而實現(xiàn)水位的智能控制。

2.2 信息聯(lián)網傳送

CAN總線通信速率高、擴展能力強、成本低［3］，被廣泛應用于煤礦生產監(jiān)測和控制系統(tǒng)。如魏士杰、潘宏俠等設計了基于單片機和CAN總線的瓦斯報警裝置。該裝置使用CAN總線進行實時數(shù)據的傳輸［4］，數(shù)據傳輸快速、準確。胡慶新、李冬研究了基于CAN總線的控制系統(tǒng)遠距離傳輸［5］。經仿真試驗證明，CAN總線信息傳輸穩(wěn)定可靠。CAN總線已經成為礦用局域網的首選技術，排水系統(tǒng)通過CAN總線與井上綜合控制中心進行信息的通信。ARM支持RS-232串口通信。本文通過轉換電路和外接轉換器的方式，實現(xiàn)了RS-232、RS-485、CAN總線三者之間的信息傳遞。RS-485串口抑制共模信號干擾能力強，傳輸信號穩(wěn)定、快速，是煤礦井下電氣設備主要的接口形式［6］。RS-485經TNode-485型CAN和RS-485信號轉換器，可以將信息轉換為CAN上的信息。

2.3 KDK8多功能驅動器

水泵智能控制流程如圖2所示。

圖2 水泵智能控制流程Fig.2 The intelligent control flowchart of water pump

KDK8型多功能驅動器采用隔爆兼本安技術設計，適用于存在瓦斯、粉塵等危險環(huán)境，可為排水水泵提供驅動電力，并能實現(xiàn)I/O信息采集、數(shù)據的上傳以及基本的控制。KDK8多功能驅動器配備RS-485串口和CAN接口。驅動器主要有兩個功能:一是采集水位等信息，經CAN總線傳送給控制器;二是接收控制器的控制指令，經RS-485傳送控制指令，驅動水泵、電子閥門的運行。

煤礦井下采用離心式井下水泵，KDK8型多功能控制器具備離心式井下排水泵啟動、關閉的自動控制功能和水位采集、上傳的功能。啟動水泵要滿足兩個條件:一是入水口形成真空，產生排水引力;二是出水口閥門關閉，減小水泵電機的啟動功率。當達到設定的水位上限或接收到控制器水泵啟動命令后，KDK8型多功能控制器自動調節(jié)入水口達到真空，關閉出水管口閥門，啟動水泵電機。當水位降到下限或接收到控制器關閉水泵的命令時，KDK8型多功能控制器關閉閥門和水泵電機。

3 井下排水系統(tǒng)的軟件設計

3.1 井下排水系統(tǒng)的監(jiān)控

控制器采用微軟WinCE 6.0作為系統(tǒng)平臺，支持Windows臺式機系統(tǒng)的串行通信標準函數(shù)。WinCE對串口的操作簡便，其操作方式類似于文件的讀寫，可實現(xiàn)串口的開閉和數(shù)據的傳送、接收等功能。主要串口操作函數(shù)有:CreateFile、SetCommState、ReadFile、WriteFile、CloseHandle?？刂破魍ㄟ^水泵綜合控制器連接各類傳感器采集水位、流速、軸承溫度等參數(shù)信息，并將采集到的數(shù)據存入數(shù)據庫或傳送到上位機。當水位超過限定值時，控制器發(fā)出報警信號;當流速低于設定值時，則報警提醒;當軸承超過設定溫度時，則根據設定進行水泵自動切換。

