宋曉光++李楊++王興佳

摘 要：通化礦務(wù)局八寶煤業(yè)屬高瓦斯礦井，采用水采方式進(jìn)行采掘，加之地下自然涌水，因此井下出水量大，井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)的應(yīng)用顯得尤其重要。針對(duì)八寶煤業(yè)井下排水情況，本文以實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，采用先進(jìn)的PLC控制核心，配合各類精確傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)井下涌水和排水系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行精確地實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)無人值守，完成了八寶煤業(yè)井下排水系統(tǒng)的自動(dòng)化改造。

關(guān)鍵詞：PLC井下自動(dòng)化排水系統(tǒng) 中央水泵房 數(shù)據(jù)融合

中圖分類號(hào)：TD442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（a）-0019-02

Design and Application of Automatic Underground Drainage System

Based on Data Fusion Technology

Song Xiaoguang1 Li Yang2 Wang Xingjia2

（1.Tonghua Mining Group Co.，Ltd Baishan in Jilin City Province，Baishan Jilth 134300，China；

2.ShenYang LanYu AnYi Automation Co.，Ltd Shenyang in Liaoning City Province shenYang，Liaoving，110020，China）

Abstract：Tonghua Bureau of Mines coal Babao belongs to high gas mine，the way of mining production is using water.Application of the automatic drainage system underground is especially important，because of the underground natural water and underground water is particularly much.Based on the actual application as the starting point for Babao coal mine drainage situation，using PLC control core advanced with all kinds of precise sensor data fusion technology to real-time monitoring the running situation of underground water inrush accurately and drainage system.Implementation of underground drainage system for unattended，complete automation Babao coal mine drainage system.

Key Words：PLC Automatic Underground Drainage System；Drainage Double Monitoring System；Central Pump Room

隨著煤礦自動(dòng)化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)與輔助生產(chǎn)的自動(dòng)控制成為當(dāng)代煤炭生產(chǎn)發(fā)展的主要方向。煤礦自動(dòng)化包括安全監(jiān)控自動(dòng)化、通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化、瓦斯監(jiān)控自動(dòng)化、人員定位系統(tǒng)自動(dòng)化和井下排水自動(dòng)化等等。本文主要針對(duì)井下排水自動(dòng)化進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。針對(duì)通化礦務(wù)局八寶煤業(yè)井下排水系統(tǒng)的硬件條件和自然條件，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)八寶煤業(yè)井下排水的自動(dòng)控制[1]。

八寶煤業(yè)井下有三臺(tái)多級(jí)耐磨離心泵進(jìn)行排水：

額定流量：300 m3/h

額定揚(yáng)程：455 m

運(yùn)行轉(zhuǎn)速：1480 r/min

該煤礦采用水采方式進(jìn)行煤炭生產(chǎn)，加之自然涌水，因此井下涌水情況復(fù)雜，靠單一的液位傳感器監(jiān)控很難準(zhǔn)確對(duì)水位進(jìn)行判斷。

為此，本文探討一種基于PLC和數(shù)據(jù)融合技術(shù)相結(jié)合的井下排水控制系統(tǒng)，通過對(duì)井下涌水環(huán)境中各因素的模糊動(dòng)態(tài)最優(yōu)化調(diào)整來提供井下水倉水位的最佳檢測依據(jù)，從而提高水位的監(jiān)測精度。聯(lián)合井下人機(jī)界面監(jiān)控裝置對(duì)水位進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算，實(shí)時(shí)對(duì)排水系統(tǒng)各部分傳感器（包括溫度、正壓、負(fù)壓等）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而提高井下排水系統(tǒng)的智能化、安全性和穩(wěn)定性等。很好的提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 基于數(shù)據(jù)融合控制技術(shù)井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是一宗對(duì)多源信息進(jìn)行有效融合處理的新型理論和技術(shù)。它于20世紀(jì)70年代初在美國國防部的聲吶信號(hào)處理系統(tǒng)中最早得到體現(xiàn)，之后經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，至今已被廣泛應(yīng)用在軍事、工業(yè)、金融及空中交通管制等領(lǐng)域。所謂的數(shù)據(jù)融合（Data Fusion）是一種多層次，多方面的處理過程，通過對(duì)多元數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、結(jié)合、相關(guān)、估計(jì)，以及完整、及時(shí)的態(tài)勢評(píng)估和威脅評(píng)估。

