韓 明 孫京誥

(鄒城市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局1，山東 鄒城 273500;化工過程先進(jìn)控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，上海 200237)

0 引言

煤礦生產(chǎn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大氣降水、地表水、斷層水、開采用水等流入巷道或工作面，若不及時(shí)排出，往往容易誘發(fā)透水事故，淹沒巷道，危及井下生產(chǎn)安全。目前，井下排水主要有繼電器控制排水和PLC控制排水兩種方式。水泵的開停、調(diào)節(jié)和切換均由人工完成，自動(dòng)化程度低、處理緊急情況的效果差，存在很大的安全隱患。因此，基于嵌入式技術(shù)的排水控制得到了廣泛的研究和應(yīng)用，如馬勝利采用ARM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水泵的開關(guān)自動(dòng)控制［1］。

本文設(shè)計(jì)了基于ARM技術(shù)的排水控制系統(tǒng)，并加載智能控制算法，用以解決復(fù)雜控制問題。系統(tǒng)集控制、監(jiān)測(cè)、運(yùn)算于一體，具有安全性和可靠性高、操作靈活、顯示直觀、數(shù)據(jù)處理和分析存儲(chǔ)能力強(qiáng)以及組網(wǎng)方便等特點(diǎn)。

1 排水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

煤礦井下智能排水系統(tǒng)主要包括控制器、水泵控制驅(qū)動(dòng)器、各類傳感器和電動(dòng)閥門。

基于ARM和WinCE的控制器是系統(tǒng)控制的核心，負(fù)責(zé)各種傳感器參數(shù)的采集、顯示和傳遞，以及向水泵驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)出控制指令等。水泵驅(qū)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)向電動(dòng)閥門發(fā)出開關(guān)命令，控制水泵的運(yùn)行。傳感器負(fù)責(zé)采集水位、流量、水泵出口壓力以及水溫等信息。

水泵配備控制驅(qū)動(dòng)器和交流電機(jī)，每6個(gè)水泵作為一個(gè)排水控制單元。其中3個(gè)水泵處于工作狀態(tài)、2個(gè)水泵處于備用狀態(tài)、1個(gè)水泵作為檢修水泵。在正常情況下，3個(gè)水泵處于工作狀態(tài)，在用電高峰時(shí)維持水倉(cāng)水位最低(設(shè)定值)。

水泵綜合控制器實(shí)時(shí)采集水位信息，并傳遞給控制器?？刂破骰贏RM和WinCE(內(nèi)置智能控制算法)，根據(jù)水位的變化情況控制水泵開啟和電機(jī)的變頻，將水倉(cāng)水位維持在最低設(shè)定水位。在用電谷段，由控制器發(fā)出排水指令，全力進(jìn)行水倉(cāng)的排水作業(yè)。控制器可根據(jù)采集水泵的軸承溫度、震動(dòng)等狀態(tài)參數(shù)，提前發(fā)現(xiàn)水泵運(yùn)行故障，并自動(dòng)切換正常水泵，以降低故障率，延長(zhǎng)水泵的工作時(shí)間。

2 井下排水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于ARM和WinCE的控制器

控制器基于ARM和WinCE，主要負(fù)責(zé)傳感器參數(shù)的接收和處理、控制指令的發(fā)出、信息的聯(lián)網(wǎng)傳輸?？刂破髦骺匦酒x用三星公司的S3C2440A芯片，16/32位內(nèi)核，主頻達(dá)到405 MHz，配備64 MB SDRAM、256 MB Nand Flash Memory，提供1個(gè)100 Mbit/s網(wǎng)絡(luò) RJ-45接口、3個(gè)串口、1個(gè) RS-232接口、2個(gè) RS-485接口?？刂破麟娐泛?jiǎn)單、工作電壓低，具備較強(qiáng)的本質(zhì)安全性能［2］。

