煤礦井下自動(dòng)排水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉映群

（廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東省廣州市，510663）

近年來(lái)，隨著煤礦安全生產(chǎn)意識(shí)的不斷提高，煤礦井下的排水問(wèn)題也越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。目前，主要存在兩種井下排水方式：一種是繼電器手動(dòng)控制方式，該種方式主要由人工來(lái)控制水泵的開(kāi)停及選擇切換，因此對(duì)人的素質(zhì)有著較高的要求，如果相關(guān)人員嚴(yán)重缺乏責(zé)任心，就極有可能造成水泵吸空或積水溢出等諸多嚴(yán)重后果；另一種是PLC+變頻器控制方式，該種方式主要是通過(guò)交流電機(jī)來(lái)啟動(dòng)水泵，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排水的目的。與第一種方式相比，這種方式具有自動(dòng)化程度高、操作便捷和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，然而，這種設(shè)備的價(jià)格相對(duì)昂貴，很難在全國(guó)的中小煤礦企業(yè)中普及。因此，本文依托ARM 嵌入式技術(shù)研究了一種新型的煤礦井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有安全性好、可靠性高、穩(wěn)定性好以及價(jià)格相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)液位傳感器自動(dòng)檢測(cè)水位信號(hào)并自動(dòng)控制水泵啟停。

1 我國(guó)煤礦排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 煤礦排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1.1 煤礦企業(yè)排水系統(tǒng)仍過(guò)多采用繼電器系統(tǒng)

目前，我國(guó)仍有較多煤礦企業(yè)采用繼電器形式的排水機(jī)械系統(tǒng)，繼電器系統(tǒng)有著較為龐大的體積，如果需要調(diào)整或維修，需要耗費(fèi)大量的人力和物力，而且它的安全性能系數(shù)較低，如果操作不當(dāng)，就極容易引發(fā)安全事故。同時(shí)，繼電器形式的排水機(jī)械系統(tǒng)采用的是較為普通的直接電機(jī)啟動(dòng)方式，使用這種啟動(dòng)方式會(huì)瞬間給其它機(jī)械系統(tǒng)以及整個(gè)電網(wǎng)造成巨大的沖擊力，進(jìn)而導(dǎo)致電流的紊亂，降低電機(jī)的使用壽命，影響最終的排水效果。此外，與其它系統(tǒng)相比，在涌水量和水位方面缺乏準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)定位，操作難度較大，操作故障系數(shù)較高。因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度講，淘汰或更新繼電器系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤礦企業(yè)安全發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的必然舉措。

1.1.2 煤礦企業(yè)排水機(jī)械控制仍過(guò)多采用手工操作模式

當(dāng)前我國(guó)煤礦企業(yè)井下排水現(xiàn)狀相對(duì)較差，這與采用傳統(tǒng)的手工操作模式有關(guān)。所謂手工操作模式，就是由人工來(lái)控制水泵的開(kāi)與關(guān)，在手工操作的環(huán)境中，離心式水泵是排水系統(tǒng)中的主要系統(tǒng)。因此，無(wú)論是泵站設(shè)備的啟停還是狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，都是根據(jù)已有的操作規(guī)程以及工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。手工操作模式存在對(duì)人的依賴(lài)性大、操作工序繁雜、勞動(dòng)強(qiáng)度高和容易存在安全隱患等缺點(diǎn)，不適應(yīng)礦井自動(dòng)化和信息化的要求。因此，手工操作模式是煤礦企業(yè)排水設(shè)計(jì)過(guò)程中必須及時(shí)解決的問(wèn)題。

1.2 煤礦排水系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

1.2.1 系統(tǒng)監(jiān)控不集中

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備監(jiān)測(cè)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，而這種作用要想得到最大限度地發(fā)揮，需要實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。目前，我國(guó)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)是與整套系統(tǒng)同步進(jìn)行的，如供電系統(tǒng)、提升運(yùn)輸、瓦斯監(jiān)測(cè)等監(jiān)控對(duì)象，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式不盡相同，且針對(duì)不同的監(jiān)控對(duì)象往往會(huì)采用不同的開(kāi)發(fā)手段。這必然會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)之間難以通用或者互不兼容的問(wèn)題。在這種情況下，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)的集中監(jiān)控，而遠(yuǎn)程集中監(jiān)控更是難以實(shí)現(xiàn)。因此，排水系統(tǒng)不能集中監(jiān)控是目前我國(guó)煤礦井下安全生產(chǎn)中普遍存在的問(wèn)題。

