基于数据融合技术的井下自动化排水系统的设计与应用

张欢

（江苏安全技术职业学院，江苏徐州，221011）

0 引言

煤矿在生产过程中会生成一定量的矿井水，为避免影响生产就必须及时排出，若不能及时排出，严重情况下会诱发各种塌方事故。矿井水通常包括进入矿井巷道、工作面所形成的各种降水、地表水下渗、采空水、断层水等，为避免造成不必要的安全隐患而威胁到生产，就必须及时排出。而之前的矿井排水方案还需要人工操作，自动化水平较低，不符合现实实际情况，所以在当前进行井下自动化排水系统设计期间，需要进行技术数据融合技术的应用，促使排水系统的使用工程提高[1]。

1 系统设计

数据融合技术为当前在诸多领域内有着较多应用的一项技术，最早出现在上世纪70年代，经过多年来诸多科研人员的研究分析，使得该技术的实际应用效果大大提高，应用范围也在显著的扩大，参考学者关于井下自动化排水系统利用数据融合技术进行优化设计应用的研究文章，可以了解到该技术在此种系统设计当中有着非常成功的应用，那么在后续的煤矿井下井下自动化排水系统应用期间，需要多进行该技术的使用，以此使得该技术的应用优势可以充分的发挥出来，能够对系统工作期间的全部数据信息进行全面的总结与分析，最终使得排水系统可以在使用过程中对于井下作业环境当中的水体进行有效的排除处理，为煤炭资源开采工作的良好开展提供多方面帮助，确保资源开采工作可以良好的进行。

对于煤矿资源开采过程中的井下自动排水控制系统进行研究分析，可以了解到系统在工作过程中存在的不确定因素与干扰源较多，在测量时通过借助相关传感器极易产生各种测量噪音。为此，利用传感器一般很难获取完整、准确的信息，由此会导致系统利用可靠性大受影响，最终使得系统应用效果受到影响。对于排水控制系统进行数据融合技术应用期间，多会和传感器共同发挥作用，即在传感器冗余方法的帮助下能够有效降低对于测量噪声所造成的影响，而加权平均法、贝叶斯估计法、卡尔曼滤波法等[2]在融合冗余数据时具有很高的使用率。井下自动排水系统自动控制图如下图1所示。

以卡尔曼滤波法为例，由于井下排水自动控制系统具有非线性，在融合冗余数据时可以考虑应用扩张的卡尔曼滤波。为充分保证一般性，非线性时变随机系统的状态模型主要表现为：x(t+1)=f(t,x(t))+G(t,x(t))u(t)+T(t)v(t)

y(t+1)=h(t+1)x(t+1)+D(t+1)b(t+1)+e(t+1)

2 煤矿排水综合自动化系统方案

在建设煤矿矿井和实际生产过程中，矿井中会涌入各种来源不同的水，为此煤矿井下排水设备必须具备彻底清除矿井水的能力，且能够有效应对各种突发用水情况。基于此，排水设备在煤矿建设过程中必不可少，矿井的安全生产在一定程度上取决于煤矿井下排水系统的安全性。然而，当前许多矿井排水系统所采用的方式以人工控制为主，由此会直接影响矿井自动化管理水平，还会降低经济效益，诱发各种不良安全事件的可能性较大。

煤矿排水综合自动化系统主要是在原有排水设施上所做出的自动改造，该系统通常涉及的内容较多，涵盖注入通讯模块、可编辑逻辑控制柜、报警模块和执行结构等，因此无需人工的方式来操控煤矿排水系统的自动运行与诊断，只需利用程序控制即可。在该系统中，中心控制器为可编程的逻辑控制单片机，旨在高效的收集、处理信号，确保在上位机之间能够顺利的开展通信作业[3]。

针对系统排水管路而言，在开展矿井排水任务时依然离不开四条离心式水泵的协助，且电动阀会设置在每排水泵上，且能够将两个排水管路连接起来，如此一边即便一条故障出现故障而无法正常工作，在修整过程中另一条管理依然可以正常工作，这能够充分保证排水工作的顺利开展，避免出现不必要的中断，也能够充分保障生产的顺利进行。

3 井下自动化排水系统设计与应用

（1）严格按照国家相关煤矿在生产、管理方面的规定要求选择科学的选择选用设备并设计科学的方案；（2）系统设计一定要保证安全性、可靠性，确保该设计符合矿井作业单位的开采需要，达到理想的排水效果；（3）系统应用的环境适应性起那个，如果井下开采作业环境极为复杂，那么该系统仍然可以在相应的环境条件下进行排水作业。最终在数据融合技术的帮助下，有助于形成一整套完整的自动控制系统，实现井下自动排水。

3.1 系统组成与控制关系

系统组成通常包含诸多内容，如PLC控制箱、监控计算机、控制平台等内容，以此这些组成部分进行充分的结合后，便可以良好的发挥使用价值，更好的进行井下排水数据收集与整理应用。该系统功能的实现可以分为以下步骤：利用多台液位传感器可以实现对液位变化的科学检测，然后将产生的液位信息及时传输到PLC控制器中，在此几次上经数据融合处理，然后对经验值进行科学的对比，方便提前判断启泵的情况是否存在；若符合启泵条件则需开启抽真空装置；科学的检测真空度；精确的判断水泵启动台数；开启水泵以后需对正压做出准确的判断；开启出水阀门，完成排水启动。

3.2 数据融合技术系统的必要性

针对以往的井下排水系统，数据监控系统往往比较单一，其组成包含各部分传感器、执行器、操作台、PLC控制箱等，有时需将一台数据采集计算机根据需要配置在井上。本操作系统可将一台数据融合处理计算机增加到原有自动控制系统上，有助于统一处理线程数据与实时的开展分析工作。与传统监控系统相比，这套监控系统优点众多，具体包括以下几点。（1）有助于及时反映现场各部分的数据信息，帮助现场操作人员充分了解与掌握各种参数变化信息；（2）现场各部分数据信息更为集中的显示出来，在看到相关信息时无需手工操作，也无需现场操作人员到实地进行观看，这对于减轻劳动量至关重要；（3）在采集井下数据时可以充分借助计算机的作用，即内部输入融合处理功能程序，这对于PLC计算量的减少与系统反应速度的提高至关重要；（4）可将TCP/IP、485总线技术应用到各部门数据通信中，方便进行通信，从而能够充分保证数据通信的快速性、准确性。

通过对比改进的监控系统与原来的监控系统，可以得到以下数据，详情如下表1所示。

表1 实验参数对比表

由于煤矿井下面临着十分复杂的水环境且位于多水位置，为此需要精确的判断系统并及时反映，而引进双监控系统至关重要。

4 结束语

在井下排水系统中基于数据融合技术的自动排水系统具有显著优势，其具有多样化的特点和十分独特的优势，业内同行也比较认同在井下排水系统中引入数据融合技术。但是，当前该系统所处阶段依然是刚开始应用阶段，为更好的应用到排水系统中，就需要进行深入的研究并在实际工作中不断的积累经验。