井下排水控制系统设计及应用

韩 明 孙京诰

(邹城市质量技术监督局1，山东 邹城 273500;化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室2，上海 200237)

0 引言

煤矿生产的地质结构复杂，大气降水、地表水、断层水、开采用水等流入巷道或工作面，若不及时排出，往往容易诱发透水事故，淹没巷道，危及井下生产安全。目前，井下排水主要有继电器控制排水和PLC控制排水两种方式。水泵的开停、调节和切换均由人工完成，自动化程度低、处理紧急情况的效果差，存在很大的安全隐患。因此，基于嵌入式技术的排水控制得到了广泛的研究和应用，如马胜利采用ARM技术实现了水泵的开关自动控制［1］。

本文设计了基于ARM技术的排水控制系统，并加载智能控制算法，用以解决复杂控制问题。系统集控制、监测、运算于一体，具有安全性和可靠性高、操作灵活、显示直观、数据处理和分析存储能力强以及组网方便等特点。

1 排水系统简介

煤矿井下智能排水系统主要包括控制器、水泵控制驱动器、各类传感器和电动阀门。

基于ARM和WinCE的控制器是系统控制的核心，负责各种传感器参数的采集、显示和传递，以及向水泵驱动控制器发出控制指令等。水泵驱动控制器负责向电动阀门发出开关命令，控制水泵的运行。传感器负责采集水位、流量、水泵出口压力以及水温等信息。

水泵配备控制驱动器和交流电机，每6个水泵作为一个排水控制单元。其中3个水泵处于工作状态、2个水泵处于备用状态、1个水泵作为检修水泵。在正常情况下，3个水泵处于工作状态，在用电高峰时维持水仓水位最低(设定值)。

水泵综合控制器实时采集水位信息，并传递给控制器。控制器基于ARM和WinCE(内置智能控制算法)，根据水位的变化情况控制水泵开启和电机的变频，将水仓水位维持在最低设定水位。在用电谷段，由控制器发出排水指令，全力进行水仓的排水作业。控制器可根据采集水泵的轴承温度、震动等状态参数，提前发现水泵运行故障，并自动切换正常水泵，以降低故障率，延长水泵的工作时间。

2 井下排水系统的硬件设计

2.1 基于ARM和WinCE的控制器

控制器基于ARM和WinCE，主要负责传感器参数的接收和处理、控制指令的发出、信息的联网传输。控制器主控芯片选用三星公司的S3C2440A芯片，16/32位内核，主频达到405 MHz，配备64 MB SDRAM、256 MB Nand Flash Memory，提供1个100 Mbit/s网络 RJ-45接口、3个串口、1个 RS-232接口、2个 RS-485接口。控制器电路简单、工作电压低，具备较强的本质安全性能［2］。

控制器结构如图1所示。

图1 控制器结构图Fig.1 Structure of the controller

控制器采用嵌入式WinCE操作系统。WinCE的内核小巧、移植性好、运行稳定、开发平台成熟，广泛应用于嵌入式控制系统中。微软提供基本的底层驱动软件包(board support package，BSP)、BootLoader、标准开发板电路，并提供了大量源码。这些源码只需进行简单修改，就可以应用于工程。WinCE 6.0系统针对工业控制应用进行了针对性修改，提高了设备实时响应性能;通过定义任务优先级等方式对实时任务进行优先级处理，能够满足大部分控制应用。对实时性要求高的控制，也可以通过选择合适的驱动芯片进行功能扩展。

控制器具备多种接口，可连接各种传感器，采集水泵流量、水位、水温、真空度、功率等参数信息，通过以太网接入煤矿井下工业以太干网，实现对水泵运行的远程监控。控制器作为控制、检测、传递数据的核心，在加载智能算法后，可根据水位等实时信息，求解最优控制方案;并通过调节驱动设备实现对多个排水水泵的开关和电机控制等，从而实现水位的智能控制。