1.2.2 控制策略不得當(dāng)

一般情況下，礦井涌水問(wèn)題可能由一種或幾種因素造成，基于成因的復(fù)雜性，通常很難對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。在這種情況下，控制策略就顯得尤為重要。然而，如果只是單純地依靠實(shí)際涌水量，很難設(shè)計(jì)出一套可靠的排水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，也無(wú)法選擇一種適當(dāng)?shù)目刂撇呗浴Ｒ虼耍F(xiàn)實(shí)中為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，排水系統(tǒng)大多采用水位開(kāi)關(guān)控制策略，這種策略根本無(wú)法應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)的需要，當(dāng)遇到較為復(fù)雜的排水問(wèn)題時(shí)，基本失去作用。

1.2.3 監(jiān)控參數(shù)不確定

現(xiàn)如今，隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，各類(lèi)傳感器不斷涌現(xiàn)，這為礦井排水工作提供了有利的條件。因此，在礦井排水過(guò)程中，使用傳感器的數(shù)量越來(lái)越多。但是，過(guò)多的傳感器既提高了安裝難度，也增大了工作量，同時(shí)也給系統(tǒng)監(jiān)控提出了新的難題。其實(shí)，并不是使用傳感器的數(shù)量越多越好，當(dāng)能滿(mǎn)足實(shí)際工作需要時(shí)，應(yīng)盡可能地減少傳感器的使用數(shù)量。更為重要的是，應(yīng)合理確定監(jiān)控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)量的最優(yōu)化。

2 基于ARM 技術(shù)的嵌入式自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)排水系統(tǒng)工作機(jī)制

2.1.1 水泵的啟動(dòng)

在實(shí)際應(yīng)用中，水倉(cāng)水位可以通過(guò)啟動(dòng)水泵的方式來(lái)控制，水泵通過(guò)水位傳感器對(duì)水位高度進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)的數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值相比較，以此來(lái)決定是否開(kāi)啟水泵。如果檢測(cè)數(shù)值大于或等于預(yù)定數(shù)值，則表明需要對(duì)離心式水泵進(jìn)行注水，這時(shí)就需要嵌入式控制系統(tǒng)輸出I／O 信號(hào)，接通控制射流泵的電磁閥的線圈，進(jìn)而啟動(dòng)水泵。水泵入口處的真空度會(huì)在射流泵的作用下而不斷增加，直至達(dá)到特定數(shù)值才會(huì)停止。而伴隨著真空度的增加，配水井中的水會(huì)在大氣壓的作用下不斷注入泵腔，直至注滿(mǎn)為止。

在水泵入口處，一般都會(huì)有一個(gè)真空表，主要用于反饋相關(guān)的注水信息。當(dāng)嵌入式控制系統(tǒng)接收到這些信息時(shí)，會(huì)做出相應(yīng)的判斷，并決定是否啟動(dòng)水泵。如果需要啟動(dòng)，嵌入式控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)接觸器和繼電器使電機(jī)的常開(kāi)觸點(diǎn)處于接通狀態(tài)。隨著電機(jī)的啟動(dòng)，水泵出口處的壓力也會(huì)隨之增加，直至達(dá)到特定數(shù)值時(shí)停止。

2.1.2 水泵的運(yùn)行

嵌入式控制系統(tǒng)會(huì)接收到來(lái)自壓力傳感器和變送器反饋的水泵出口壓力的信息，并將接收到的信息與預(yù)定值相對(duì)比。如果達(dá)到開(kāi)啟水泵的條件，就可通過(guò)接通電磁換向閥的方式來(lái)啟動(dòng)水泵的閘閥，實(shí)現(xiàn)水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，射流泵也會(huì)隨之關(guān)閉。

在水泵的運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)水泵機(jī)組的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，而這種監(jiān)控通常需要借助于電動(dòng)機(jī)電流、出口壓力值、水泵入口真空度值、管路流量等傳感器反饋的一些信息，并依據(jù)這些參數(shù)的數(shù)值及變化趨向判斷出水泵的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.3 水泵的停止

