煤矿井下自动排水远程监控系统的研究与设计

时间：2024-07-28

刘映群

（广东岭南职业技术学院，广东省广州市，510663）

近年来，随着煤矿安全生产意识的不断提高，煤矿井下的排水问题也越来越受到广泛的关注。目前，主要存在两种井下排水方式：一种是继电器手动控制方式，该种方式主要由人工来控制水泵的开停及选择切换，因此对人的素质有着较高的要求，如果相关人员严重缺乏责任心，就极有可能造成水泵吸空或积水溢出等诸多严重后果；另一种是PLC+变频器控制方式，该种方式主要是通过交流电机来启动水泵，进而实现排水的目的。与第一种方式相比，这种方式具有自动化程度高、操作便捷和运行可靠等优点，然而，这种设备的价格相对昂贵，很难在全国的中小煤矿企业中普及。因此，本文依托ARM 嵌入式技术研究了一种新型的煤矿井下自动排水监控系统，该系统具有安全性好、可靠性高、稳定性好以及价格相对便宜等优点，能够实现地面监控中心远程实时监测设备状态，并根据液位传感器自动检测水位信号并自动控制水泵启停。

1 我国煤矿排水系统现状及存在的问题

1.1 煤矿排水系统现状

1.1.1 煤矿企业排水系统仍过多采用继电器系统

目前，我国仍有较多煤矿企业采用继电器形式的排水机械系统，继电器系统有着较为庞大的体积，如果需要调整或维修，需要耗费大量的人力和物力，而且它的安全性能系数较低，如果操作不当，就极容易引发安全事故。同时，继电器形式的排水机械系统采用的是较为普通的直接电机启动方式，使用这种启动方式会瞬间给其它机械系统以及整个电网造成巨大的冲击力，进而导致电流的紊乱，降低电机的使用寿命，影响最终的排水效果。此外，与其它系统相比，在涌水量和水位方面缺乏准确的数据定位，操作难度较大，操作故障系数较高。因此从长远的角度讲，淘汰或更新继电器系统是实现我国煤矿企业安全发展和可持续发展的必然举措。

1.1.2 煤矿企业排水机械控制仍过多采用手工操作模式

当前我国煤矿企业井下排水现状相对较差，这与采用传统的手工操作模式有关。所谓手工操作模式，就是由人工来控制水泵的开与关，在手工操作的环境中，离心式水泵是排水系统中的主要系统。因此，无论是泵站设备的启停还是状态的监测，都是根据已有的操作规程以及工人的经验来完成。手工操作模式存在对人的依赖性大、操作工序繁杂、劳动强度高和容易存在安全隐患等缺点，不适应矿井自动化和信息化的要求。因此，手工操作模式是煤矿企业排水设计过程中必须及时解决的问题。

1.2 煤矿排水系统存在的主要问题

1.2.1 系统监控不集中

在煤矿生产过程中，设备监测发挥了至关重要的作用，而这种作用要想得到最大限度地发挥，需要实现集中监控。目前，我国矿井监测系统软件开发是与整套系统同步进行的，如供电系统、提升运输、瓦斯监测等监控对象，其监测系统的开发方式不尽相同，且针对不同的监控对象往往会采用不同的开发手段。这必然会带来系统之间难以通用或者互不兼容的问题。在这种情况下，根本无法实现对煤矿生产的集中监控，而远程集中监控更是难以实现。因此，排水系统不能集中监控是目前我国煤矿井下安全生产中普遍存在的问题。

1.2.2 控制策略不得当

一般情况下，矿井涌水问题可能由一种或几种因素造成，基于成因的复杂性，通常很难对此问题进行准确地预测。在这种情况下，控制策略就显得尤为重要。然而，如果只是单纯地依靠实际涌水量，很难设计出一套可靠的排水系统数学模型，也无法选择一种适当的控制策略。因此，现实中为了简化问题，排水系统大多采用水位开关控制策略，这种策略根本无法应对现实的需要，当遇到较为复杂的排水问题时，基本失去作用。

1.2.3 监控参数不确定

现如今，随着传感技术的不断发展，各类传感器不断涌现，这为矿井排水工作提供了有利的条件。因此，在矿井排水过程中，使用传感器的数量越来越多。但是，过多的传感器既提高了安装难度，也增大了工作量，同时也给系统监控提出了新的难题。其实，并不是使用传感器的数量越多越好，当能满足实际工作需要时，应尽可能地减少传感器的使用数量。更为重要的是，应合理确定监控参数，实现参数数量的最优化。

2 基于ARM 技术的嵌入式自动排水系统设计

2.1 自动排水系统工作机制

2.1.1 水泵的启动

在实际应用中，水仓水位可以通过启动水泵的方式来控制，水泵通过水位传感器对水位高度进行检测，并将检测的数值与预先设定的数值相比较，以此来决定是否开启水泵。如果检测数值大于或等于预定数值，则表明需要对离心式水泵进行注水，这时就需要嵌入式控制系统输出I／O 信号，接通控制射流泵的电磁阀的线圈，进而启动水泵。水泵入口处的真空度会在射流泵的作用下而不断增加，直至达到特定数值才会停止。而伴随着真空度的增加，配水井中的水会在大气压的作用下不断注入泵腔，直至注满为止。

在水泵入口处，一般都会有一个真空表，主要用于反馈相关的注水信息。当嵌入式控制系统接收到这些信息时，会做出相应的判断，并决定是否启动水泵。如果需要启动，嵌入式控制系统会通过接触器和继电器使电机的常开触点处于接通状态。随着电机的启动，水泵出口处的压力也会随之增加，直至达到特定数值时停止。

