井下水泵自動控制系統(tǒng)設計

吳占背

(山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046600)

0 引言

煤礦井下排水系統(tǒng)擔負著煤礦井下防患水患的重要系統(tǒng)，而傳統(tǒng)井下排水設備的啟動和停止需要進行復雜的人工操作，極大降低了生產(chǎn)效率[1-2]。隨著現(xiàn)代化、自動化煤礦建設需求與持續(xù)發(fā)展，對煤礦建設的自動化、現(xiàn)代化要求越來越高，利用現(xiàn)代計算機技術與自動控制技術實現(xiàn)礦井水泵控制的自動化是煤礦發(fā)展必由之路[3-4]。目前，微機電子技術在煤礦的廣泛使用，使得傳統(tǒng)控制缺點被改正，方便了現(xiàn)場操作與維護，同時還可以進行實時監(jiān)測，極大提升了煤礦安全生產(chǎn)的效率[5-6]。在此基礎上，利用微機原理與現(xiàn)代電力電子技術開發(fā)一套井下水泵自動控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 控制系統(tǒng)結構

控制原理及整體結構：為實現(xiàn)井下正常排水，保證井下安全，所設計的水泵自動控制系統(tǒng)需要克服計算機控制技術、網(wǎng)絡信息傳輸技術、傳感器傳輸技術、微機電子信息技術等關鍵技術，從而完成井下水泵的遠程監(jiān)控與控制功能[7-8]。井下各傳感器通過對水泵電壓電流、真空度、水位、出水口流量以及電磁閥和電動閥的開關情況進行實時監(jiān)測，將信息傳輸給DSP控制器進行邏輯識別與動作處理，完成對水泵的開?？刂?、控制方式控制、故障識別與處理等操作，同時將這些信息通過通信總線傳輸給井下監(jiān)測模塊和井上監(jiān)控中心，方便操作人員進行遠程控制。系統(tǒng)可分為地面部分和井下部分，系統(tǒng)整體設計結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

地面監(jiān)控中心：煤礦地面監(jiān)控中心主要由服務器、光端機、交換機等部分組成。通過煤礦上的以太網(wǎng)連接各設備與井下控制系統(tǒng)進行信息傳輸，并利用組態(tài)軟件構建上位機等顯示系統(tǒng)，從而可以將井下實時監(jiān)控數(shù)據(jù)與信息通過網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)控中心，方便地面工作人員進行操作和調控。

井下監(jiān)測模塊：井下控制系統(tǒng)主要包括DSP控制柜、各功能傳感器、電動閥、開關柜、執(zhí)行機構等部分。DSP控制柜中的處理器完成對井下控制系統(tǒng)的邏輯控制以及對傳感器采集數(shù)據(jù)的處理，負責井下整個系統(tǒng)的相關設備的運行調控，并與地面及井下各個設備信息通信完成監(jiān)控與控制處理的功能。傳感器部分則主要由水泵出水口傳感器、水泵真空度檢測傳感器、液位傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、震動傳感器等部分組成,完成對整個水泵運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，為系統(tǒng)提供一個可靠的信息采集系統(tǒng)。閥門主要是將原先手動閘閥更換為電動閥和電磁閥，以便控制器能對水泵的進出水自動控制。

1.2 數(shù)據(jù)采樣算法

本系統(tǒng)傳感器采集的信息為連續(xù)模擬信號，而整個系統(tǒng)是以DSP數(shù)字處理器為核心的控制系統(tǒng)，需要將采集的模擬信號離散化處理，同時對采樣算法進行設計，優(yōu)化采樣過程。系統(tǒng)通過快速傅立葉算法(FFT)采樣算法，該過程是提取所需的基波分量和所需的諧波分量并將多余的其他周期分量濾除，從而保證有效的信號數(shù)值。離散傅立葉變換(DFT)是一種傅立葉變換在離散狀態(tài)下的表現(xiàn)形式，對于一個N點的序列XN(K)，DFT變化為

K=0,1,2,…,N-1

(1)