控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the controller

控制器采用嵌入式WinCE操作系統(tǒng)。WinCE的內(nèi)核小巧、移植性好、運(yùn)行穩(wěn)定、開發(fā)平臺(tái)成熟，廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)中。微軟提供基本的底層驅(qū)動(dòng)軟件包(board support package，BSP)、BootLoader、標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)板電路，并提供了大量源碼。這些源碼只需進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，就可以應(yīng)用于工程。WinCE 6.0系統(tǒng)針對(duì)工業(yè)控制應(yīng)用進(jìn)行了針對(duì)性修改，提高了設(shè)備實(shí)時(shí)響應(yīng)性能;通過定義任務(wù)優(yōu)先級(jí)等方式對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)處理，能夠滿足大部分控制應(yīng)用。對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的控制，也可以通過選擇合適的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行功能擴(kuò)展。

控制器具備多種接口，可連接各種傳感器，采集水泵流量、水位、水溫、真空度、功率等參數(shù)信息，通過以太網(wǎng)接入煤礦井下工業(yè)以太干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控?？刂破髯鳛榭刂啤z測(cè)、傳遞數(shù)據(jù)的核心，在加載智能算法后，可根據(jù)水位等實(shí)時(shí)信息，求解最優(yōu)控制方案;并通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)排水水泵的開關(guān)和電機(jī)控制等，從而實(shí)現(xiàn)水位的智能控制。

2.2 信息聯(lián)網(wǎng)傳送

CAN總線通信速率高、擴(kuò)展能力強(qiáng)、成本低［3］，被廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。如魏士杰、潘宏俠等設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和CAN總線的瓦斯報(bào)警裝置。該裝置使用CAN總線進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸［4］，數(shù)據(jù)傳輸快速、準(zhǔn)確。胡慶新、李冬研究了基于CAN總線的控制系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸［5］。經(jīng)仿真試驗(yàn)證明，CAN總線信息傳輸穩(wěn)定可靠。CAN總線已經(jīng)成為礦用局域網(wǎng)的首選技術(shù)，排水系統(tǒng)通過CAN總線與井上綜合控制中心進(jìn)行信息的通信。ARM支持RS-232串口通信。本文通過轉(zhuǎn)換電路和外接轉(zhuǎn)換器的方式，實(shí)現(xiàn)了RS-232、RS-485、CAN總線三者之間的信息傳遞。RS-485串口抑制共模信號(hào)干擾能力強(qiáng)，傳輸信號(hào)穩(wěn)定、快速，是煤礦井下電氣設(shè)備主要的接口形式［6］。RS-485經(jīng)TNode-485型CAN和RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可以將信息轉(zhuǎn)換為CAN上的信息。

2.3 KDK8多功能驅(qū)動(dòng)器

水泵智能控制流程如圖2所示。

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

KDK8型多功能驅(qū)動(dòng)器采用隔爆兼本安技術(shù)設(shè)計(jì)，適用于存在瓦斯、粉塵等危險(xiǎn)環(huán)境，可為排水水泵提供驅(qū)動(dòng)電力，并能實(shí)現(xiàn)I/O信息采集、數(shù)據(jù)的上傳以及基本的控制。KDK8多功能驅(qū)動(dòng)器配備RS-485串口和CAN接口。驅(qū)動(dòng)器主要有兩個(gè)功能:一是采集水位等信息，經(jīng)CAN總線傳送給控制器;二是接收控制器的控制指令，經(jīng)RS-485傳送控制指令，驅(qū)動(dòng)水泵、電子閥門的運(yùn)行。

煤礦井下采用離心式井下水泵，KDK8型多功能控制器具備離心式井下排水泵啟動(dòng)、關(guān)閉的自動(dòng)控制功能和水位采集、上傳的功能。啟動(dòng)水泵要滿足兩個(gè)條件:一是入水口形成真空，產(chǎn)生排水引力;二是出水口閥門關(guān)閉，減小水泵電機(jī)的啟動(dòng)功率。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的水位上限或接收到控制器水泵啟動(dòng)命令后，KDK8型多功能控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)入水口達(dá)到真空，關(guān)閉出水管口閥門，啟動(dòng)水泵電機(jī)。當(dāng)水位降到下限或接收到控制器關(guān)閉水泵的命令時(shí)，KDK8型多功能控制器關(guān)閉閥門和水泵電機(jī)。

