基于ARM的煤礦自動化排水系統(tǒng)設(shè)計

陳艷

（安徽能源技術(shù)學(xué)校，安徽合肥230001）

基于ARM的煤礦自動化排水系統(tǒng)設(shè)計

陳艷

（安徽能源技術(shù)學(xué)校，安徽合肥230001）

我國是一個煤炭大國，每年因為煤礦滲水而發(fā)生的事故很多，因此研究煤礦自動排水系統(tǒng)具有很重要的意義。文章分析了目前煤礦排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了一種基于ARM的煤礦自動化排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有遠程監(jiān)控的能力，而且可以根據(jù)現(xiàn)場狀況啟停水泵實現(xiàn)自動排水的目的。

煤礦；排水；ARM；監(jiān)控系統(tǒng)

眾所周知煤礦在開采生產(chǎn)過程中地下水不斷往外涌出，雨水季節(jié)地面水也會不斷的流入，如果不及時將這些水排出，會造成礦井被淹沒，嚴重的會殃及生命造成重大安全事故。目前煤礦井下排水系統(tǒng)主要采用兩種方式：一種是繼電器手動控制系統(tǒng)，主要通過人工觀察蓄水池的情況來操作水泵的啟動與停止，這種手動控制系統(tǒng)完全依靠人工，因此對人員的要求比較高，一旦有人員疏漏就會造成系統(tǒng)的失效。另一種是目前大的煤炭企業(yè)所采用的PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對交流電動機的控制來啟動與停止水泵實現(xiàn)自動化排水的目的，具有系統(tǒng)安全可靠、運行穩(wěn)定、較少的人工等優(yōu)點，但是因為該系統(tǒng)價格比較高目前很難全面普及。本文研究設(shè)計了一種基于ARM的自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅安全可靠而且相比較PLC控制系統(tǒng)價格便宜，同時具有遠程監(jiān)控能力，可以根據(jù)液位傳感器檢測水位信號來控制水泵啟動與停止，具有較好的實際效果。

1．系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹

整個自動化排水系統(tǒng)分地面和地下兩方面，地下采用五臺離心式水泵和兩條排水管道工作，其中兩臺備用，兩臺工作，一臺檢修，為了保證一條排水管道出現(xiàn)故障時系統(tǒng)能正常工作，每臺水泵需要與兩條排水管道均連接在一起。地面設(shè)有中央監(jiān)控機房是整個數(shù)據(jù)處理中心，設(shè)有操作系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件用于數(shù)據(jù)的輸入輸出處理和地下設(shè)備實時監(jiān)控。整個系統(tǒng)中分有單臺水泵的運行和多臺水泵的運行情況。下面就這兩種情況進行分析：

1.1 單臺水泵的啟動與停止

單臺水泵的工作過程如圖1所示，水泵的功能主要是對蓄水池中的水進行抽取，本系統(tǒng)中水泵采用離心式水泵，在啟動之前需要保證入水口處是否形成真空，出水管上的閘閥是否關(guān)閉。當(dāng)水泵停止時，首先關(guān)閉閘閥然后再關(guān)閉水泵，以防止水錘現(xiàn)象發(fā)生從而對水泵造成損壞。水泵啟動工作過程是首先利用液位傳感器對水位進行檢測，然后將檢測的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的警戒線值進行比較，當(dāng)檢測到的數(shù)值超出警戒線時系統(tǒng)開啟射流泵抽取真空，采用負壓計對真空度進行檢測。在水泵出水口處采用壓力檢測儀檢測出水口處水壓，當(dāng)水泵出口處壓力達到預(yù)先設(shè)定的值時，開啟閘閥。當(dāng)真空度達到預(yù)先設(shè)定的值此時閘閥也打開，則控制系統(tǒng)接通接觸器，水泵開始啟動。水泵的停止過程為當(dāng)水泵在抽水時，蓄水池中的水位會不斷下降，當(dāng)水位下降到安全水位時，液位傳感器會將這一信號傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出開關(guān)信號給電磁閥，閘閥開始關(guān)閉，同時接觸器的常開觸點斷開，水泵停止工作。