（1）正常的停止。在水泵抽水過(guò)程中，水倉(cāng)的水位會(huì)隨之下降，并直至安全水位以下。當(dāng)水位到達(dá)安全水位以下，嵌入式控制系統(tǒng)會(huì)接受到相關(guān)信號(hào)，并依此來(lái)決定是否關(guān)閉排水設(shè)備。待系統(tǒng)發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)以后，電磁換向閥首先會(huì)斷電換向，缸控閘閥也隨之關(guān)閉。在關(guān)閉的過(guò)程中，水泵出口處的壓力會(huì)逐漸增大，直至閘閥完全關(guān)閉。與此同時(shí)，系統(tǒng)又會(huì)向水泵電機(jī)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)發(fā)送I／O信號(hào)，當(dāng)接收到該信號(hào)時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)會(huì)進(jìn)行斷電，使水泵停止工作。

（2）非正常的停止。當(dāng)水泵房的排水設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，一般會(huì)發(fā)生水泵非正常停止的現(xiàn)象。在實(shí)際工作中，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并收集到一些動(dòng)態(tài)的狀態(tài)參數(shù)。如果參數(shù)出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)向嵌入式控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，并人為地停止水泵的運(yùn)行。水泵非正常的停止極易引發(fā) “坐泵”危險(xiǎn)，因?yàn)檫@種突然停止會(huì)使排水管路中的水在短時(shí)間內(nèi)倒流并形成 “水錘”，對(duì)水泵產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力。為切實(shí)避免這種問(wèn)題的發(fā)生，要控制液壓缸控閘閥的電磁換向閥，使其斷電換向并關(guān)閉閘閥。

2.2 自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 水泵及管路概況

在設(shè)計(jì)中，自動(dòng)排水系統(tǒng)共安裝5 個(gè)主排水泵，分別用于常用、備用和檢修。其中，每個(gè)主排水泵又安裝一臺(tái)啟動(dòng)交流電機(jī)，以增強(qiáng)水泵的效能。此外，為提升排水效果，該系統(tǒng)還安裝3組排水管路。

2.2.2 單泵啟停方案

井下抽排水泵通常會(huì)使用離心泵，在使用過(guò)程中，需要注意兩個(gè)問(wèn)題：一是要使出水管上的閘閥處于關(guān)閉狀態(tài)，二是要使入水口處處于真空狀態(tài)。在停止水泵的過(guò)程中，不能直接關(guān)閉水泵，而應(yīng)先將閘閥關(guān)閉。因?yàn)橹苯雨P(guān)閉水泵會(huì)導(dǎo)致 “坐泵”危險(xiǎn)，對(duì)水泵本身是一種損耗。因此，要充分利用好負(fù)壓計(jì)和壓力表兩種工具，用負(fù)壓計(jì)檢測(cè)水泵入口處是否為真空狀態(tài)，用壓力表檢測(cè)水泵出口處的壓力情況，單泵的啟停根據(jù)兩者檢測(cè)到的數(shù)值而決定。水泵啟動(dòng)方案示意圖如圖1所示。

圖1 水泵啟動(dòng)方案示意圖

2.2.3 水泵組啟動(dòng)方案

排水系統(tǒng)采用5臺(tái)工作水泵 （其中2臺(tái)使用、2臺(tái)備用、1臺(tái)檢修），出口處配置閘閥。水泵房排水管采用4條水位線的形式，按照從下往上的方向?qū)λ撍贿M(jìn)行劃分，分別為水位1、水位2、水位3和水位4，排水系統(tǒng)根據(jù)液位信號(hào)控制閘閥的開(kāi)關(guān)，從而控制水泵的啟停以及啟停的數(shù)量。水泵組示意圖如圖2所示。

