煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)

煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)摘要在煤炭開采的過程中井下排水系統(tǒng)對于井下安全生產(chǎn)具有重大影響現(xiàn)今井下多采用傳統(tǒng)的人工控制這給井下生產(chǎn)帶來了許多不確定性隨著國家對于井下安全的重視井下排水的自動化控制也應得到更多的關注首先本文在構(gòu)建基于ARM的井下排水自動控制系統(tǒng)過程中對排水設備進行選擇指出了在裝置選型上應該注意的問題并提出通過電機電流獲取水泵流量的監(jiān)測方法在不增加管路阻力的情況下就能判斷水泵工作狀況提高了系統(tǒng)的可靠性其次在水倉水位控制方面除了實現(xiàn)避峰就谷的原則在涌水量不大時本文采用模糊控制電機輸出頻率對水位進行微調(diào)并且通過對水下模糊控制器的仿真證明其可行性最后本文針對ARM的自動排水控制系統(tǒng)設計了其硬件系統(tǒng)以及自動排水系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)關鍵字井下排水模糊控制策略ARMAbstractIntheprocessofcoalminingundergrounddrainagesystemhasasignificantimpactonmineproductionsafetyTodaytheundergroundusuallyusetraditionalmanualcontrolhoweverthishasbroughtalotofuncertaintytotheundergroundWiththeattentionofthenationalonminesafetytheundergrounddrainageautomationcontrolshouldalsogetmoreattentionFirstlyintheprocessofbuildingtheundergrounddrainageautomaticcontrolsystemitselectsdrainageequipmentspointingouttheprobleminthedeviceselectionandamethodisproposedforpumpflowthroughthemotorcurrentwithoutincreasingthepipelineresistanceinthecaseitwillbeabletojudgethethepumpworkingconditionsimproveitsreliabilitySecondlyonwaterlevelcontrolinadditiontotakeintoaccountthepeakavertingonvalleyasthedrainageprinciplewhenwaterlevelislowfuzzycontrolstrategyisusedtocontrolwaterlevelslightlyandunderwaterfuzzycontrollersimulationtoproveitsfeasibilityFinallyitproposesadrainagecontrolsystembasedonARMboththehardwaresystemandthesoftwareoftheautomaticdrainagesystemisdesignedKeyWordsTheUndergroundDrainageFuzzyControlARM