在井下自動(dòng)排水控制系統(tǒng)中，由于各種不定因素干擾源的存在，利用相關(guān)傳感器進(jìn)行測量時(shí)總是不可避免地存在測量噪聲，因此，由傳感器獲得的信息往往是不完全和不準(zhǔn)確的，這必將降低控制系統(tǒng)的可靠性。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)中常用多傳感器并行處理，即傳感器冗余的方法減小測量噪聲的影響，對(duì)冗余數(shù)據(jù)融合的方法主要包括：加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計(jì)法等[2]。

1.1 基于卡爾曼濾波法的冗余數(shù)據(jù)融合技術(shù)的井下自動(dòng)排水控制系統(tǒng)算法

考慮到井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的非線性，本文采用了擴(kuò)張的卡爾曼濾波法進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)融合，其方法如下：endprint

不失一般性，一個(gè)非線性時(shí)變隨機(jī)系統(tǒng)，其狀態(tài)模型為：

其中：為狀態(tài)向量；為確定性輸入向量，為輸出狀態(tài)向量；位傳感器偏差；非線性函數(shù)：，：，，和關(guān)于狀態(tài)連續(xù)可微，為過程噪聲；為測量噪聲；是不相關(guān)且與統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，此協(xié)方差函數(shù)可化為：

，

，

其中，為克羅內(nèi)克符號(hào)函數(shù)。

我們可以假設(shè)：（1）所有系數(shù)矩陣已知；（2）測量值可連續(xù)得到；（3）遞歸算法中包括新的的估計(jì)算法，并把它作為新的的測量值。

這里不考慮傳感器本身的誤差，只考慮測量噪聲造成的誤差，最優(yōu)濾波方程為：

，

上式中，是卡爾曼濾波增益，它由下式?jīng)Q定：

遞歸的初始條件為：

假定井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)中被測量的狀態(tài)向量使用2個(gè)傳感器進(jìn)行反饋，傳感器的測量值分別為：和，即要估計(jì)的狀態(tài)為：，。

是方差的零均值高斯隨機(jī)變量，融合過程為：

根據(jù)假定，測量值可連續(xù)得到，且初值，當(dāng)也可以得到時(shí)，的最優(yōu)估計(jì)為：

方差估計(jì)為：，由此可見，融合后比任意單獨(dú)測量值的方差都小，此外，估計(jì)中的方差提供了確定每個(gè)測量值權(quán)值的手段，它可以保證把最小方差的測量值給出最大權(quán)值。如果采用3個(gè)以上的冗余傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，效果會(huì)更加明顯。

2 基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

根據(jù)國家對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的“安全、可靠、簡約、自動(dòng)化、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”的要求，經(jīng)過工作人員的實(shí)地考察，提出了針對(duì)八寶煤業(yè)井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的具體要求和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

（1）設(shè)計(jì)方案和礦用設(shè)備的選用須符合國家相關(guān)煤礦生產(chǎn)和管理的相關(guān)規(guī)定；（2）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須安全可靠，實(shí)現(xiàn)礦方排水系統(tǒng)要求；（3）準(zhǔn)確實(shí)時(shí)顯示也未變化，針對(duì)井下涌水復(fù)雜條件系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行處理；（4）設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化程度高，維修方便，運(yùn)行可靠；（5）該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、就地控制和集中控制等多種控制手段。最終完成一套基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的井下自動(dòng)排水的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)組成和控制關(guān)系

系統(tǒng)主要由PLC控制箱、井下集中控制平臺(tái)、井下數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、井上數(shù)據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及各類傳感器組成。本系統(tǒng)組成的優(yōu)點(diǎn)時(shí)采用多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。具體組成如圖1所示。

本系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要分一下步驟：多臺(tái)液位傳感器檢測液位變化后將液位信息傳給PLC控制器，PLC控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理并與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較提前做出是否啟泵判斷；如滿足啟泵條件，將開啟抽真空裝置；檢測真空度；判斷啟動(dòng)水泵臺(tái)數(shù)；開啟水泵，正壓判斷；開啟出水閥門；完成排水啟動(dòng)。