2.2 信息联网传送

CAN总线通信速率高、扩展能力强、成本低［3］，被广泛应用于煤矿生产监测和控制系统。如魏士杰、潘宏侠等设计了基于单片机和CAN总线的瓦斯报警装置。该装置使用CAN总线进行实时数据的传输［4］，数据传输快速、准确。胡庆新、李冬研究了基于CAN总线的控制系统远距离传输［5］。经仿真试验证明，CAN总线信息传输稳定可靠。CAN总线已经成为矿用局域网的首选技术，排水系统通过CAN总线与井上综合控制中心进行信息的通信。ARM支持RS-232串口通信。本文通过转换电路和外接转换器的方式，实现了RS-232、RS-485、CAN总线三者之间的信息传递。RS-485串口抑制共模信号干扰能力强，传输信号稳定、快速，是煤矿井下电气设备主要的接口形式［6］。RS-485经TNode-485型CAN和RS-485信号转换器，可以将信息转换为CAN上的信息。

2.3 KDK8多功能驱动器

水泵智能控制流程如图2所示。

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

KDK8型多功能驱动器采用隔爆兼本安技术设计，适用于存在瓦斯、粉尘等危险环境，可为排水水泵提供驱动电力，并能实现I/O信息采集、数据的上传以及基本的控制。KDK8多功能驱动器配备RS-485串口和CAN接口。驱动器主要有两个功能:一是采集水位等信息，经CAN总线传送给控制器;二是接收控制器的控制指令，经RS-485传送控制指令，驱动水泵、电子阀门的运行。

煤矿井下采用离心式井下水泵，KDK8型多功能控制器具备离心式井下排水泵启动、关闭的自动控制功能和水位采集、上传的功能。启动水泵要满足两个条件:一是入水口形成真空，产生排水引力;二是出水口阀门关闭，减小水泵电机的启动功率。当达到设定的水位上限或接收到控制器水泵启动命令后，KDK8型多功能控制器自动调节入水口达到真空，关闭出水管口阀门，启动水泵电机。当水位降到下限或接收到控制器关闭水泵的命令时，KDK8型多功能控制器关闭阀门和水泵电机。

3 井下排水系统的软件设计

3.1 井下排水系统的监控

控制器采用微软WinCE 6.0作为系统平台，支持Windows台式机系统的串行通信标准函数。WinCE对串口的操作简便，其操作方式类似于文件的读写，可实现串口的开闭和数据的传送、接收等功能。主要串口操作函数有:CreateFile、SetCommState、ReadFile、WriteFile、CloseHandle。控制器通过水泵综合控制器连接各类传感器采集水位、流速、轴承温度等参数信息，并将采集到的数据存入数据库或传送到上位机。当水位超过限定值时，控制器发出报警信号;当流速低于设定值时，则报警提醒;当轴承超过设定温度时，则根据设定进行水泵自动切换。

3.2 井下排水系统的运行

井下涌水的大小受矿区地质、水文、地形、开采用水等因素的影响，水位时刻变化，情况复杂。煤矿井下排水多采用大功率水泵，耗电量大，约占煤矿总耗电的17.5% ～40.9%，有的甚至超过 60%［7］，而在工作时间进行排水往往影响正常的生产用电。因此，采用“分时用电、错峰运行”的方式，科学控制水泵的开关和运行，提高水泵效率，这对排水系统高效低耗、经济可靠运行具有重要意义。当采用“避峰填谷”水位调度方法时，在用电峰段，排水系统需要对水仓水位进行上限控制，使水位维持在水仓的最大水位。井下临时储水的水仓有很多个，各水仓的最大储水上限各不相同。各水仓的水位随着地表渗水、大气降水、采矿排水等的变化而变化，各水仓之间也互相影响。对多个水仓水位进行控制实际是一种多变量耦合控制的问题。传统控制算法需要建立控制模型，多变量耦合控制存在很强的非线性，采用经典控制方法往往效果不好。本文采用基于粒子群权值修正的PID神经元网络控制算法(particle swarm optimization-PID neural network，PSO-PIDNN)进行了3 个水仓水位的解耦控制［8-10］，实现了对水位的精确控制。PSO-PIDNN算法仿真效果如图3所示。