目錄摘要 IAbstract II1緒論 -1-11煤礦井下排水系統(tǒng)概述 -1-111煤礦排水系統(tǒng)的作用 -1-112煤礦排水系統(tǒng)中存在的問題 -1-12國內(nèi)外研究情況 -2-121國內(nèi)研究情況 -2-122國外研究情況 -3-13本課題研究主要內(nèi)容目的及意義 -4-131課題研究的主要內(nèi)容 -4-132課題研究的目的與意義 -5-2自動排水系統(tǒng)的構(gòu)建及工作原理 -6-21排水系統(tǒng)架構(gòu) -6-22自動排水系統(tǒng)的構(gòu)建 -7-221自動排水系統(tǒng)的構(gòu)建 -7-222自動排水系統(tǒng)的工作原理 -8-23系統(tǒng)工作模式 -9-3自動排水系統(tǒng)的特征參數(shù)及檢測措施 -11-31水倉水位的監(jiān)測 -11-311超聲波液位傳感器 -11-312投入式液位傳感器 -11-313液位傳感器的選擇 -12-32管道流量監(jiān)測 -12-321流量計的選型 -12-322電磁流量計介紹 -12-33排水管路系統(tǒng)的閥門選型 -13-34離心式水泵運行狀態(tài)監(jiān)測 -14-341離心泵流量的狀態(tài)監(jiān)測 -15-342溫度檢測 -17-343真空度檢測 -17-334水泵出水口壓力檢測 -18-35電動機運行狀態(tài)監(jiān)測和保護 -19-351電動機運行狀態(tài)監(jiān)測 -19-352電動機的保護 -19-4節(jié)能優(yōu)化智能控制策略 -21- -21-42模糊控制理論介紹 -21-43系統(tǒng)水位模糊控制器設計 -23-431水位模糊控制器建立 -23- -36-44模糊控制器在ARM上的實現(xiàn)以及節(jié)能分析 -37-5嵌入式控制系統(tǒng)的硬件設計 -40-51嵌入式處理器選型 -40-52ARM處理器工作系統(tǒng)設計 -41-521電源電路復位電路和時鐘電路 -41-522存儲擴展電路 -43-523UART接口電路與遠程通訊模塊設計 -44-524JTAG調(diào)試接口電路設計 -45-53輸入模塊電路設計 -46-531開關量輸入通道設計 -46-532模擬量輸入通道設計 -47-54開關量輸出模塊設計 -49-541開關量輸出 -49-542繼電器控制模塊電路設計 -50-55控制系統(tǒng)的抗干擾措施 -51-6井下排水控制系統(tǒng)主要功能的軟件實現(xiàn) -52-61水倉水位監(jiān)測和避峰就谷的實現(xiàn) -53-62水泵輪換工作的邏輯實現(xiàn) -54-63單臺水泵啟停的邏輯實現(xiàn) -55-64在不同模式下選擇水泵的控制方式 -57-65故障監(jiān)測和保護功能實現(xiàn) -58-66軟件抗干擾技術(shù) -58-結(jié)論與展望 -60-學位論文原創(chuàng)性聲明 -64-

1緒論11煤礦井下排水系統(tǒng)111煤礦排水系統(tǒng)的作用地層涌水降水和從江河中的滲透水砂充填以及井下供水是礦下積水的主要來源如果井下排水系統(tǒng)安全性能低將會影響井下開采以及工作人員的安全[1]而井下排水系統(tǒng)就是以上經(jīng)各種途徑涌進礦井的積水安全及時并且合理地排至地表從而保證進行礦井的安全生產(chǎn)以及生命安全112煤礦排水系統(tǒng)中存在的問題2012年4月10日中煤集團公司上海大屯能源公司孔莊煤礦發(fā)生一起透水事故造成7人被困經(jīng)全力搶救其中3人成功獲救4人死亡據(jù)分析事故原因是該礦防治水措施落實不到位7432材料道工作面掘進作業(yè)導致采空區(qū)透水2012年4月13日山西省長治市襄垣縣善福聯(lián)營煤礦發(fā)生一起透水事故造成11人死亡2012年4月14日河南省煤層氣公司平頂山裕隆源通煤業(yè)發(fā)生一起透水事故造成11人被困經(jīng)全力搶救其中2人成功獲救7人死亡2人被困井下?lián)治鍪鹿试蚴窃摰V探放水措施不落實2012年5月4日消息黑龍江鶴崗峻源二煤礦透水事故遇難礦工人數(shù)升至10人四人被困井下事故原因查明是位于事故煤礦采煤工作面上方的老舊采空區(qū)積水透水2012年12月1日23時40分七臺河市福瑞祥煤炭有限責任公司八井發(fā)生透水事故當班22名礦工中共有12人成功升井或獲救生還目前已確認8人遇難仍有2人下落不明由此可見井下排水系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)中至關重要的一部分安全可靠的排水系統(tǒng)能夠確保礦井積水及時排除[2]但是現(xiàn)今煤礦的排水系統(tǒng)存在兩方面問題首先現(xiàn)今的煤礦排水系