圖1 水泵的工作過程示意圖

1.2 多臺水泵啟動

當(dāng)?shù)V井涌水量突然大增時需要同時啟動多臺水泵進行工作，如果出水量不大為了省電系統(tǒng)可以采用“避峰就谷”的模式，因此將蓄水池中的水位由下到上分成4條水位線。水位2以下為安全水位，此時水泵不需要啟動；水位2到3之間為低警戒水位，若此時為用電高峰期可以暫時不用啟動水泵等到用電低峰期時再啟動水泵；水位3到4之間為中等警戒水位，此時不管是用電高峰期還是低峰期必須立馬啟動水泵進行抽水；水位4為高警戒水位，此時不管是用電高峰期還是低峰期必須立馬開啟兩臺以上水泵。當(dāng)遇到緊急情況比如礦井涌水量大增時，必須立刻開啟所有水泵同時工作，以保障礦井底下人員安全。另外為了防止備用水泵和備用管路長期不用而損壞的情況發(fā)生，系統(tǒng)采用水泵和管路輪流工作的模式，在程序中采用自動優(yōu)先級設(shè)置對5臺水泵實行輪換工作,在程序設(shè)計中，給每一個水泵分配兩個數(shù)據(jù)寄存器，一個用來存放水泵的運行次數(shù)，另一個用來存放水泵的運行時間。根據(jù)水泵的運行次數(shù)和運行時間系統(tǒng)優(yōu)先選擇次數(shù)和時間最少的那個水泵，如果兩臺水泵運行次數(shù)相當(dāng)則根據(jù)運行時間來選擇。每一次水泵運行結(jié)束后，寄存器會自動累計，如果某臺水泵出現(xiàn)故障則自動退出輪換機制。排水管路的輪換機制與水泵輪換機制相同。每臺水泵和兩條排水管路相連，當(dāng)某臺水泵工作時，選擇工作時間最短的那條排水管路進行排水，如果兩條排水管路工作時間相同，則選擇工作次數(shù)最少的那條排水管路。整個系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)監(jiān)控中心采用ARM處理器作為核心，ARM處理器是Acorn計算機有限公司面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器，全稱Acorn RISC Machine，內(nèi)含有37個寄存器，其中31個為通用寄存器，6個為狀態(tài)寄存器，包含有32位精簡指令集，目前最新一代的ARM處理器已經(jīng)為64位芯片。ARM處理器具有體積小、功耗低、低成本、高性能、執(zhí)行速度快等優(yōu)點，目前在很多移動通信設(shè)備上都能看見ARM處理器，2011年ARM已經(jīng)大面積覆蓋了手機、掌上電子游戲機、多媒體播放器等移動設(shè)備，基于ARM的嵌入式技術(shù)因其價格便宜，性能穩(wěn)定特別適合要求成本不高的工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。在本系統(tǒng)中采用ARM7 TDMI處理器作為數(shù)據(jù)的處理中心。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與輸出

監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)測以下參數(shù)：礦井蓄水池的水位、入水口處的真空度、出水口處壓力、閘閥開啟還是閉合、電動機的溫度、水管流量。

液位傳感器主要用于檢測蓄水池中的水位，將水位的高度轉(zhuǎn)變成電信號送給CPU，本系統(tǒng)中采用超聲波液位傳感器，它具有精確度高、非接觸式、操作簡單、維護方便等優(yōu)點。另外為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，再使用一種投入式液位傳感器，直接接觸水面，利用水的壓力進行水位的測量然后轉(zhuǎn)變成電信號送與CPU。

為了防止電機軸承溫度過高造成電機損壞需要采用溫度傳感器對軸承的溫度進行監(jiān)測，目前市面上分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式溫度傳感器直接與被測物體接觸，價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，測量溫度不高，像家用的體溫計就屬于接觸式。非接觸式溫度傳感器不與被測物體直接接觸，在測量時對溫度沒有上限要求，但是價格相對來說要貴些。由于本系統(tǒng)中軸承溫度一般不會太高所以采用PT100溫度傳感器，它的工作原理是將溫度的變化轉(zhuǎn)變成辦電阻值的變化。

壓力傳感器主要用來測量水泵排水管路和進水管路的壓力信號，是電動閥門啟停和水泵啟停的重要依據(jù)。出水口處的壓力和入水口處的真空度可以采用GYD60-Y2礦用型壓力傳感器，參數(shù)為電源24VDC，輸出4-20mA信號。

水管流量主要采用流量檢測儀來監(jiān)測，本系統(tǒng)中采用西門子公司生產(chǎn)的電磁流量計，它的內(nèi)部含有電磁流量傳感器和電磁流量轉(zhuǎn)換器，可以將水管流量信號轉(zhuǎn)換成4-10mA的電信號。

2.2 系統(tǒng)工作模式

本系統(tǒng)采用三種工作模式：手動控制、自動控制、半自動控制。

（1）手動控制模式

通過人工操作水泵的啟動與停止，此種模式在檢修時或遇到自動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時而采用。

（2）自動控制模式

系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的信號自動控制水泵的啟動與停止，無須人工干預(yù)。一般正常時，系統(tǒng)均采用自動控制模式工作，該模式可以實現(xiàn)水泵房的無人值守，減少人員支出，而且穩(wěn)定性高，安全可靠。