3 井下排水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 井下排水系統(tǒng)的監(jiān)控

控制器采用微軟WinCE 6.0作為系統(tǒng)平臺(tái)，支持Windows臺(tái)式機(jī)系統(tǒng)的串行通信標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。WinCE對(duì)串口的操作簡(jiǎn)便，其操作方式類似于文件的讀寫，可實(shí)現(xiàn)串口的開閉和數(shù)據(jù)的傳送、接收等功能。主要串口操作函數(shù)有:CreateFile、SetCommState、ReadFile、WriteFile、CloseHandle?？刂破魍ㄟ^水泵綜合控制器連接各類傳感器采集水位、流速、軸承溫度等參數(shù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)或傳送到上位機(jī)。當(dāng)水位超過限定值時(shí)，控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào);當(dāng)流速低于設(shè)定值時(shí)，則報(bào)警提醒;當(dāng)軸承超過設(shè)定溫度時(shí)，則根據(jù)設(shè)定進(jìn)行水泵自動(dòng)切換。

3.2 井下排水系統(tǒng)的運(yùn)行

井下涌水的大小受礦區(qū)地質(zhì)、水文、地形、開采用水等因素的影響，水位時(shí)刻變化，情況復(fù)雜。煤礦井下排水多采用大功率水泵，耗電量大，約占煤礦總耗電的17.5% ～40.9%，有的甚至超過 60%［7］，而在工作時(shí)間進(jìn)行排水往往影響正常的生產(chǎn)用電。因此，采用“分時(shí)用電、錯(cuò)峰運(yùn)行”的方式，科學(xué)控制水泵的開關(guān)和運(yùn)行，提高水泵效率，這對(duì)排水系統(tǒng)高效低耗、經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行具有重要意義。當(dāng)采用“避峰填谷”水位調(diào)度方法時(shí)，在用電峰段，排水系統(tǒng)需要對(duì)水倉(cāng)水位進(jìn)行上限控制，使水位維持在水倉(cāng)的最大水位。井下臨時(shí)儲(chǔ)水的水倉(cāng)有很多個(gè)，各水倉(cāng)的最大儲(chǔ)水上限各不相同。各水倉(cāng)的水位隨著地表滲水、大氣降水、采礦排水等的變化而變化，各水倉(cāng)之間也互相影響。對(duì)多個(gè)水倉(cāng)水位進(jìn)行控制實(shí)際是一種多變量耦合控制的問題。傳統(tǒng)控制算法需要建立控制模型，多變量耦合控制存在很強(qiáng)的非線性，采用經(jīng)典控制方法往往效果不好。本文采用基于粒子群權(quán)值修正的PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制算法(particle swarm optimization-PID neural network，PSO-PIDNN)進(jìn)行了3 個(gè)水倉(cāng)水位的解耦控制［8-10］，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位的精確控制。PSO-PIDNN算法仿真效果如圖3所示。

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

排水泵房避峰填谷用電是常用的節(jié)電方式，常規(guī)方式是在用電峰時(shí)段(8:00～11:00、13:00～18:00、19:00～22:00)停止排水或用單臺(tái)泵排水，用電谷時(shí)段集中排水。這種方式需要用水單位在用電峰段減少用水，并配備足夠的井下水倉(cāng)，確保有效容積儲(chǔ)水。在發(fā)生突發(fā)透水情況時(shí)，要求值守人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并啟動(dòng)其余水泵進(jìn)行集中排水。若值守人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)水位上升，將會(huì)影響生產(chǎn)安全。本文設(shè)計(jì)的井下排水控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖4所示。