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的人工控制方式這種控制方式容易造成工人工作強度大而且安全系數(shù)不高這樣傳統(tǒng)的控制方法隨著數(shù)字化礦山的出現(xiàn)應該被替代另外由于礦井涌水情況較為復雜根據(jù)水位及其變化率建立精確的數(shù)學模型是很難實現(xiàn)這就需要建立一個適合這種隨機性較強的排水系統(tǒng)的控制算法其次在開采過程中因排水所消耗的電能比例相當大而電能消耗占水費成本的60％以上人工控制方式缺乏科學性不能合理地調(diào)控排水設備及調(diào)節(jié)排水時間這樣就帶來了水電能的不必要消耗[3]12國內(nèi)外研究情況礦井排水直接影響著煤礦的效率以及井下工作人員的生命安全因此對于礦井排水的研究已成為我們面對的重要研究課題現(xiàn)在已經(jīng)取得了一定的成績121國內(nèi)研究情況1我國在有關如何改善礦井的排水方案升級排水設備和布置巷道等方面投入了大量的研究資金同時也得到了豐碩的回報尤其在礦井節(jié)能增效這方面學者們做了大量的研究并提出了很多實際可行的提高煤礦經(jīng)濟效益的方案[4]1994年在興安礦唐又馳的倡導組織下協(xié)同其他學者經(jīng)過大量的研究分析并結(jié)合實際礦井內(nèi)的排水情況成功建立了礦井內(nèi)排水系統(tǒng)模型在模型的基礎上可以全面分析當前礦井排水系統(tǒng)是否合理為礦井排水的最佳方案選擇提供了很重要的理論參考[5]對于邢臺礦第八采煤區(qū)內(nèi)的斷層及節(jié)理裂隙不斷發(fā)育水文地質(zhì)條件復雜涌水量大等特點對安全采煤提出了嚴重的挑戰(zhàn)因此邢臺礦務局的張凱攜一批學者于1996年分別從經(jīng)濟性和安全性的這兩方面出發(fā)對礦區(qū)的排水系統(tǒng)進行優(yōu)化優(yōu)化之后的排水系統(tǒng)對采區(qū)的安全生產(chǎn)發(fā)及采掘銜接有了重大改善同時也為煤礦老采空區(qū)的水害治理方面提供了參考[6]針對二道河子礦的井下排水系統(tǒng)所存在的缺陷哈爾濱煤礦機械研究所的王啟龍與雞西礦務局的王桂榮于1998年對其進行了優(yōu)化最后簡化了原來復雜的排水系統(tǒng)對水泵進行了更合理的配置節(jié)省了大量的電能提高了煤礦經(jīng)濟效益[7]2001年新漢礦務局潘西礦的閏家華針對該礦的井下排水設備老化排水能力弱工作效率低的狀況對井下的排水系統(tǒng)進行了全面優(yōu)化其主要工作為1通過理論分析及實際設計要求選擇合理的工況點2用新型高效泵更換原來的老化的水泵3斜井一律采用鉆孔立管排水的方式4運用無底閥排水的方式5采用多管路的并聯(lián)排水方式經(jīng)過這些內(nèi)容的改進后使該煤礦在節(jié)電方面取得了明顯效果同時還提高了礦井的抗災能力使礦井的安全生產(chǎn)提升了一個檔次[8]鄭州煤炭設計研究院的張朝暉于2003年分綜合考慮了井下排水系統(tǒng)的安全性以及經(jīng)濟性細致的分析了有關井下排水設備在效率方面的問題并提出井下排水在設備選型的時候在確保井下水泵不氣蝕的情況下排水設備最佳運行點是管路效率與水泵效率相乘后其值最大的時刻[9]對于井下排水系統(tǒng)的控制方面跟俄羅斯等先進國家相比我國還有一段很長的路要追趕但是在學者們的不斷的努力下也取得很大的進步現(xiàn)如今我國對于礦井排水系統(tǒng)控制方法的選擇上大都采用傳統(tǒng)的技術(shù)成熟的繼電器控制方法該控制方法需要人工對水倉水位淤泥的厚度配電設備等其他地方進行檢測不但嚴重降低了生產(chǎn)效率加大了工人勞動強度大增加了設備的返修次數(shù)基于以上原因我國以逐步開始著手研究如何將智能化控制方法運用到井下排水系統(tǒng)中如在控制方法中添加模糊控制規(guī)則控制專家系統(tǒng)等智能型的控制方法實現(xiàn)實時檢測實時控制[10]遼寧工程技術(shù)大學的付華等人于1997年提出了一種新型的基于計算機自動控制的井下排水控制系統(tǒng)礦井排水系統(tǒng)是一個時變的高度非線性多變量的高度復雜系統(tǒng)特別是在管道及水泵環(huán)節(jié)中變量與變量之間存在著