煤礦井下自動排水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

劉映群

（廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學院，廣東省廣州市，510663）

近年來，隨著煤礦安全生產(chǎn)意識的不斷提高，煤礦井下的排水問題也越來越受到廣泛的關(guān)注。目前，主要存在兩種井下排水方式：一種是繼電器手動控制方式，該種方式主要由人工來控制水泵的開停及選擇切換，因此對人的素質(zhì)有著較高的要求，如果相關(guān)人員嚴重缺乏責任心，就極有可能造成水泵吸空或積水溢出等諸多嚴重后果；另一種是PLC+變頻器控制方式，該種方式主要是通過交流電機來啟動水泵，進而實現(xiàn)排水的目的。與第一種方式相比，這種方式具有自動化程度高、操作便捷和運行可靠等優(yōu)點，然而，這種設(shè)備的價格相對昂貴，很難在全國的中小煤礦企業(yè)中普及。因此，本文依托ARM 嵌入式技術(shù)研究了一種新型的煤礦井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有安全性好、可靠性高、穩(wěn)定性好以及價格相對便宜等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)地面監(jiān)控中心遠程實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)液位傳感器自動檢測水位信號并自動控制水泵啟停。

1 我國煤礦排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 煤礦排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1.1 煤礦企業(yè)排水系統(tǒng)仍過多采用繼電器系統(tǒng)

目前，我國仍有較多煤礦企業(yè)采用繼電器形式的排水機械系統(tǒng)，繼電器系統(tǒng)有著較為龐大的體積，如果需要調(diào)整或維修，需要耗費大量的人力和物力，而且它的安全性能系數(shù)較低，如果操作不當，就極容易引發(fā)安全事故。同時，繼電器形式的排水機械系統(tǒng)采用的是較為普通的直接電機啟動方式，使用這種啟動方式會瞬間給其它機械系統(tǒng)以及整個電網(wǎng)造成巨大的沖擊力，進而導致電流的紊亂，降低電機的使用壽命，影響最終的排水效果。此外，與其它系統(tǒng)相比，在涌水量和水位方面缺乏準確的數(shù)據(jù)定位，操作難度較大，操作故障系數(shù)較高。因此從長遠的角度講，淘汰或更新繼電器系統(tǒng)是實現(xiàn)我國煤礦企業(yè)安全發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的必然舉措。

1.1.2 煤礦企業(yè)排水機械控制仍過多采用手工操作模式

當前我國煤礦企業(yè)井下排水現(xiàn)狀相對較差，這與采用傳統(tǒng)的手工操作模式有關(guān)。所謂手工操作模式，就是由人工來控制水泵的開與關(guān)，在手工操作的環(huán)境中，離心式水泵是排水系統(tǒng)中的主要系統(tǒng)。因此，無論是泵站設(shè)備的啟停還是狀態(tài)的監(jiān)測，都是根據(jù)已有的操作規(guī)程以及工人的經(jīng)驗來完成。手工操作模式存在對人的依賴性大、操作工序繁雜、勞動強度高和容易存在安全隱患等缺點，不適應礦井自動化和信息化的要求。因此，手工操作模式是煤礦企業(yè)排水設(shè)計過程中必須及時解決的問題。

1.2 煤礦排水系統(tǒng)存在的主要問題

1.2.1 系統(tǒng)監(jiān)控不集中

在煤礦生產(chǎn)過程中，設(shè)備監(jiān)測發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，而這種作用要想得到最大限度地發(fā)揮，需要實現(xiàn)集中監(jiān)控。目前，我國礦井監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)是與整套系統(tǒng)同步進行的，如供電系統(tǒng)、提升運輸、瓦斯監(jiān)測等監(jiān)控對象，其監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)方式不盡相同，且針對不同的監(jiān)控對象往往會采用不同的開發(fā)手段。這必然會帶來系統(tǒng)之間難以通用或者互不兼容的問題。在這種情況下，根本無法實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)的集中監(jiān)控，而遠程集中監(jiān)控更是難以實現(xiàn)。因此，排水系統(tǒng)不能集中監(jiān)控是目前我國煤礦井下安全生產(chǎn)中普遍存在的問題。

1.2.2 控制策略不得當

一般情況下，礦井涌水問題可能由一種或幾種因素造成，基于成因的復雜性，通常很難對此問題進行準確地預測。在這種情況下，控制策略就顯得尤為重要。然而，如果只是單純地依靠實際涌水量，很難設(shè)計出一套可靠的排水系統(tǒng)數(shù)學模型，也無法選擇一種適當?shù)目刂撇呗?。因此，現(xiàn)實中為了簡化問題，排水系統(tǒng)大多采用水位開關(guān)控制策略，這種策略根本無法應對現(xiàn)實的需要，當遇到較為復雜的排水問題時，基本失去作用。

