井下水泵自動控制系統設計

吳占背

(山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600)

0 引言

煤礦井下排水系統擔負著煤礦井下防患水患的重要系統，而傳統井下排水設備的啟動和停止需要進行復雜的人工操作，極大降低了生產效率[1-2]。隨著現代化、自動化煤礦建設需求與持續發展，對煤礦建設的自動化、現代化要求越來越高，利用現代計算機技術與自動控制技術實現礦井水泵控制的自動化是煤礦發展必由之路[3-4]。目前，微機電子技術在煤礦的廣泛使用，使得傳統控制缺點被改正，方便了現場操作與維護，同時還可以進行實時監測，極大提升了煤礦安全生產的效率[5-6]。在此基礎上，利用微機原理與現代電力電子技術開發一套井下水泵自動控制系統。

1 系統總體設計方案

1.1 控制系統結構

控制原理及整體結構：為實現井下正常排水，保證井下安全，所設計的水泵自動控制系統需要克服計算機控制技術、網絡信息傳輸技術、傳感器傳輸技術、微機電子信息技術等關鍵技術，從而完成井下水泵的遠程監控與控制功能[7-8]。井下各傳感器通過對水泵電壓電流、真空度、水位、出水口流量以及電磁閥和電動閥的開關情況進行實時監測，將信息傳輸給DSP控制器進行邏輯識別與動作處理，完成對水泵的開停控制、控制方式控制、故障識別與處理等操作，同時將這些信息通過通信總線傳輸給井下監測模塊和井上監控中心，方便操作人員進行遠程控制。系統可分為地面部分和井下部分，系統整體設計結構圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

地面監控中心：煤礦地面監控中心主要由服務器、光端機、交換機等部分組成。通過煤礦上的以太網連接各設備與井下控制系統進行信息傳輸，并利用組態軟件構建上位機等顯示系統，從而可以將井下實時監控數據與信息通過網絡傳輸至監控中心，方便地面工作人員進行操作和調控。

井下監測模塊：井下控制系統主要包括DSP控制柜、各功能傳感器、電動閥、開關柜、執行機構等部分。DSP控制柜中的處理器完成對井下控制系統的邏輯控制以及對傳感器采集數據的處理，負責井下整個系統的相關設備的運行調控，并與地面及井下各個設備信息通信完成監控與控制處理的功能。傳感器部分則主要由水泵出水口傳感器、水泵真空度檢測傳感器、液位傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、震動傳感器等部分組成,完成對整個水泵運行狀態的實時監測，為系統提供一個可靠的信息采集系統。閥門主要是將原先手動閘閥更換為電動閥和電磁閥，以便控制器能對水泵的進出水自動控制。

1.2 數據采樣算法

本系統傳感器采集的信息為連續模擬信號，而整個系統是以DSP數字處理器為核心的控制系統，需要將采集的模擬信號離散化處理，同時對采樣算法進行設計，優化采樣過程。系統通過快速傅立葉算法(FFT)采樣算法，該過程是提取所需的基波分量和所需的諧波分量并將多余的其他周期分量濾除，從而保證有效的信號數值。離散傅立葉變換(DFT)是一種傅立葉變換在離散狀態下的表現形式，對于一個N點的序列XN(K)，DFT變化為

K=0,1,2,…,N-1

(1)

(2)

2 系統硬件設計

2.1 系統組成結構

本系統設計的硬件電路主要以DSP數字處理器為核心，還包括數據采集電路、液位傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、真空度檢測傳感器等傳感器、輸入/輸出單元電路、電源電路、復位電路以及水泵的電機控制相關電路、電磁閥開關控制電路等部分。DSP數字處理器完成整個微機系統的邏輯處理與運算，同時將結果與地面監控中心通信；采集電路完成各個傳感器采集的數字與模擬信號的采樣與轉換[9-12]，以便DSP能快速處理；輸出單元則將控制信號的脈沖輸出對水泵各部分的控制電路完成控制，從而實現水泵的自動控制過程。系統硬件電路結構如圖2所示。

圖2 系統硬件電路結構圖

2.2 中央處理器選型

本系統在考慮井下使用環境與控制需求，對微控制單元(MCU)采用DSP數字處理器系列的TMS320LF2407芯片。該芯片集成有豐富的內核和外設資源，相比于傳統的MCU控制器，它把DSP高速數據處理能力和豐富外設等功能集成，極大便于運算和開發。芯片內部具有32KX16位的EEPROM存儲單元和1.5KX16位的RAM程序存儲器，同時在運算存儲過程中指令周期僅有33 ns，極大提高了控制器實時控制能力。

2.3 壓力檢測的調理電路

為實現對水倉水位進行監測，考慮使用條件，本系統利用連通器原理，通過在水倉底部安裝連接一根彎管，并在彎管的頂部安裝型號為MPX2050的壓力傳感器。該壓力傳感器具有溫度補償和自動校正的功能，所能測量的量程為0～50 kPa，即水位為0～5 m的范圍。為了提高測量精度，在傳感器后安裝信號調理電路，如圖3所示。該電路由3個高性能運算放大器組成，其中A1構成電壓跟隨器，從而提高整個電路的輸入阻抗，信號再經A2、A3組成的二級反向相放大后便可以輸出DSP處理器可識別的0～3.3 V測量電壓范圍。

圖3 信號調理電路

2.4 溫度檢測電路

在水泵運行過程中要實現對水泵電機的保護，則必須實時監測電機軸的溫度。本系統采用AD590溫度傳感器檢測水泵電機軸的溫度，所設計的溫度檢測電路如圖4所示。其中運算放大器采用具有低噪聲、高增益的OP-07型號運放。電容C4用于濾波，通過電阻R49向傳感器提供一個穩定電壓值，R5電位器起到對電路調節零點的作用，通過RP1可以調節電壓與溫度之間的關系。

圖4 溫度檢測電路

3 系統軟件設計

水泵啟動流程如圖5所示，水泵在開啟前，需要先將射流泵閥門打開進行注水排氣，對其真空度進行檢測是否達到要求，沒有達到要求便報警停止水泵啟動。判斷可以進行啟動時，水泵便進行工作，同時對它進行實時監測主要包括電流、壓力、溫度等情況實時狀態的監測，當出現異常時進入故障處理子程序，并給予警報響應。

圖5 水泵啟動流程圖

4 結語

在對井下水泵自動控制系統結構進行設計時，將其結構分為地面監測中心和井下微機實時檢測站兩大部分，針對井下水泵面臨的多路采樣監測的要求，對采樣所需的算法進行分析。同時，以DSP數字處理器系列的TMS320LF2407芯片為核心設計一套基于MCU處理器的井下水泵自動控制系統，并論述了部分硬件電路設計和軟件程序設計，該系統可以滿足井下水泵自動控制的需求，并運行穩定。