交叉藕合所以模糊控制的方法對于井下排水系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測和故障診斷是非常有效的該控制系統(tǒng)采用先進的集散式的控制方式所建立的結(jié)構(gòu)體系是多級的模塊化的提出了多參數(shù)的模糊決策控制方法[11]2002年兗礦集團鮑店煤礦的張豐敏和煤炭工業(yè)邯鄲設計研究院的王孝穎提出用PLC自動檢測礦井的水倉水位依據(jù)水倉水位的高度和礦井用電的價格等其他因素建立礦井水倉水的自動檢測的數(shù)學模型在該模型的基礎上水泵的調(diào)度運行更加合理了實現(xiàn)了避峰就谷目的提高了煤礦的生產(chǎn)效益[12]122國外研究情況俄羅斯學者BB馬祖連科在基于費用相等的原則下推導出了井下出水泵的最佳的管道清理周期和使用年限的計算公式[13]并詳細介紹了公式中優(yōu)化式的求解方法以及相關參數(shù)的計算方法還介紹了礦井水泵在不同使用期中的實際流量的測量方法礦井的排水設備是煤礦中用電量最多的設備之一節(jié)能技術(shù)則要求礦井排水設備在設計上以及使用階段要都對水泵的能耗進行估算馬祖連科介紹了井下排水設備中最常用的水泵類型離心泵的能耗估算方法以及經(jīng)修正后的離心泵工況點能耗估算方法并將斯塔哈諾夫煤炭生產(chǎn)聯(lián)合公司以及北烏拉爾鋁土礦作為實驗基地詳細說明了經(jīng)修正后的每種工況點離心泵的能耗估算[14]此外一些礦產(chǎn)生產(chǎn)大國在礦業(yè)生產(chǎn)過程中都把自動化技術(shù)引入其中生產(chǎn)效率成倍的提高加拿大首先出了數(shù)字化礦山這一概念即在建立綜合信息框架的基礎上使煤礦開采的過程與集成化的支持系統(tǒng)相連實現(xiàn)了數(shù)字化開采[15]同時還加大了有關礦井監(jiān)控方面的傳感器技術(shù)的發(fā)展力度降低了排水設備在控制以及監(jiān)測上的誤差芬蘭采礦工業(yè)則提出了智能化礦山這一概念其旨在的目標是實現(xiàn)對礦產(chǎn)資源的實時管理生產(chǎn)控制全礦范圍內(nèi)全部實現(xiàn)信息化新型機器自動化以及在維護和生產(chǎn)上全部實現(xiàn)自動化[16]俄羅斯則針對礦山對設備的要求提出了基于微處理技術(shù)的煤礦故障診斷系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)以上這些國家都未對井下排水系統(tǒng)的自動化技術(shù)進行單獨研究但他們在規(guī)劃礦山整體自動化的時候已經(jīng)納入這方面的研究內(nèi)容將所有的控制信息比如水泵的運行狀況等都回饋到中心控制系統(tǒng)實現(xiàn)對礦山生產(chǎn)的統(tǒng)一控制不論是傳感器技術(shù)的發(fā)展還是礦山通信網(wǎng)絡建立都將極大的促進礦井自動排水系統(tǒng)的發(fā)展13本課題研究主要內(nèi)容目的及意義根據(jù)國內(nèi)外的研究情況的介紹可知在節(jié)能方面不論是國內(nèi)還是國外基本上優(yōu)化布局選擇高效的排水設備上入手在控制方面國內(nèi)一些學者開始采用神經(jīng)網(wǎng)絡等智能型的控制方法進行井下排水系統(tǒng)的監(jiān)控國外的學者雖然沒有單獨研究排水系統(tǒng)但是他們正致力于智能礦山技術(shù)這就意味著礦井自動排水系統(tǒng)也是他們研究的對象131課題研究的主要內(nèi)容由于現(xiàn)在國內(nèi)大部分的煤礦依然采用人工進行控制為主而人工控制中存在太多不確定性本文提出利用ARM構(gòu)建礦井下自動排水系統(tǒng)在構(gòu)建過程中對液位傳感器負壓傳感器等選型提出了通過監(jiān)測電機電流獲取水泵流量的方法另外水泵消耗的電能相當龐大本文對水倉的水位進行實時監(jiān)測根據(jù)水倉水位的變化量和水位的變化速度兼顧避峰就谷的排水原則根據(jù)神經(jīng)模糊控制策略利用變頻器對水倉水位進行微調(diào)使井下自動排水系統(tǒng)更加安全并且節(jié)能132課題研究的目的與意義根據(jù)上文所介紹的排水系統(tǒng)中存在的的各種問