2.1.2 水泵的运行

嵌入式控制系统会接收到来自压力传感器和变送器反馈的水泵出口压力的信息，并将接收到的信息与预定值相对比。如果达到开启水泵的条件，就可通过接通电磁换向阀的方式来启动水泵的闸阀，实现水泵的正常运转。与此同时，射流泵也会随之关闭。

在水泵的运行过程中，需要对水泵机组的各个参数进行监控，而这种监控通常需要借助于电动机电流、出口压力值、水泵入口真空度值、管路流量等传感器反馈的一些信息，并依据这些参数的数值及变化趋向判断出水泵的运行状态。

2.1.3 水泵的停止

（1）正常的停止。在水泵抽水过程中，水仓的水位会随之下降，并直至安全水位以下。当水位到达安全水位以下，嵌入式控制系统会接受到相关信号，并依此来决定是否关闭排水设备。待系统发出开关信号以后，电磁换向阀首先会断电换向，缸控闸阀也随之关闭。在关闭的过程中，水泵出口处的压力会逐渐增大，直至闸阀完全关闭。与此同时，系统又会向水泵电机继电器的常开触点发送I／O信号，当接收到该信号时，常开触点会进行断电，使水泵停止工作。

（2）非正常的停止。当水泵房的排水设备出现故障时，一般会发生水泵非正常停止的现象。在实际工作中，监控系统会对设备的运行状态进行实时监控，并收集到一些动态的状态参数。如果参数出现异常情况，监控系统会向嵌入式控制系统发出信号，并人为地停止水泵的运行。水泵非正常的停止极易引发 “坐泵”危险，因为这种突然停止会使排水管路中的水在短时间内倒流并形成 “水锤”，对水泵产生强大的冲击力。为切实避免这种问题的发生，要控制液压缸控闸阀的电磁换向阀，使其断电换向并关闭闸阀。

2.2 自动排水系统设计

2.2.1 水泵及管路概况

在设计中，自动排水系统共安装5 个主排水泵，分别用于常用、备用和检修。其中，每个主排水泵又安装一台启动交流电机，以增强水泵的效能。此外，为提升排水效果，该系统还安装3组排水管路。

2.2.2 单泵启停方案

井下抽排水泵通常会使用离心泵，在使用过程中，需要注意两个问题：一是要使出水管上的闸阀处于关闭状态，二是要使入水口处处于真空状态。在停止水泵的过程中，不能直接关闭水泵，而应先将闸阀关闭。因为直接关闭水泵会导致 “坐泵”危险，对水泵本身是一种损耗。因此，要充分利用好负压计和压力表两种工具，用负压计检测水泵入口处是否为真空状态，用压力表检测水泵出口处的压力情况，单泵的启停根据两者检测到的数值而决定。水泵启动方案示意图如图1所示。

图1 水泵启动方案示意图

2.2.3 水泵组启动方案

排水系统采用5台工作水泵（其中2台使用、2台备用、1台检修），出口处配置闸阀。水泵房排水管采用4条水位线的形式，按照从下往上的方向对水舱水位进行划分，分别为水位1、水位2、水位3和水位4，排水系统根据液位信号控制闸阀的开关，从而控制水泵的启停以及启停的数量。水泵组示意图如图2所示。

图2 水泵组示意图

当水位处于水位2及以下时，表示目前水位处于一种安全状态，此时水泵不启动。当水位处于水位2与水位3之间时，表示目前水位处于低警戒状态，此时排水系统根据当前时间判断所处时间段，如此时间段处于系统设定的当地电网用电高峰时间段，则不启动水泵；如处于当地电网用电低谷时间段，则启动1台水泵。当水位处于水位3与水位4之间时，表示目前水位处于中警戒状态，此时无论当地电网用电处于高峰时间段还是低谷时间段，都启动1台对泵。当水位处于水位4以上时，则表示目前水位处于高警戒状态，此时同时启动2台或2台以上水泵。

3 基于ARM 技术的嵌入式自动排水系统监控方案

3.1 数据采集与输出

自动排水监控系统主要负责监控电机工作温度、井下水仓水位、水泵出口压力和水泵入口真空度。针对不同的监控对象，系统采用不同的监控设备，如用NTC 系列温度传感器监测电机工作温度，用GUY10矿用液位传感器监测水仓水位，用PTP系列压力变送器监测入口真空度以及出口压力。

水泵电机、射流泵以及闸阀等工作状态的控制通过接触器或继电器等输出模块的形式实现。监控系统框图如图3所示。

图3 监控系统框图

3.2 系统工作模式

（1）手动控制模式。在水泵房中设有专门的就地箱，箱中有各类设备的控制按钮。工作人员只需按动按钮，就能控制相关设备的运行。

（2）半自动控制模式。半自动控制是指以上位机组态软件来监测相关设备的运行状态以及井下水位的变化情况，而以手动的方式来控制各台设备的启停和水位高度。

（3）自动控制模式。系统根据各监测工具发来的设备运行状态信号以及水位信号等监测信号自动地做出相应的控制。

3.3 操作系统移植

操作系统是嵌入式控制系统的重要依托，嵌入式操作系统较其它操作系统具有稳定性高、实时性强、结构小巧等显著优点，尤其是嵌入式μC／OSII实时操作系统，目前已经成为煤矿井下自动排水监测的首选。操作系统的移植主要包括以下3项：通过＃define对3个宏（OS＿CPU.H）予以声明、通过＃define对一些常量值（OS＿CPU.H）进行设置、通过C语言对4个汇编语言函数（OS＿CPU＿A.ASM）以及6个简单函数（OS＿CPU＿C.H）进行编写。