圖4 排水系統(tǒng)控制流程圖Fig.4 Control flowchart of drainage system

在用電峰段，將水倉(cāng)水位控制在設(shè)定值。當(dāng)水位上升超過設(shè)定水位時(shí)，則啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水。在用電谷段，啟動(dòng)其余工作狀態(tài)的水泵，全力進(jìn)行排水，將水位降至最低。煤礦井下排水系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控和水泵的智能控制兩大功能。分時(shí)段水倉(cāng)水位如圖5所示。

圖5 分時(shí)段水位圖Fig.5 Summary of water level records

控制器顯示屏和井上綜控操作臺(tái)可實(shí)時(shí)模擬顯示水倉(cāng)水位、水泵流量、水泵內(nèi)壓、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、閥門開閉狀態(tài)以及軸承溫度等信息。通過CAN總線，可以方便快捷地共享監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。井下水泵控制器提供基本功能函數(shù)，管理人員可以設(shè)置自動(dòng)診斷功能，實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)切換。水泵控制系統(tǒng)提供的主要診斷保護(hù)功能如下。

①流量保護(hù)［11］。當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)，若流量達(dá)不到正常值，則停止該臺(tái)水泵運(yùn)行，并切換至其他水泵，將故障信息存儲(chǔ)并上傳。

②溫度保護(hù)。當(dāng)水泵電機(jī)和驅(qū)動(dòng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，停止該水泵運(yùn)行，輪換其他水泵。

③工作水泵和備用水泵的輪換運(yùn)行。備用水泵主要在工作水泵發(fā)生故障或突發(fā)透水時(shí)使用，長(zhǎng)期閑置會(huì)造成電路腐蝕、損壞。系統(tǒng)進(jìn)行定期的水泵輪換，即防止水泵因連續(xù)使用而損壞，也可及時(shí)發(fā)現(xiàn)備用水泵問題，進(jìn)行提前診斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于ARM技術(shù)的井下排水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)和智能控制功能，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵的運(yùn)行監(jiān)控與水泵間的自動(dòng)切換。通過加載智能算法，系統(tǒng)能夠精確控制井下水位，并根據(jù)用電峰谷，科學(xué)調(diào)度水泵運(yùn)行;在用電高峰控制水位在高限，用電谷段進(jìn)行全力排水，以實(shí)現(xiàn)“分時(shí)用電、錯(cuò)峰排水”，滿足煤礦井下實(shí)際應(yīng)用需求。仿真表明，該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、操作靈活、顯示直觀、數(shù)據(jù)處理和分析存儲(chǔ)能力強(qiáng)大、組網(wǎng)方便的特點(diǎn)，可以滿足煤礦井下多水泵監(jiān)測(cè)和控制需要，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］馬勝利，溫國(guó)棟.基于ARM的煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.礦山機(jī)械，2009(1):11-14.

［2］張顯力.防爆電氣概論［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:148-152.

［3］馬納吉.實(shí)施CAN總線通信提高煤礦生產(chǎn)安全［J］.煤礦技術(shù)，2010，29(5):160-164.

［4］魏士杰，潘宏俠，劉波.基于單片機(jī)和CAN總線的煤礦瓦斯報(bào)警裝置設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2010(6):8-11.

［5］胡慶新，李冬.基于CAN總線的煤礦控制系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难芯浚跩］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2010，33(10):1515-1518.

［6］張翠云，王福忠.基于RS485總線的煤礦井下供電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.礦山機(jī)械，2007，35(5):120-121.

［7］李明相.論煤礦井下排水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與對(duì)策［J］.中小企業(yè)管理與科技，2011(5):229-230.

［8］舒懷林.PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)機(jī)器控制系統(tǒng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［9］徐麗娜.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［10］董偉杰，劉長(zhǎng)華，宋華.基于PIDNN控制的飛行模擬器人感系統(tǒng)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，34(2):153-157.

［11］薛志剛.現(xiàn)代化礦井主排水泵自動(dòng)控制技術(shù)分析［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010(36):63-65.