題以及在研究中所遇到的各種困難井下排水系統(tǒng)的研究是必要的不僅可以減少人員的投入優(yōu)化運行減少不必要的電能以及水的浪費而且使生產(chǎn)過程更加安全現(xiàn)今許多煤礦排水系統(tǒng)的工作情況都大同小異因此在自動控制方面的研究更是刻不容緩本章小結(jié)本章闡述了礦井排水系統(tǒng)的作用以及其中存在的問題通過查找文獻資料介紹了現(xiàn)階段國內(nèi)外對煤礦井下自動排水系統(tǒng)的研究狀況并且提出了本課題的研究內(nèi)容及意義2自動排水系統(tǒng)的構(gòu)建及工作原理21排水系統(tǒng)架構(gòu)1自動排水系統(tǒng)整體架構(gòu)在監(jiān)測方面采用超聲波液位傳感器與投入式液位傳感器兩種液位傳感器共同獲取水位信息這樣能保證采樣信息的準確性通過負壓傳感器壓力傳感器分別監(jiān)測水泵入口處真空度以及出口處壓力值以判斷水泵達到啟動條件以及是否工作正常[17]通過溫度傳感器監(jiān)測水泵和電機溫度若溫度超過設定值進行故障報警通過電機電流判斷水泵流量本系統(tǒng)采用自動半自動和手動相結(jié)合的控制方式在自動模式下ARM根據(jù)獲取的傳感器的液位負壓值等信號與在系統(tǒng)中設定的值進行比較如果達到要求就輸出信號控制射流泵和閘閥的啟閉根據(jù)當時的水位偏差以及偏差變化率控制水泵的工作狀態(tài)與此同時通過監(jiān)測水泵或者電機是否異常工作來決定進行故障報警或者退出運行2離心式水泵排水系統(tǒng)的組成與特點本系統(tǒng)采用離心式水泵離心式水泵排水系統(tǒng)如圖21所示圖21離心式排水設備示意圖Fig21Centrifugaldrainageequipmentdiagram濾水器由于煤礦開采過程中產(chǎn)生的水含有大量雜質(zhì)長時間作用就會使水倉下面堆積很多淤泥和其他固體顆粒安裝在水管下端的濾水器的作用就是防止沉積的淤泥和其他顆粒雜質(zhì)吸入水泵損壞水泵葉片或者堵塞水泵的吸水管路對于濾水器其最佳的位置應該在離吸水井下方05米的范圍內(nèi)閘閥本系統(tǒng)采用閘閥分為電動球閥和電動閘閥兩種安裝在排水管路上控制水泵的揚程以及流量系統(tǒng)運行過程中必須確保在水泵啟動前先關閉閘閥以達到降低水泵啟動電流的作用逆止閥在水泵的主排水管根部一般都要安裝逆止閥逆止閥的結(jié)構(gòu)較為獨特在閥體中部有一個圓形閥片該閥片為單相閥片只允許水流自下而上當水流自上而下流過時逆止閥中的圓形閥片關閉阻止管路中的水流流回水泵在水泵揚程較高的場合尤其是當水泵停機時逆流而來的水流具有較大的勢能逆止閥的這種特殊結(jié)構(gòu)可以防止回流的水損壞水泵起到保護水泵的作用[18]射流泵射流泵的作用是保證離心式水泵在啟動前將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才再進入啟動水泵通過在泵體能產(chǎn)生負壓并且通過壓差把水倉中的積水壓入的泵腔防止水泵出現(xiàn)干燒現(xiàn)象[19]需要注意的是由于礦井下積水所呈現(xiàn)的酸性對金屬具有一定腐蝕破壞作用所以排水系統(tǒng)裝置選擇上就應該選用耐酸泵并且做好防酸措施由于礦下濕度大并且檢修條件的太差這樣就要求電動機等選用防潮安全性能好的產(chǎn)品22自動排水系統(tǒng)的構(gòu)建在構(gòu)建這個排水系統(tǒng)的過程中采用各種傳感器和控制設備進行數(shù)據(jù)的采集然后再將數(shù)據(jù)傳輸給嵌入式控制系統(tǒng)在充分分析排水過程中各種重要參數(shù)的基礎上實現(xiàn)了自動化檢測控制以及故障報警等環(huán)節(jié)[20]221自動排水系統(tǒng)的構(gòu)建本系統(tǒng)利用ARM7嵌入式微控制器強大的編程運算功能與工業(yè)控制功能加上其與電氣回路的硬件功能建立自動排水控制系統(tǒng)[21]同人工控制相比通過基于嵌入操作系統(tǒng)的ARM7微控制器能更加安全準確地實現(xiàn)實時控制[22]圖22控制系統(tǒng)示意圖Fig22Schematicdiagramofcontrolsystem222自動排水系統(tǒng)的工作原理1水泵的啟動通過采集