(2)

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)組成結構

本系統(tǒng)設計的硬件電路主要以DSP數(shù)字處理器為核心，還包括數(shù)據(jù)采集電路、液位傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、真空度檢測傳感器等傳感器、輸入/輸出單元電路、電源電路、復位電路以及水泵的電機控制相關電路、電磁閥開關控制電路等部分。DSP數(shù)字處理器完成整個微機系統(tǒng)的邏輯處理與運算，同時將結果與地面監(jiān)控中心通信；采集電路完成各個傳感器采集的數(shù)字與模擬信號的采樣與轉換[9-12]，以便DSP能快速處理；輸出單元則將控制信號的脈沖輸出對水泵各部分的控制電路完成控制，從而實現(xiàn)水泵的自動控制過程。系統(tǒng)硬件電路結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路結構圖

2.2 中央處理器選型

本系統(tǒng)在考慮井下使用環(huán)境與控制需求，對微控制單元(MCU)采用DSP數(shù)字處理器系列的TMS320LF2407芯片。該芯片集成有豐富的內(nèi)核和外設資源，相比于傳統(tǒng)的MCU控制器，它把DSP高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富外設等功能集成，極大便于運算和開發(fā)。芯片內(nèi)部具有32KX16位的EEPROM存儲單元和1.5KX16位的RAM程序存儲器，同時在運算存儲過程中指令周期僅有33 ns，極大提高了控制器實時控制能力。

2.3 壓力檢測的調理電路

為實現(xiàn)對水倉水位進行監(jiān)測，考慮使用條件，本系統(tǒng)利用連通器原理，通過在水倉底部安裝連接一根彎管，并在彎管的頂部安裝型號為MPX2050的壓力傳感器。該壓力傳感器具有溫度補償和自動校正的功能，所能測量的量程為0～50 kPa，即水位為0～5 m的范圍。為了提高測量精度，在傳感器后安裝信號調理電路，如圖3所示。該電路由3個高性能運算放大器組成，其中A1構成電壓跟隨器，從而提高整個電路的輸入阻抗，信號再經(jīng)A2、A3組成的二級反向相放大后便可以輸出DSP處理器可識別的0～3.3 V測量電壓范圍。

圖3 信號調理電路

2.4 溫度檢測電路

在水泵運行過程中要實現(xiàn)對水泵電機的保護，則必須實時監(jiān)測電機軸的溫度。本系統(tǒng)采用AD590溫度傳感器檢測水泵電機軸的溫度，所設計的溫度檢測電路如圖4所示。其中運算放大器采用具有低噪聲、高增益的OP-07型號運放。電容C4用于濾波，通過電阻R49向傳感器提供一個穩(wěn)定電壓值，R5電位器起到對電路調節(jié)零點的作用，通過RP1可以調節(jié)電壓與溫度之間的關系。

圖4 溫度檢測電路

3 系統(tǒng)軟件設計

水泵啟動流程如圖5所示，水泵在開啟前，需要先將射流泵閥門打開進行注水排氣，對其真空度進行檢測是否達到要求，沒有達到要求便報警停止水泵啟動。判斷可以進行啟動時，水泵便進行工作，同時對它進行實時監(jiān)測主要包括電流、壓力、溫度等情況實時狀態(tài)的監(jiān)測，當出現(xiàn)異常時進入故障處理子程序，并給予警報響應。

圖5 水泵啟動流程圖

4 結語

在對井下水泵自動控制系統(tǒng)結構進行設計時，將其結構分為地面監(jiān)測中心和井下微機實時檢測站兩大部分，針對井下水泵面臨的多路采樣監(jiān)測的要求，對采樣所需的算法進行分析。同時，以DSP數(shù)字處理器系列的TMS320LF2407芯片為核心設計一套基于MCU處理器的井下水泵自動控制系統(tǒng)，并論述了部分硬件電路設計和軟件程序設計，該系統(tǒng)可以滿足井下水泵自動控制的需求，并運行穩(wěn)定。