3.2 井下排水系統(tǒng)的運行

井下涌水的大小受礦區(qū)地質、水文、地形、開采用水等因素的影響，水位時刻變化，情況復雜。煤礦井下排水多采用大功率水泵，耗電量大，約占煤礦總耗電的17.5% ～40.9%，有的甚至超過 60%［7］，而在工作時間進行排水往往影響正常的生產用電。因此，采用“分時用電、錯峰運行”的方式，科學控制水泵的開關和運行，提高水泵效率，這對排水系統(tǒng)高效低耗、經濟可靠運行具有重要意義。當采用“避峰填谷”水位調度方法時，在用電峰段，排水系統(tǒng)需要對水倉水位進行上限控制，使水位維持在水倉的最大水位。井下臨時儲水的水倉有很多個，各水倉的最大儲水上限各不相同。各水倉的水位隨著地表滲水、大氣降水、采礦排水等的變化而變化，各水倉之間也互相影響。對多個水倉水位進行控制實際是一種多變量耦合控制的問題。傳統(tǒng)控制算法需要建立控制模型，多變量耦合控制存在很強的非線性，采用經典控制方法往往效果不好。本文采用基于粒子群權值修正的PID神經元網絡控制算法(particle swarm optimization-PID neural network，PSO-PIDNN)進行了3 個水倉水位的解耦控制［8-10］，實現(xiàn)了對水位的精確控制。PSO-PIDNN算法仿真效果如圖3所示。

圖3 PSO-PIDNN算法控制仿真效果圖Fig.3 Simulation of PSO-PIDNN control effect

排水泵房避峰填谷用電是常用的節(jié)電方式，常規(guī)方式是在用電峰時段(8:00～11:00、13:00～18:00、19:00～22:00)停止排水或用單臺泵排水，用電谷時段集中排水。這種方式需要用水單位在用電峰段減少用水，并配備足夠的井下水倉，確保有效容積儲水。在發(fā)生突發(fā)透水情況時，要求值守人員能及時發(fā)現(xiàn)，并啟動其余水泵進行集中排水。若值守人員未及時發(fā)現(xiàn)水位上升，將會影響生產安全。本文設計的井下排水控制系統(tǒng)運行流程圖如圖4所示。

圖4 排水系統(tǒng)控制流程圖Fig.4 Control flowchart of drainage system

在用電峰段，將水倉水位控制在設定值。當水位上升超過設定水位時，則啟動水泵進行排水。在用電谷段，啟動其余工作狀態(tài)的水泵，全力進行排水，將水位降至最低。煤礦井下排水系統(tǒng)主要實現(xiàn)排水系統(tǒng)的運行監(jiān)控和水泵的智能控制兩大功能。分時段水倉水位如圖5所示。

圖5 分時段水位圖Fig.5 Summary of water level records

控制器顯示屏和井上綜控操作臺可實時模擬顯示水倉水位、水泵流量、水泵內壓、電動機轉速、閥門開閉狀態(tài)以及軸承溫度等信息。通過CAN總線，可以方便快捷地共享監(jiān)測數(shù)據。井下水泵控制器提供基本功能函數(shù)，管理人員可以設置自動診斷功能，實現(xiàn)水泵的自動切換。水泵控制系統(tǒng)提供的主要診斷保護功能如下。

①流量保護［11］。當水泵運行時，若流量達不到正常值，則停止該臺水泵運行，并切換至其他水泵，將故障信息存儲并上傳。

②溫度保護。當水泵電機和驅動溫度超過設定值時，停止該水泵運行，輪換其他水泵。

③工作水泵和備用水泵的輪換運行。備用水泵主要在工作水泵發(fā)生故障或突發(fā)透水時使用，長期閑置會造成電路腐蝕、損壞。系統(tǒng)進行定期的水泵輪換，即防止水泵因連續(xù)使用而損壞，也可及時發(fā)現(xiàn)備用水泵問題，進行提前診斷。

4 結束語

本文設計了基于ARM技術的井下排水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動監(jiān)測和智能控制功能，可實現(xiàn)多臺水泵的運行監(jiān)控與水泵間的自動切換。通過加載智能算法，系統(tǒng)能夠精確控制井下水位，并根據用電峰谷，科學調度水泵運行;在用電高峰控制水位在高限，用電谷段進行全力排水，以實現(xiàn)“分時用電、錯峰排水”，滿足煤礦井下實際應用需求。仿真表明，該系統(tǒng)具有抗干擾能力強、可靠性高、操作靈活、顯示直觀、數(shù)據處理和分析存儲能力強大、組網方便的特點，可以滿足煤礦井下多水泵監(jiān)測和控制需要，具有較高的實際應用價值。

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