的液位信號獲取液位的高度嵌入式控制系統(tǒng)得到液位信號根據(jù)控制策略決定是否開啟水泵來控制水位[23]當水位超過預警戒線時嵌入式控制首先輸出的IO信號接通控制射流泵電磁閥線圈從而開啟射流泵為水泵注水[24]射流泵在運行的過程中能夠使水泵入口處的真空度升高通過大氣壓的作用水倉中積水將被注滿離心泵吸水管道以及泵腔中[25]這樣在水泵入口處的真空度達到標準時嵌入式控制系統(tǒng)采集真空度達標的信號啟動水泵這時水泵的出口處的壓力會慢慢增加最后會達到某一數(shù)值而不再增加[26]2水泵的運行嵌入式控制系統(tǒng)采集到壓力傳感器監(jiān)測到的水泵出口處的壓力值后與在系統(tǒng)中設定的正常情況下的壓力值進行對比到達要求時開啟控制該水泵的閘閥使得此水泵機組可以進行排水這時還需要關閉射流泵[27]在水泵運行過程中必須對水泵的運行狀態(tài)進行監(jiān)控監(jiān)測信息主要包括水泵入口真空度值出口壓力值電動機電流溫度以及流量計測得的管路流量等嵌入式控制系統(tǒng)通過這些反饋回來的信號以及信號的變化判斷水泵運行是否正常若監(jiān)測到異常就進入停泵階段[28]3水泵的停止分為兩種情況當水位下降到警戒線以下時首先需關閉電動閘閥隨著電動閘閥的關閉水泵出口處壓力值不斷上升直到上升電動閘閥開啟前的壓力值的時候就可以關閉水泵這屬于正常情況下停止水泵[29]當排水系統(tǒng)意外掉電這個時候就容易產(chǎn)生坐泵的危險[30]在人工操作的情況下由于突然停電而造成的水錘會破壞逆止閥對水泵造成損壞為了避免水錘的破壞需要在水泵逐漸減速時快速的關閉閘閥這樣由水錘帶來的沖擊力在閘閥和逆止閥的共同作用下被削弱減輕了坐泵的危險[31]23系統(tǒng)工作模式本系統(tǒng)根據(jù)煤礦實際情況設計了手動半自動和自動控制三種工作模式用戶可以根據(jù)需要通過設置完成對水泵運行方式的選擇1自動工作模式系統(tǒng)根據(jù)檢測設備監(jiān)測采集的信號水倉水位信號負壓傳感器信號等以及水泵運行狀態(tài)信號通過嵌入式控制系統(tǒng)自動控制水泵等重要設備的運行以及故障報警以實現(xiàn)無人化值守和遠程監(jiān)控功能2手動工作模式系統(tǒng)脫離控制器控制工作人員根據(jù)觀察水倉水位狀態(tài)根據(jù)以往的控制經(jīng)驗手動就地控制各個設備一般都在檢修或者控制系統(tǒng)出故障時選擇此工作模式當整個控制系統(tǒng)發(fā)生故障時系統(tǒng)中所有設備均采用手動運行狀態(tài)這時就要求工作人員完成依照以往經(jīng)驗進行水倉水位控制當某臺水泵或者其對應的其它設備發(fā)生故障時發(fā)生故障的泵組就馬上退出自動運行模式當檢修完畢方可正常工作3半自動動工作模式值班工人通過上位機中顯示的水倉水位確定電機的工作頻率以及水泵的開啟臺數(shù)而電機及閘閥的啟停由ARM自動執(zhí)行即ARM控制水泵的抽真空啟泵打開閘閥等自動控制并完成至運行停止[32]本章小結(jié)本章簡述了排水系統(tǒng)的整體構(gòu)建根據(jù)水泵的排水過程構(gòu)建了基于ARM構(gòu)建排水自動控制系統(tǒng)進而提出了自動排水系統(tǒng)的運行方案以及系統(tǒng)的工作模式3自動排水系統(tǒng)的特征參數(shù)及檢測措施要確保自動控制的實現(xiàn)必須保證控制系統(tǒng)能夠準確的獲取系統(tǒng)中監(jiān)測設備以及控制設備的運行情況在排水自動控制系統(tǒng)中水倉水位進行監(jiān)測流量的監(jiān)測電動機運行狀態(tài)的監(jiān)測水泵運行狀態(tài)等是系統(tǒng)需要監(jiān)測的重要對象31水倉水位的監(jiān)測在自動化監(jiān)控數(shù)據(jù)采集部分最核心內(nèi)容應該就是水倉水位的監(jiān)測因為判斷水泵的啟停主要就是依據(jù)就是礦井積水的水位變化所以在液位計的選用上相當關鍵其不僅是數(shù)據(jù)采集部分的重要內(nèi)容而且也是實現(xiàn)水泵自動化與運行的關鍵問題311超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器是根據(jù)超聲脈沖的方