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

排水泵房避峰填谷用电是常用的节电方式，常规方式是在用电峰时段(8:00～11:00、13:00～18:00、19:00～22:00)停止排水或用单台泵排水，用电谷时段集中排水。这种方式需要用水单位在用电峰段减少用水，并配备足够的井下水仓，确保有效容积储水。在发生突发透水情况时，要求值守人员能及时发现，并启动其余水泵进行集中排水。若值守人员未及时发现水位上升，将会影响生产安全。本文设计的井下排水控制系统运行流程图如图4所示。

图4 排水系统控制流程图Fig.4 Control flowchart of drainage system

在用电峰段，将水仓水位控制在设定值。当水位上升超过设定水位时，则启动水泵进行排水。在用电谷段，启动其余工作状态的水泵，全力进行排水，将水位降至最低。煤矿井下排水系统主要实现排水系统的运行监控和水泵的智能控制两大功能。分时段水仓水位如图5所示。

图5 分时段水位图Fig.5 Summary of water level records

控制器显示屏和井上综控操作台可实时模拟显示水仓水位、水泵流量、水泵内压、电动机转速、阀门开闭状态以及轴承温度等信息。通过CAN总线，可以方便快捷地共享监测数据。井下水泵控制器提供基本功能函数，管理人员可以设置自动诊断功能，实现水泵的自动切换。水泵控制系统提供的主要诊断保护功能如下。

①流量保护［11］。当水泵运行时，若流量达不到正常值，则停止该台水泵运行，并切换至其他水泵，将故障信息存储并上传。

②温度保护。当水泵电机和驱动温度超过设定值时，停止该水泵运行，轮换其他水泵。

③工作水泵和备用水泵的轮换运行。备用水泵主要在工作水泵发生故障或突发透水时使用，长期闲置会造成电路腐蚀、损坏。系统进行定期的水泵轮换，即防止水泵因连续使用而损坏，也可及时发现备用水泵问题，进行提前诊断。

4 结束语

本文设计了基于ARM技术的井下排水控制系统。该系统具有自动监测和智能控制功能，可实现多台水泵的运行监控与水泵间的自动切换。通过加载智能算法，系统能够精确控制井下水位，并根据用电峰谷，科学调度水泵运行;在用电高峰控制水位在高限，用电谷段进行全力排水，以实现“分时用电、错峰排水”，满足煤矿井下实际应用需求。仿真表明，该系统具有抗干扰能力强、可靠性高、操作灵活、显示直观、数据处理和分析存储能力强大、组网方便的特点，可以满足煤矿井下多水泵监测和控制需要，具有较高的实际应用价值。

［1］马胜利，温国栋.基于ARM的煤矿井下排水监控系统的设计［J］.矿山机械，2009(1):11-14.

［2］张显力.防爆电气概论［M］.北京:机械工业出版社，2008:148-152.

［3］马纳吉.实施CAN总线通信提高煤矿生产安全［J］.煤矿技术，2010，29(5):160-164.

［4］魏士杰，潘宏侠，刘波.基于单片机和CAN总线的煤矿瓦斯报警装置设计［J］.自动化与仪表，2010(6):8-11.

［5］胡庆新，李冬.基于CAN总线的煤矿控制系统远距离传输的研究［J］.合肥工业大学学报:工学版，2010，33(10):1515-1518.

［6］张翠云，王福忠.基于RS485总线的煤矿井下供电远程监控系统［J］.矿山机械，2007，35(5):120-121.

［7］李明相.论煤矿井下排水系统的经济运行与对策［J］.中小企业管理与科技，2011(5):229-230.

［8］舒怀林.PID神经元网络机器控制系统［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［9］徐丽娜.神经网络控制［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［10］董伟杰，刘长华，宋华.基于PIDNN控制的飞行模拟器人感系统［J］.北京航空航天大学学报:自然科学版，2008，34(2):153-157.

［11］薛志刚.现代化矿井主排水泵自动控制技术分析［J］.中国高新技术企业，2010(36):63-65.