2.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)系統(tǒng)的必要性

傳統(tǒng)的井下排水系統(tǒng)都是單一的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，主要由各部分傳感器、執(zhí)行器、PLC控制箱、操作臺(tái)等組成，有的時(shí)候根據(jù)需要還要在井上配有一臺(tái)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。本操作系統(tǒng)在原有的自動(dòng)控制系統(tǒng)上增加一臺(tái)數(shù)據(jù)融合處理計(jì)算機(jī)，來對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。這套監(jiān)控系統(tǒng)的與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比其優(yōu)點(diǎn)在于以下幾方面。

（1）能夠及時(shí)反映現(xiàn)場各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，以便現(xiàn)場操作人員及時(shí)了解參數(shù)變化信息；（2）將現(xiàn)場各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息集中顯示，不需要手動(dòng)操作即可看到相關(guān)信息，不需要現(xiàn)場操作人員實(shí)地觀看，減少勞動(dòng)量；（3）在井下數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)置輸入融合處理功能程序，減少了PLC計(jì)算量，提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度；（4）各部分?jǐn)?shù)據(jù)通信采用TCP/IP和485總線技術(shù)進(jìn)行通信，保證了數(shù)據(jù)通信的快速性和準(zhǔn)確性。

經(jīng)過改進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)和原來的監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到如表1數(shù)據(jù)。

由于八寶煤業(yè)井下水環(huán)境復(fù)雜還處于多水位置，地面流過渾江，因此，此系統(tǒng)判斷精度和系統(tǒng)的反應(yīng)速度非常重要的。因此，雙監(jiān)控系統(tǒng)的引進(jìn)是非常正確的，也是非常必要的。

2.3 效益分析

（1）該系統(tǒng)運(yùn)行投入運(yùn)行后，傳統(tǒng)系統(tǒng)：經(jīng)常投入人力進(jìn)行分析，確定涌水情況，判斷是否需要緊急開泵；此監(jiān)控系統(tǒng)：直接根據(jù)多傳感器液位反應(yīng)信息集合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷是否開啟水泵和開啟幾臺(tái)水泵。提高了勞動(dòng)效率，提高了經(jīng)濟(jì)效益。（2）采用雙系統(tǒng)后提高了啟泵的合理性，降低了啟泵臺(tái)數(shù)的誤操作性，集中顯示井下數(shù)據(jù)信息，降低了工作人員的勞動(dòng)量，與井上監(jiān)控系統(tǒng)配合，完全提高了整個(gè)系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性和快速性。

3 結(jié)語

基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的自動(dòng)排水系統(tǒng)以其顯著的特點(diǎn)和獨(dú)特的優(yōu)勢在井下排水系統(tǒng)中發(fā)揮著顯著的作用。在井下排水系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)得到很多業(yè)內(nèi)同行的認(rèn)可。本文將數(shù)據(jù)融合技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到八寶煤業(yè)井下排水系統(tǒng)中取得了很好的效果，也獲得礦領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。由于此套系統(tǒng)現(xiàn)在還處于開始應(yīng)用階段，還需要進(jìn)一步改進(jìn)以便更好的應(yīng)用于排水系統(tǒng)中，所以還需要很多的實(shí)際工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉宏林.煤礦井下中央泵房排水設(shè)備電控系統(tǒng)的PLC改造[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009（38）：52-54.

[2] 吳浩峻.船舶電站控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)探討[J].中國修船，2005（5）：21-23.

[3] 孟憲堯.數(shù)據(jù)融合技術(shù)與船舶自動(dòng)化[M].大連海事大學(xué)出版社，2003.

[4] 李洋.林南倉礦井下泵房無人值守自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2010（31）：138.endprint

不失一般性，一個(gè)非線性時(shí)變隨機(jī)系統(tǒng)，其狀態(tài)模型為：

其中：為狀態(tài)向量；為確定性輸入向量，為輸出狀態(tài)向量；位傳感器偏差；非線性函數(shù)：，：，，和關(guān)于狀態(tài)連續(xù)可微，為過程噪聲；為測量噪聲；是不相關(guān)且與統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，此協(xié)方差函數(shù)可化為：

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其中，為克羅內(nèi)克符號(hào)函數(shù)。