法進行距離測量通過檢測聲頭向當前液面發(fā)射連續(xù)的超聲脈沖聲波到達液面后會產(chǎn)生漫反射再通過聲頭接收反射回來的聲波信號微處理器根據(jù)聲波從發(fā)出到返回的時間這樣液位傳感器到液面的距離就可得出[33]本系統(tǒng)采用FLOWLINEEchoTouchLU20-IS監(jiān)測水倉水位其420mA輸出分辨率達到3mm探頭材質(zhì)為PVDF耐酸堿腐蝕窄聲束角8度支持靜管技術(shù)具有有ExiaIICT4本安防爆認證適合礦井下排水控制系統(tǒng)312投入式液位傳感器投入式液位傳感器另一種測量液位的壓力傳感器其是根據(jù)所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理采用國外先進的隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號再經(jīng)過溫度補償和線性修正轉(zhuǎn)化成標準電信號但是這個信號相當微弱的需要經(jīng)放大器放大后再送入AD變換器然后輸出對應的輸出信號給嵌入式控制系統(tǒng)本系統(tǒng)采用中西遠大科技的CS10-GUY5其具有顯示功能傳感器具有聲光報警功能具有防爆功能和耐腐蝕性適合井下排水系統(tǒng)313液位傳感器的選擇鑒于兩種液位傳感器都各有不足超聲波傳感器必須保證其超聲波射野內(nèi)不存在障礙否則其反饋的信號不準確造成液位信息與實際值不相符[34]為了確保監(jiān)測到的數(shù)據(jù)的準確性本系統(tǒng)采用將以上兩種液位傳感器并用的方式來獲取井下水倉水位但是在測量范圍內(nèi)存在固定障礙則使用兩個投入式液位傳感器32管道流量監(jiān)測321流量計的選型流量的測量是煤礦排水自動化監(jiān)控中的另一項非常重要的部分根據(jù)所獲取的排水流量調(diào)整水泵工作狀態(tài)流量計選型十分關鍵[35]流量計類型有很多種本系統(tǒng)采用電磁流量計因為礦井中積水呈弱酸性而且含有雜質(zhì)較多而電磁流量計正好具有監(jiān)測臟污流腐蝕流的特性[36]322電磁流量計介紹電磁流量傳感器是把流過管道內(nèi)的導電液體的體積流量轉(zhuǎn)換為線性電信號其轉(zhuǎn)換原理就是著名的法拉第電磁感應定律即導體通過磁場切割電磁線產(chǎn)生電動勢流量傳感器的磁場是通過勵磁實現(xiàn)的分直流勵磁交流勵磁和低頻方波勵磁電磁流量計簡單的說是由電磁流量傳感器和變送器組成的當被測量的導電液體通過管道時切割磁力線這就在和磁場及流動方向垂直的方向上產(chǎn)生感應電動勢這個感應電動勢與液體的流速成正比即EBDV31式中E感應電動勢B磁感應強度TD測量管內(nèi)徑mV導電的液體在管內(nèi)的平均流速ms由式31得流量為3233排水管路系統(tǒng)的閥門選型控制排水系統(tǒng)的主要部件就是配水閥和射流系統(tǒng)中的電動球閥當啟動泵時關閉水泵閘閥降低啟動水泵功率以及降低啟動電壓差來實現(xiàn)減小對電網(wǎng)的沖擊當水泵進入到正常作業(yè)的模式后再打開閘閥停泵時系統(tǒng)需先關閘閥再停止水泵本系統(tǒng)采用三條管路排水這就需要通過選擇閘閥的開啟來控制其中幾個管道工作1電動閘閥此系統(tǒng)所選用的電動閘閥是常州蘭陵閥門公司生產(chǎn)的ZB18024400型礦用隔爆型電動閘閥并配有KXBC系列隔爆型控制箱該控制箱是ZB系列電動閥門的專用控制裝置具有故障保護功能并設置了行程控制遠方就地控制的切換功能反饋到ARM的到位等信號皆為無源點輸出有較強的抗干擾能力可以滿足了自動排水系統(tǒng)的要求圖31ZB型隔爆電動閘閥Fig31ZBtypeexplosion-proofelectricgatevalve圖32KXBC型制箱