圖2 水泵組示意圖

當(dāng)水位處于水位2及以下時(shí)，表示目前水位處于一種安全狀態(tài)，此時(shí)水泵不啟動(dòng)。當(dāng)水位處于水位2與水位3之間時(shí)，表示目前水位處于低警戒狀態(tài)，此時(shí)排水系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間判斷所處時(shí)間段，如此時(shí)間段處于系統(tǒng)設(shè)定的當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)用電高峰時(shí)間段，則不啟動(dòng)水泵；如處于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)用電低谷時(shí)間段，則啟動(dòng)1臺(tái)水泵。當(dāng)水位處于水位3與水位4之間時(shí)，表示目前水位處于中警戒狀態(tài)，此時(shí)無(wú)論當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)用電處于高峰時(shí)間段還是低谷時(shí)間段，都啟動(dòng)1臺(tái)對(duì)泵。當(dāng)水位處于水位4以上時(shí)，則表示目前水位處于高警戒狀態(tài)，此時(shí)同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)或2臺(tái)以上水泵。

3 基于ARM 技術(shù)的嵌入式自動(dòng)排水系統(tǒng)監(jiān)控方案

3.1 數(shù)據(jù)采集與輸出

自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控電機(jī)工作溫度、井下水倉(cāng)水位、水泵出口壓力和水泵入口真空度。針對(duì)不同的監(jiān)控對(duì)象，系統(tǒng)采用不同的監(jiān)控設(shè)備，如用NTC 系列溫度傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)工作溫度，用GUY10礦用液位傳感器監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位，用PTP系列壓力變送器監(jiān)測(cè)入口真空度以及出口壓力。

水泵電機(jī)、射流泵以及閘閥等工作狀態(tài)的控制通過(guò)接觸器或繼電器等輸出模塊的形式實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

3.2 系統(tǒng)工作模式

（1）手動(dòng)控制模式。在水泵房中設(shè)有專(zhuān)門(mén)的就地箱，箱中有各類(lèi)設(shè)備的控制按鈕。工作人員只需按動(dòng)按鈕，就能控制相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行。

（2）半自動(dòng)控制模式。半自動(dòng)控制是指以上位機(jī)組態(tài)軟件來(lái)監(jiān)測(cè)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及井下水位的變化情況，而以手動(dòng)的方式來(lái)控制各臺(tái)設(shè)備的啟停和水位高度。

（3）自動(dòng)控制模式。系統(tǒng)根據(jù)各監(jiān)測(cè)工具發(fā)來(lái)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)以及水位信號(hào)等監(jiān)測(cè)信號(hào)自動(dòng)地做出相應(yīng)的控制。

3.3 操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)是嵌入式控制系統(tǒng)的重要依托，嵌入式操作系統(tǒng)較其它操作系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)小巧等顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其是嵌入式μC／OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，目前已經(jīng)成為煤礦井下自動(dòng)排水監(jiān)測(cè)的首選。操作系統(tǒng)的移植主要包括以下3項(xiàng)：通過(guò)＃define對(duì)3個(gè)宏 （OS＿CPU.H）予以聲明、通過(guò)＃define對(duì)一些常量值 （OS＿CPU.H）進(jìn)行設(shè)置、通過(guò)C語(yǔ)言對(duì)4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)（OS＿CPU＿A.ASM）以及6個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)（OS＿CPU＿C.H）進(jìn)行編寫(xiě)。

3.4 任務(wù)編程

待μC／OS-Ⅱ移植結(jié)束后，整套自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)按照實(shí)際功能設(shè)計(jì)進(jìn)行任務(wù)分配并劃分為多個(gè)并行任務(wù)，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)情況，占先式操作系統(tǒng)會(huì)對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。本系統(tǒng)中，水倉(cāng)水位監(jiān)測(cè)是最優(yōu)先的任務(wù)，其次分別為模擬量輸入監(jiān)測(cè)、設(shè)備開(kāi)停狀態(tài)監(jiān)測(cè)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)煤礦井下排水的實(shí)際情況，研究了一種新型的煤礦井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)，并引入ARM 嵌入式技術(shù)到煤礦自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)中，制定了井下水位監(jiān)控和水泵啟動(dòng)方案。通過(guò)一段時(shí)間的模擬試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）基于ARM 技術(shù)的煤礦井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)能夠把各傳感器采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸給遠(yuǎn)端的控制中心，具有安全性好、可靠性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了井下水泵的自動(dòng)輪換運(yùn)行，達(dá)到了水泵房的無(wú)人化值守和遠(yuǎn)程有效監(jiān)控目標(biāo)。

（2）基于ARM 技術(shù)的煤礦井下自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化了排水系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、傳感器使用數(shù)量和安裝難度，提高了水泵運(yùn)行中狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)的精度。

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