（3）半自動控制模式

用戶通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)觀測蓄水池中水的變化和系統(tǒng)設(shè)備運行情況后手動控制各設(shè)

備的啟動與停止。

2.3 操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)是ARM嵌入式控制系統(tǒng)的重要操作平臺，嵌入式操作系統(tǒng)具有體積小、實時性強、可靠性高等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用嵌入式uC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，它的源代碼一般采用C語言編寫并對外開放，系統(tǒng)移植主要包括以下幾個內(nèi)容：采用#define對3個宏進行聲明和對一些常量進行設(shè)置，采用C語言進行4個匯編語言函數(shù)和6個簡單函數(shù)進行編寫。在軟件編程時首先編寫好各個子程序，然后根據(jù)系統(tǒng)要求確定優(yōu)先級。

2.4 任務(wù)編程

系統(tǒng)包含了幾個子任務(wù)，例如：水位檢測、模式切換、故障報警、避峰就谷。在操作系統(tǒng)移植好后占先式操作系統(tǒng)首先對任務(wù)進行優(yōu)先級的調(diào)度，然后運行優(yōu)先級別最高的任務(wù)。在本系統(tǒng)中水位檢測為優(yōu)先級別最高的任務(wù)，系統(tǒng)在通電運行時首先是檢測水位的高度，當(dāng)水位的高度超過警戒線時，系統(tǒng)打開水泵進行抽水同時啟動報警系統(tǒng)。報警系統(tǒng)還包含了溫度報警、壓力報警、設(shè)備故障報警等幾個任務(wù)。當(dāng)水泵啟動運行時，抽真空定時器開始計時，如果超時則控制系統(tǒng)發(fā)出報警指令，如果正常則啟動閘閥定時器，如果閘閥關(guān)閉超時則控制系統(tǒng)發(fā)出報警指令。在運行過程中，系統(tǒng)對溫度、壓力和設(shè)備不停的進行檢測，如果溫度過高或者壓力大，設(shè)備出現(xiàn)故障則系統(tǒng)發(fā)出報警指令。

2.5 組態(tài)軟件

為了使整個系統(tǒng)更加直觀，可以采用組態(tài)軟件組建監(jiān)控系統(tǒng)，用戶在中央機房就可以觀測到礦井下各個設(shè)備的運行狀況和蓄水池中的水位情況。MCGS是一種工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件，由北京昆侖公司研發(fā)，具有動畫顯示、報警顯示、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、輸出實時曲線等功能，MCGS軟件系統(tǒng)包含有組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分，用戶在組態(tài)環(huán)境中設(shè)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，在運行環(huán)境中觀測運行結(jié)果。在本系統(tǒng)中上位機采用工控組態(tài)軟件MCGS5.1進行實時監(jiān)控。

工作界面設(shè)置系統(tǒng)管理、實時監(jiān)控、報警信息、報表、歷史曲線、信息共享幾大模塊。系統(tǒng)管理主要包含用戶登錄、用戶退出、用戶管理。實時監(jiān)控包含排水仿真界面、遠程控制模式、參數(shù)設(shè)置。報警信息包含實時報警信息和歷史報警信息。報表包含日報表、月報表、年報表。歷史曲線包含流量曲線、溫度曲線、液位曲線。信息共享包含WEB發(fā)布、全礦自動化平臺。

3．結(jié)束語

ARM嵌入式自動化排水系統(tǒng)通過現(xiàn)場傳感器進行各信號的采集然后傳輸?shù)街醒霗C房的監(jiān)控中心，由系統(tǒng)對輸入的信號進行比對后輸出信號控制各設(shè)備開啟和停止，實現(xiàn)了無人化值守，避免了因人員疏忽而造成的事故。同時上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)軟件進行實時畫面監(jiān)控和報警提示，用戶在地面上就可以直觀的看到礦井下各設(shè)備運行的情況和蓄水池中的水位情況。ARM嵌入式控制系統(tǒng)在安全性和可靠性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的人工操作系統(tǒng)，相對于PLC控制系統(tǒng)，ARM控制系統(tǒng)價格要低廉許多，很適合在較小的工礦企業(yè)中推廣使用。

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.煤礦在用主排水系統(tǒng)安全檢測檢驗規(guī)范[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[2]薛定宇,等.控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]李先彬.電力系統(tǒng)自動化[M].北京：水利水電出版社，1995.

（責(zé)任編輯：劉偉）

TP271+.3

A

1671-752X（2015）03-0057-03

2015-05-17

陳艷（1981-），女，安徽池州人，安徽能源技術(shù)學(xué)校講師，研究方向：電氣運行與控制。