我們可以假設(shè)：（1）所有系數(shù)矩陣已知；（2）測量值可連續(xù)得到；（3）遞歸算法中包括新的的估計(jì)算法，并把它作為新的的測量值。

這里不考慮傳感器本身的誤差，只考慮測量噪聲造成的誤差，最優(yōu)濾波方程為：

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上式中，是卡爾曼濾波增益，它由下式?jīng)Q定：

遞歸的初始條件為：

假定井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)中被測量的狀態(tài)向量使用2個(gè)傳感器進(jìn)行反饋，傳感器的測量值分別為：和，即要估計(jì)的狀態(tài)為：，。

是方差的零均值高斯隨機(jī)變量，融合過程為：

根據(jù)假定，測量值可連續(xù)得到，且初值，當(dāng)也可以得到時(shí)，的最優(yōu)估計(jì)為：

方差估計(jì)為：，由此可見，融合后比任意單獨(dú)測量值的方差都小，此外，估計(jì)中的方差提供了確定每個(gè)測量值權(quán)值的手段，它可以保證把最小方差的測量值給出最大權(quán)值。如果采用3個(gè)以上的冗余傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，效果會(huì)更加明顯。

2 基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

根據(jù)國家對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的“安全、可靠、簡約、自動(dòng)化、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”的要求，經(jīng)過工作人員的實(shí)地考察，提出了針對(duì)八寶煤業(yè)井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的具體要求和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

（1）設(shè)計(jì)方案和礦用設(shè)備的選用須符合國家相關(guān)煤礦生產(chǎn)和管理的相關(guān)規(guī)定；（2）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須安全可靠，實(shí)現(xiàn)礦方排水系統(tǒng)要求；（3）準(zhǔn)確實(shí)時(shí)顯示也未變化，針對(duì)井下涌水復(fù)雜條件系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行處理；（4）設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化程度高，維修方便，運(yùn)行可靠；（5）該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、就地控制和集中控制等多種控制手段。最終完成一套基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的井下自動(dòng)排水的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)組成和控制關(guān)系

系統(tǒng)主要由PLC控制箱、井下集中控制平臺(tái)、井下數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、井上數(shù)據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及各類傳感器組成。本系統(tǒng)組成的優(yōu)點(diǎn)時(shí)采用多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。具體組成如圖1所示。

本系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要分一下步驟：多臺(tái)液位傳感器檢測液位變化后將液位信息傳給PLC控制器，PLC控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理并與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較提前做出是否啟泵判斷；如滿足啟泵條件，將開啟抽真空裝置；檢測真空度；判斷啟動(dòng)水泵臺(tái)數(shù)；開啟水泵，正壓判斷；開啟出水閥門；完成排水啟動(dòng)。

2.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)系統(tǒng)的必要性

傳統(tǒng)的井下排水系統(tǒng)都是單一的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，主要由各部分傳感器、執(zhí)行器、PLC控制箱、操作臺(tái)等組成，有的時(shí)候根據(jù)需要還要在井上配有一臺(tái)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。本操作系統(tǒng)在原有的自動(dòng)控制系統(tǒng)上增加一臺(tái)數(shù)據(jù)融合處理計(jì)算機(jī)，來對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。這套監(jiān)控系統(tǒng)的與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比其優(yōu)點(diǎn)在于以下幾方面。

（1）能夠及時(shí)反映現(xiàn)場各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，以便現(xiàn)場操作人員及時(shí)了解參數(shù)變化信息；（2）將現(xiàn)場各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息集中顯示，不需要手動(dòng)操作即可看到相關(guān)信息，不需要現(xiàn)場操作人員實(shí)地觀看，減少勞動(dòng)量；（3）在井下數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)置輸入融合處理功能程序，減少了PLC計(jì)算量，提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度；（4）各部分?jǐn)?shù)據(jù)通信采用TCP/IP和485總線技術(shù)進(jìn)行通信，保證了數(shù)據(jù)通信的快速性和準(zhǔn)確性。

經(jīng)過改進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)和原來的監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到如表1數(shù)據(jù)。

由于八寶煤業(yè)井下水環(huán)境復(fù)雜還處于多水位置，地面流過渾江，因此，此系統(tǒng)判斷精度和系統(tǒng)的反應(yīng)速度非常重要的。因此，雙監(jiān)控系統(tǒng)的引進(jìn)是非常正確的，也是非常必要的。