1.2.3 監(jiān)控參數(shù)不確定

現(xiàn)如今，隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，各類傳感器不斷涌現(xiàn)，這為礦井排水工作提供了有利的條件。因此，在礦井排水過程中，使用傳感器的數(shù)量越來越多。但是，過多的傳感器既提高了安裝難度，也增大了工作量，同時也給系統(tǒng)監(jiān)控提出了新的難題。其實，并不是使用傳感器的數(shù)量越多越好，當能滿足實際工作需要時，應盡可能地減少傳感器的使用數(shù)量。更為重要的是，應合理確定監(jiān)控參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)數(shù)量的最優(yōu)化。

2 基于ARM 技術(shù)的嵌入式自動排水系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動排水系統(tǒng)工作機制

2.1.1 水泵的啟動

在實際應用中，水倉水位可以通過啟動水泵的方式來控制，水泵通過水位傳感器對水位高度進行檢測，并將檢測的數(shù)值與預先設(shè)定的數(shù)值相比較，以此來決定是否開啟水泵。如果檢測數(shù)值大于或等于預定數(shù)值，則表明需要對離心式水泵進行注水，這時就需要嵌入式控制系統(tǒng)輸出I／O 信號，接通控制射流泵的電磁閥的線圈，進而啟動水泵。水泵入口處的真空度會在射流泵的作用下而不斷增加，直至達到特定數(shù)值才會停止。而伴隨著真空度的增加，配水井中的水會在大氣壓的作用下不斷注入泵腔，直至注滿為止。

在水泵入口處，一般都會有一個真空表，主要用于反饋相關(guān)的注水信息。當嵌入式控制系統(tǒng)接收到這些信息時，會做出相應的判斷，并決定是否啟動水泵。如果需要啟動，嵌入式控制系統(tǒng)會通過接觸器和繼電器使電機的常開觸點處于接通狀態(tài)。隨著電機的啟動，水泵出口處的壓力也會隨之增加，直至達到特定數(shù)值時停止。

2.1.2 水泵的運行

嵌入式控制系統(tǒng)會接收到來自壓力傳感器和變送器反饋的水泵出口壓力的信息，并將接收到的信息與預定值相對比。如果達到開啟水泵的條件，就可通過接通電磁換向閥的方式來啟動水泵的閘閥，實現(xiàn)水泵的正常運轉(zhuǎn)。與此同時，射流泵也會隨之關(guān)閉。

在水泵的運行過程中，需要對水泵機組的各個參數(shù)進行監(jiān)控，而這種監(jiān)控通常需要借助于電動機電流、出口壓力值、水泵入口真空度值、管路流量等傳感器反饋的一些信息，并依據(jù)這些參數(shù)的數(shù)值及變化趨向判斷出水泵的運行狀態(tài)。

2.1.3 水泵的停止

（1）正常的停止。在水泵抽水過程中，水倉的水位會隨之下降，并直至安全水位以下。當水位到達安全水位以下，嵌入式控制系統(tǒng)會接受到相關(guān)信號，并依此來決定是否關(guān)閉排水設(shè)備。待系統(tǒng)發(fā)出開關(guān)信號以后，電磁換向閥首先會斷電換向，缸控閘閥也隨之關(guān)閉。在關(guān)閉的過程中，水泵出口處的壓力會逐漸增大，直至閘閥完全關(guān)閉。與此同時，系統(tǒng)又會向水泵電機繼電器的常開觸點發(fā)送I／O信號，當接收到該信號時，常開觸點會進行斷電，使水泵停止工作。

（2）非正常的停止。當水泵房的排水設(shè)備出現(xiàn)故障時，一般會發(fā)生水泵非正常停止的現(xiàn)象。在實際工作中，監(jiān)控系統(tǒng)會對設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并收集到一些動態(tài)的狀態(tài)參數(shù)。如果參數(shù)出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)會向嵌入式控制系統(tǒng)發(fā)出信號，并人為地停止水泵的運行。水泵非正常的停止極易引發(fā) “坐泵”危險，因為這種突然停止會使排水管路中的水在短時間內(nèi)倒流并形成 “水錘”，對水泵產(chǎn)生強大的沖擊力。為切實避免這種問題的發(fā)生，要控制液壓缸控閘閥的電磁換向閥，使其斷電換向并關(guān)閉閘閥。

2.2 自動排水系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 水泵及管路概況

在設(shè)計中，自動排水系統(tǒng)共安裝5 個主排水泵，分別用于常用、備用和檢修。其中，每個主排水泵又安裝一臺啟動交流電機，以增強水泵的效能。此外，為提升排水效果，該系統(tǒng)還安裝3組排水管路。

2.2.2 單泵啟停方案

井下抽排水泵通常會使用離心泵，在使用過程中，需要注意兩個問題：一是要使出水管上的閘閥處于關(guān)閉狀態(tài)，二是要使入水口處處于真空狀態(tài)。在停止水泵的過程中，不能直接關(guān)閉水泵，而應先將閘閥關(guān)閉。因為直接關(guān)閉水泵會導致 “坐泵”危險，對水泵本身是一種損耗。因此，要充分利用好負壓計和壓力表兩種工具，用負壓計檢測水泵入口處是否為真空狀態(tài)，用壓力表檢測水泵出口處的壓力情況，單泵的啟停根據(jù)兩者檢測到的數(shù)值而決定。水泵啟動方案示意圖如圖1所示。

