李 博

（霍州煤電集團(tuán)團(tuán)柏煤礦機(jī)電科， 山西 霍州 031400）

引言

目前，礦井下排水系統(tǒng)的控制有兩種方式：一種是排水用水泵的開關(guān)以及功能的選擇直接由相關(guān)的繼電器人為控制。這樣的系統(tǒng)不具有智能性，其缺點(diǎn)便是無法根據(jù)礦井下的實(shí)際水位或者是其他相關(guān)參數(shù)來控制水泵，很容易發(fā)生積水溢出或者是水泵空吸的情況。另一種是利用PLC作為控制器來控制水泵的啟停，這種控制方式具有一定的自動化效果，操作也比較方便。但存在控制器價(jià)格昂貴、可定制化程度低等缺點(diǎn)。對以上兩種控制方式綜合對比后本文設(shè)計(jì)了一套基于LPC1788的嵌入式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)自動化還具有較強(qiáng)的可定制性，成本也比較低，且具有良好的穩(wěn)定性和控制效果[1]。

1 排水系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為排水系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。從圖1中可以看出本系統(tǒng)共有5臺排水泵，采用的工作方式是兩用兩備一檢修。每臺水泵都有相關(guān)的配套設(shè)施。為了能夠具有突發(fā)水量應(yīng)對能力設(shè)置了兩條排水的管道。水位信號能夠通過相應(yīng)的傳感器來實(shí)時監(jiān)測，并且將監(jiān)測到的信號上傳到控制器。為了能夠保持整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行還對用電設(shè)備比如說電機(jī)等參數(shù)以及物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)上傳到控制器。嵌入式控制系統(tǒng)根據(jù)上傳的傳感器數(shù)據(jù)來做出相應(yīng)的控制[2]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分

如圖2所示為本系統(tǒng)的總體架構(gòu)。從圖2中可以看出本控制系統(tǒng)包括以下幾大部分：井下水倉水位監(jiān)控部分、嵌入式控制系統(tǒng)部分、水泵出水壓力檢測部分、水泵電機(jī)部分、液壓缸控制閘閥部分和射流閥部分等。他們共同組成了井下排水系統(tǒng)[3]。

圖1 排水系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 主控制器

下頁圖3為控制系統(tǒng)硬件組成。本監(jiān)控系統(tǒng)的控制器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位芯片，型號為LPC1788。最高主頻為120 MHz，SRAM容量為96 kB，EEPROM的大小為4 kB，F(xiàn)LASH大小為512 kB。支持串口通信、SPI總線、CAN總線和以太網(wǎng)總線等通信方式，非常適合應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的PLC和單片機(jī)相比具有以下優(yōu)勢：首先是硬件資源以及通信接口豐富，能夠支持簡單的嵌入式實(shí)時系統(tǒng)；其次就是開發(fā)周期短，可定制性強(qiáng)；最后便是價(jià)格便宜功能穩(wěn)定。

2.2 數(shù)據(jù)輸入與輸出模塊

本系統(tǒng)的監(jiān)控參數(shù)主要有六項(xiàng)：水泵出水口的壓力、水泵的軸承溫度、礦井下水位、驅(qū)動電機(jī)軸承溫度、吸水管的真空度和開關(guān)閥的位置。

圖3 嵌入式控制系統(tǒng)硬件框圖

圖4為模擬量輸入模塊：為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)采用了模擬量光耦模塊，型號為HCNR201。左端為模擬量輸入的調(diào)理電路，右端的阻容并聯(lián)是為了消除高頻干擾。

圖4 模擬量輸入模塊

圖5為數(shù)字量輸入電路，同樣采用了光電隔離模塊增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，左端采用12 V電壓是為了增強(qiáng)遠(yuǎn)距離數(shù)值信號傳輸?shù)膹?qiáng)度，C215電容主要作用是為了濾波，74LVC14A是驅(qū)動芯片，能夠增強(qiáng)電路信號。

水泵的開啟時間以及臺數(shù)主要是取決于水倉的水位，本系統(tǒng)采用的水位檢測傳感器為GUY10煤礦專用的液位傳感器，由于其輸出的信號為4～20mA的電流信號，所以需要經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓調(diào)理電路后才能將其送入到控制系統(tǒng)的輸入管腳。其他的參數(shù)檢測也是使用了相關(guān)的傳感器，比如溫度的檢測采用了NTC系列的傳感器，而真空度的檢測則是采用了壓力傳感器，信號為PTP系列的。由于他們輸出的信號都不能夠直接被控制器識別，所以需要先對其進(jìn)行信號處理，再輸入到控制器的輸入管腳。

圖5 數(shù)字量輸入模塊

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊接口

考慮到本系統(tǒng)中通信的速度要求比較低、信息量小以及成本等因素，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用RS-485轉(zhuǎn)RS-232來實(shí)現(xiàn)，RS-485電路負(fù)責(zé)與監(jiān)控終端之間通信，RS-232主要是與控制器之間通信。通信參數(shù)配置為：波特率是115 200，數(shù)據(jù)位為8位，1位停止位沒有奇偶校驗(yàn)位。同時由于本系統(tǒng)是后來加入的系統(tǒng)，為了能夠較好地兼容礦井原有的通信網(wǎng)絡(luò)所以采用了RS-485通信方式。這也是出于控制成本減少不必要浪費(fèi)的結(jié)果。通信線路的主要任務(wù)就是接受下端傳來的各種信號，將控制器的命令下傳到端部。