2.3 效益分析

（1）該系統(tǒng)運(yùn)行投入運(yùn)行后，傳統(tǒng)系統(tǒng)：經(jīng)常投入人力進(jìn)行分析，確定涌水情況，判斷是否需要緊急開泵；此監(jiān)控系統(tǒng)：直接根據(jù)多傳感器液位反應(yīng)信息集合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷是否開啟水泵和開啟幾臺(tái)水泵。提高了勞動(dòng)效率，提高了經(jīng)濟(jì)效益。（2）采用雙系統(tǒng)后提高了啟泵的合理性，降低了啟泵臺(tái)數(shù)的誤操作性，集中顯示井下數(shù)據(jù)信息，降低了工作人員的勞動(dòng)量，與井上監(jiān)控系統(tǒng)配合，完全提高了整個(gè)系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性和快速性。

3 結(jié)語

基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的自動(dòng)排水系統(tǒng)以其顯著的特點(diǎn)和獨(dú)特的優(yōu)勢在井下排水系統(tǒng)中發(fā)揮著顯著的作用。在井下排水系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)得到很多業(yè)內(nèi)同行的認(rèn)可。本文將數(shù)據(jù)融合技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到八寶煤業(yè)井下排水系統(tǒng)中取得了很好的效果，也獲得礦領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。由于此套系統(tǒng)現(xiàn)在還處于開始應(yīng)用階段，還需要進(jìn)一步改進(jìn)以便更好的應(yīng)用于排水系統(tǒng)中，所以還需要很多的實(shí)際工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉宏林.煤礦井下中央泵房排水設(shè)備電控系統(tǒng)的PLC改造[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009（38）：52-54.

[2] 吳浩峻.船舶電站控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)探討[J].中國修船，2005（5）：21-23.

[3] 孟憲堯.數(shù)據(jù)融合技術(shù)與船舶自動(dòng)化[M].大連海事大學(xué)出版社，2003.

[4] 李洋.林南倉礦井下泵房無人值守自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2010（31）：138.endprint

不失一般性，一個(gè)非線性時(shí)變隨機(jī)系統(tǒng)，其狀態(tài)模型為：

其中：為狀態(tài)向量；為確定性輸入向量，為輸出狀態(tài)向量；位傳感器偏差；非線性函數(shù)：，：，，和關(guān)于狀態(tài)連續(xù)可微，為過程噪聲；為測量噪聲；是不相關(guān)且與統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，此協(xié)方差函數(shù)可化為：

，

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其中，為克羅內(nèi)克符號(hào)函數(shù)。

我們可以假設(shè)：（1）所有系數(shù)矩陣已知；（2）測量值可連續(xù)得到；（3）遞歸算法中包括新的的估計(jì)算法，并把它作為新的的測量值。

這里不考慮傳感器本身的誤差，只考慮測量噪聲造成的誤差，最優(yōu)濾波方程為：

，

上式中，是卡爾曼濾波增益，它由下式?jīng)Q定：

遞歸的初始條件為：

假定井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)中被測量的狀態(tài)向量使用2個(gè)傳感器進(jìn)行反饋，傳感器的測量值分別為：和，即要估計(jì)的狀態(tài)為：，。

是方差的零均值高斯隨機(jī)變量，融合過程為：

根據(jù)假定，測量值可連續(xù)得到，且初值，當(dāng)也可以得到時(shí)，的最優(yōu)估計(jì)為：

方差估計(jì)為：，由此可見，融合后比任意單獨(dú)測量值的方差都小，此外，估計(jì)中的方差提供了確定每個(gè)測量值權(quán)值的手段，它可以保證把最小方差的測量值給出最大權(quán)值。如果采用3個(gè)以上的冗余傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，效果會(huì)更加明顯。

2 基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

根據(jù)國家對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的“安全、可靠、簡約、自動(dòng)化、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”的要求，經(jīng)過工作人員的實(shí)地考察，提出了針對(duì)八寶煤業(yè)井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的具體要求和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