圖1 水泵啟動方案示意圖

2.2.3 水泵組啟動方案

排水系統(tǒng)采用5臺工作水泵 （其中2臺使用、2臺備用、1臺檢修），出口處配置閘閥。水泵房排水管采用4條水位線的形式，按照從下往上的方向?qū)λ撍贿M行劃分，分別為水位1、水位2、水位3和水位4，排水系統(tǒng)根據(jù)液位信號控制閘閥的開關(guān)，從而控制水泵的啟停以及啟停的數(shù)量。水泵組示意圖如圖2所示。

圖2 水泵組示意圖

當水位處于水位2及以下時，表示目前水位處于一種安全狀態(tài)，此時水泵不啟動。當水位處于水位2與水位3之間時，表示目前水位處于低警戒狀態(tài)，此時排水系統(tǒng)根據(jù)當前時間判斷所處時間段，如此時間段處于系統(tǒng)設(shè)定的當?shù)仉娋W(wǎng)用電高峰時間段，則不啟動水泵；如處于當?shù)仉娋W(wǎng)用電低谷時間段，則啟動1臺水泵。當水位處于水位3與水位4之間時，表示目前水位處于中警戒狀態(tài)，此時無論當?shù)仉娋W(wǎng)用電處于高峰時間段還是低谷時間段，都啟動1臺對泵。當水位處于水位4以上時，則表示目前水位處于高警戒狀態(tài)，此時同時啟動2臺或2臺以上水泵。

3 基于ARM 技術(shù)的嵌入式自動排水系統(tǒng)監(jiān)控方案

3.1 數(shù)據(jù)采集與輸出

自動排水監(jiān)控系統(tǒng)主要負責監(jiān)控電機工作溫度、井下水倉水位、水泵出口壓力和水泵入口真空度。針對不同的監(jiān)控對象，系統(tǒng)采用不同的監(jiān)控設(shè)備，如用NTC 系列溫度傳感器監(jiān)測電機工作溫度，用GUY10礦用液位傳感器監(jiān)測水倉水位，用PTP系列壓力變送器監(jiān)測入口真空度以及出口壓力。

水泵電機、射流泵以及閘閥等工作狀態(tài)的控制通過接觸器或繼電器等輸出模塊的形式實現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

3.2 系統(tǒng)工作模式

（1）手動控制模式。在水泵房中設(shè)有專門的就地箱，箱中有各類設(shè)備的控制按鈕。工作人員只需按動按鈕，就能控制相關(guān)設(shè)備的運行。

（2）半自動控制模式。半自動控制是指以上位機組態(tài)軟件來監(jiān)測相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)以及井下水位的變化情況，而以手動的方式來控制各臺設(shè)備的啟停和水位高度。

（3）自動控制模式。系統(tǒng)根據(jù)各監(jiān)測工具發(fā)來的設(shè)備運行狀態(tài)信號以及水位信號等監(jiān)測信號自動地做出相應的控制。

3.3 操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)是嵌入式控制系統(tǒng)的重要依托，嵌入式操作系統(tǒng)較其它操作系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、實時性強、結(jié)構(gòu)小巧等顯著優(yōu)點，尤其是嵌入式μC／OSII實時操作系統(tǒng)，目前已經(jīng)成為煤礦井下自動排水監(jiān)測的首選。操作系統(tǒng)的移植主要包括以下3項：通過＃define對3個宏 （OS＿CPU.H）予以聲明、通過＃define對一些常量值 （OS＿CPU.H）進行設(shè)置、通過C語言對4個匯編語言函數(shù)（OS＿CPU＿A.ASM）以及6個簡單函數(shù)（OS＿CPU＿C.H）進行編寫。

3.4 任務編程

待μC／OS-Ⅱ移植結(jié)束后，整套自動排水監(jiān)控系統(tǒng)按照實際功能設(shè)計進行任務分配并劃分為多個并行任務，根據(jù)任務優(yōu)先級情況，占先式操作系統(tǒng)會對這些任務進行調(diào)度。本系統(tǒng)中，水倉水位監(jiān)測是最優(yōu)先的任務，其次分別為模擬量輸入監(jiān)測、設(shè)備開停狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié)語

根據(jù)煤礦井下排水的實際情況，研究了一種新型的煤礦井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)，并引入ARM 嵌入式技術(shù)到煤礦自動排水監(jiān)控系統(tǒng)中，制定了井下水位監(jiān)控和水泵啟動方案。通過一段時間的模擬試驗，得到如下結(jié)論：

（1）基于ARM 技術(shù)的煤礦井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)能夠把各傳感器采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號傳輸給遠端的控制中心，具有安全性好、可靠性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，實現(xiàn)了井下水泵的自動輪換運行，達到了水泵房的無人化值守和遠程有效監(jiān)控目標。

（2）基于ARM 技術(shù)的煤礦井下自動排水監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化了排水系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、傳感器使用數(shù)量和安裝難度，提高了水泵運行中狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的精度。

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