圖6為RS-485通訊接口電路。使用的電平轉(zhuǎn)換芯片為MAMIM公司的經(jīng)典通信芯片，型號為MAX13085。由于通信線路比較強(qiáng)，為了保持通信的穩(wěn)定，電路中加入了驅(qū)動芯片，型號為74LVC07。由于工作環(huán)境在礦井下，干擾比較多，為了增強(qiáng)電路的抗干擾能力在信號的輸入輸出口加入了光耦，用于信號的隔離，型號為TLP2362。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分

3.1 水泵啟動方案及水位監(jiān)控

圖6 RS-485接口電路

本系統(tǒng)的控制策略是基于井下特殊的供電需求來設(shè)定的。為了更精確地檢測水倉水位，系統(tǒng)將水倉水位設(shè)置成4條水位線。由下而上看第二條水位線以下是安全水位，在第二條與第三條之間的水位被認(rèn)為是低于警戒水位，可以利用用電的低峰期來進(jìn)行排水。在第三條線與第四條之間的水位是中等的警戒水位，需要在任何時候都能夠排水。而超出第四條線以后屬于高度警戒的水位，需要開啟多臺水泵及時排水[4]。

具體的控制策略如圖7所示。系統(tǒng)啟動后先檢測水位狀況：如果處于水位線2以下時便判斷是否處于用電低峰期，如果是則啟動水泵進(jìn)行排水，如果不是則暫時不啟動水泵；當(dāng)檢測到水位超出水位線3時則不用判斷用電時期直接啟動一臺水泵進(jìn)行排水；當(dāng)水位超出水位線4時則判斷為礦井水倉溢出，立即啟動兩臺水泵進(jìn)行及時的排水；當(dāng)觸發(fā)礦井經(jīng)濟(jì)水位線時則立即啟動所有的水泵進(jìn)行排水，只有當(dāng)水位下降到水位線1以下時才能停止水泵的工作。

圖7 水泵組啟動方案控制原理

3.2 系統(tǒng)工作模式

根據(jù)煤礦井下生產(chǎn)條例的規(guī)定，本系統(tǒng)設(shè)置了三種工作模式，分別為自動、遠(yuǎn)程和就地模式[5]。

1）遠(yuǎn)程控制模式。礦井生產(chǎn)中有的現(xiàn)場離控制器比較遠(yuǎn)，為了減少工作人員的工作負(fù)荷，需要在控制器的人機(jī)界面上便能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行啟?？刂?。

2）自動控制模式。自動控制模式便是控制器能夠利用內(nèi)部預(yù)設(shè)的控制程序，通過對各種傳感器參數(shù)的對比來做出控制決策，來控制系統(tǒng)中器件的啟停，在完全沒有認(rèn)為干預(yù)的條件下，該模式是實(shí)現(xiàn)井下無人值守的基礎(chǔ)。

3）就地控制模式。在實(shí)際工況中控制器有時候會距離被控制設(shè)備比較遠(yuǎn)，當(dāng)對電機(jī)或者是水泵等進(jìn)行檢修時需要隨時控制其啟停，這時就地模式便是最好的選擇，工人能夠通過現(xiàn)場的按鈕開關(guān)等來直接對電機(jī)等進(jìn)行操作，不用在控制器上控制。

4 排水控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

本系統(tǒng)主要以ARM嵌入式系統(tǒng)為主控制器，在主控制器外圍設(shè)置必要的外設(shè)，比如鍵盤電路、人際界面等?？刂破飨到y(tǒng)首先通過現(xiàn)場的各種傳感器采集關(guān)鍵信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路后輸入到控制器，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的控制程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析。分析后作出相應(yīng)的動作，同時將實(shí)時畫面顯示到人際界面上。同時用戶能夠通過外部接口修改參數(shù)或者進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等。本系統(tǒng)具有以下四種主要功能：

1）系統(tǒng)無人值守。將系統(tǒng)設(shè)置為自動控制模式時控制器便會根據(jù)傳感器上傳的信號自動做出相應(yīng)判斷，同時將各項(xiàng)參數(shù)以及畫面顯示到人際界面上，能夠?qū)崿F(xiàn)完全的無人化控制。

2）遠(yuǎn)程監(jiān)控。控制器位于井下，通過通信方式直接連接到地面的監(jiān)控中心，當(dāng)有特殊情況發(fā)生時，地面的監(jiān)控中心能夠直接控制現(xiàn)場設(shè)備并通過控制器命令。

3）歷史曲線查詢。為了更好地反應(yīng)出一段時間內(nèi)礦井下水量的基本情況，本系統(tǒng)會將一段時間內(nèi)的水位情況繪制成曲線圖顯示到人接界面上，這樣就方便工作人員對工作狀況進(jìn)行調(diào)整和預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)更好控制。

4）企業(yè)信息化。由于本系統(tǒng)是開放式的嵌入式系統(tǒng)，各種接口都符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，功能穩(wěn)定可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠?qū)⑵渌目刂葡到y(tǒng)聯(lián)系起來以便實(shí)現(xiàn)整個煤礦的集中控制，這便是企業(yè)信息化。

5 結(jié)論

本款嵌入式井下排水檢測控制系統(tǒng)，通過各種傳感器將信號采集處理后輸入到控制器，控制器通過已有的控制條件對其進(jìn)行判斷處理，最后發(fā)出控制信號。同時利用現(xiàn)場總線將實(shí)時的控制信息上傳到地面的監(jiān)控中心，能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式的控制，為以后礦井下其他控制系統(tǒng)的升級提供了思路。