（1）設(shè)計(jì)方案和礦用設(shè)備的選用須符合國家相關(guān)煤礦生產(chǎn)和管理的相關(guān)規(guī)定；（2）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須安全可靠，實(shí)現(xiàn)礦方排水系統(tǒng)要求；（3）準(zhǔn)確實(shí)時(shí)顯示也未變化，針對(duì)井下涌水復(fù)雜條件系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行處理；（4）設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化程度高，維修方便，運(yùn)行可靠；（5）該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制、就地控制和集中控制等多種控制手段。最終完成一套基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的井下自動(dòng)排水的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)組成和控制關(guān)系

系統(tǒng)主要由PLC控制箱、井下集中控制平臺(tái)、井下數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)、井上數(shù)據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及各類傳感器組成。本系統(tǒng)組成的優(yōu)點(diǎn)時(shí)采用多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。具體組成如圖1所示。

本系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要分一下步驟：多臺(tái)液位傳感器檢測液位變化后將液位信息傳給PLC控制器，PLC控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理并與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較提前做出是否啟泵判斷；如滿足啟泵條件，將開啟抽真空裝置；檢測真空度；判斷啟動(dòng)水泵臺(tái)數(shù)；開啟水泵，正壓判斷；開啟出水閥門；完成排水啟動(dòng)。

2.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)系統(tǒng)的必要性

傳統(tǒng)的井下排水系統(tǒng)都是單一的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，主要由各部分傳感器、執(zhí)行器、PLC控制箱、操作臺(tái)等組成，有的時(shí)候根據(jù)需要還要在井上配有一臺(tái)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。本操作系統(tǒng)在原有的自動(dòng)控制系統(tǒng)上增加一臺(tái)數(shù)據(jù)融合處理計(jì)算機(jī)，來對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。這套監(jiān)控系統(tǒng)的與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比其優(yōu)點(diǎn)在于以下幾方面。

（1）能夠及時(shí)反映現(xiàn)場各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，以便現(xiàn)場操作人員及時(shí)了解參數(shù)變化信息；（2）將現(xiàn)場各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息集中顯示，不需要手動(dòng)操作即可看到相關(guān)信息，不需要現(xiàn)場操作人員實(shí)地觀看，減少勞動(dòng)量；（3）在井下數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)置輸入融合處理功能程序，減少了PLC計(jì)算量，提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度；（4）各部分?jǐn)?shù)據(jù)通信采用TCP/IP和485總線技術(shù)進(jìn)行通信，保證了數(shù)據(jù)通信的快速性和準(zhǔn)確性。

經(jīng)過改進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)和原來的監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到如表1數(shù)據(jù)。

由于八寶煤業(yè)井下水環(huán)境復(fù)雜還處于多水位置，地面流過渾江，因此，此系統(tǒng)判斷精度和系統(tǒng)的反應(yīng)速度非常重要的。因此，雙監(jiān)控系統(tǒng)的引進(jìn)是非常正確的，也是非常必要的。

2.3 效益分析

（1）該系統(tǒng)運(yùn)行投入運(yùn)行后，傳統(tǒng)系統(tǒng)：經(jīng)常投入人力進(jìn)行分析，確定涌水情況，判斷是否需要緊急開泵；此監(jiān)控系統(tǒng)：直接根據(jù)多傳感器液位反應(yīng)信息集合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷是否開啟水泵和開啟幾臺(tái)水泵。提高了勞動(dòng)效率，提高了經(jīng)濟(jì)效益。（2）采用雙系統(tǒng)后提高了啟泵的合理性，降低了啟泵臺(tái)數(shù)的誤操作性，集中顯示井下數(shù)據(jù)信息，降低了工作人員的勞動(dòng)量，與井上監(jiān)控系統(tǒng)配合，完全提高了整個(gè)系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性和快速性。

3 結(jié)語

基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的自動(dòng)排水系統(tǒng)以其顯著的特點(diǎn)和獨(dú)特的優(yōu)勢在井下排水系統(tǒng)中發(fā)揮著顯著的作用。在井下排水系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)得到很多業(yè)內(nèi)同行的認(rèn)可。本文將數(shù)據(jù)融合技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到八寶煤業(yè)井下排水系統(tǒng)中取得了很好的效果，也獲得礦領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。由于此套系統(tǒng)現(xiàn)在還處于開始應(yīng)用階段，還需要進(jìn)一步改進(jìn)以便更好的應(yīng)用于排水系統(tǒng)中，所以還需要很多的實(shí)際工作。

參考文獻(xiàn)

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