Fig32KXBCtypeexplosion-proofcontrolbox2電動球閥本系統(tǒng)的另一個重要部分就是控制射流系統(tǒng)的電動球閥其密封性動作的可靠性直接決定了射流系統(tǒng)的穩(wěn)定性進而決定了離心泵是否正常啟動本系統(tǒng)選用了常州蘭陵閥門公司生產(chǎn)的QMB5型隔爆電動球閥該閥門具有密封性好動作速度快動作可靠故障率低等優(yōu)點控制電壓為DC24V可由ARM輸出繼電器直接驅(qū)動采用霍爾傳感器檢測到位信號較于傳統(tǒng)的機械觸電更為準確提高了控制精度圖33QMB5型隔爆電動球閥Fig33QMB5typeexplosion-proofelectricballvalve34離心式水泵監(jiān)測離心式水泵作為自動排水系統(tǒng)中的重要設備必須保證其運行正常這就需要對其狀態(tài)指標進行監(jiān)測現(xiàn)階段離心式水泵各個指標監(jiān)測方法有很多本節(jié)提出一種通過檢測電動機電流來確定離心泵工作狀態(tài)的方法通過這種方法對運行的水泵進行故障診斷341離心泵運行狀態(tài)監(jiān)測一電機電流I與離心泵流量Q的關系電機電流I的計算公式33式中介質(zhì)密度U電壓η1電機效率cos功率因數(shù)η2傳動效率H離心泵的揚程Q流量η離心式水泵效率由于Uη2為常數(shù)η1cos變化不大所以本文也把其看作常數(shù)這樣電動機電流就僅僅與HQ以及η有關而H和η是由離心泵本身特性所決定且流量Q是關于H和η的函數(shù)[37]因此可以通過獲取電動機的電流I來確定水泵的流量Q通過上文的推導結(jié)果可知水泵的流量可以通過電動機的運行電流而得所以系統(tǒng)僅需監(jiān)測電動機的電流即可在實際情況下可以把電機電流與水泵流量的函數(shù)繪制出來然后通過測得的電動機電流就可以得到對應的水泵的流量揚程H和效率η從中得到離心式水泵的運行狀況更重要的是根據(jù)獲取的實際參數(shù)與其最佳值進行對比將水泵調(diào)節(jié)到最佳的工作狀態(tài)二離心式水泵運行狀態(tài)監(jiān)測實施下面為125D-25×8型離心泵的出廠時性能試驗主要技術(shù)參數(shù)如下最大揚程172m排水量Q101m3h吸水高度55m轉(zhuǎn)速2950radm效率75％實際配用電動機型號YB280S-2功率75kW電壓660V功率因數(shù)089效率88離心泵出廠時是一般用清水進行性能試驗而在本排水系統(tǒng)中的井下積水不同與清水礦井水密度為1025kgm3將上述相關參數(shù)代入式33可得到34簡化后得3435根據(jù)水泵的特性曲線圖由于水泵的流量與揚程和效率之間存在函數(shù)關系所以可以通過流量值得到相應的揚程與效率將所得到的數(shù)值代入35中便可得到電機電流值結(jié)果如表31所示表31水泵流量與電機電流值之間的對應關系Tab31Waterpumpflowandthecorrespondingrelationsbetweenthemotorcurrentvalue序號 流量m3h 揚程m 效率 電流A 1 20 198 22 55 2 40 194 50 6466667 3 60 189 66 7159091 4 80 183 72 8472222 5 100 176 745 98434 通過此表格存入嵌入式控制系統(tǒng)中由上一節(jié)介紹的通過電磁流量計監(jiān)測到的水泵流量以及電動機的電流值通過與表31進行對應從而得到離心泵的工作狀態(tài)由此可見利用電機電流進而獲取水泵的工作狀態(tài)的方法方便簡單而且容易實現(xiàn)在實際應用時僅需要獲取電機的運行電流就可以根據(jù)性能曲線得到泵的理論流量以及揚程從而得到水泵的工作情況342真空度檢測啟動水泵的前提條件是水泵真空度通過負壓傳感器檢測達到預先設定的數(shù)值因此在啟動水泵的整個過程中必須適時準確的監(jiān)測出管道中的真空度并將其動態(tài)顯示在數(shù)碼管上本系統(tǒng)選用三恒自動化儀表的KGY4礦用本質(zhì)安全型負壓傳感器設備如圖34所示KGY4型負壓傳感器由傳感器觸頭運算放大器AD變換器主控單片機輸出和顯示等部分組成它由專用的電源提供電能壓力變化值通過轉(zhuǎn)變成為微弱的電信號經(jīng)過放大器將其放大再經(jīng)由AD變換器把模擬電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號輸送給單片機后者在其基礎上通過運算處理最終把壓力值顯示在八位通過數(shù)碼管上同時將其4～20mA電流信號傳送到嵌入式控制系統(tǒng)中圖34KGY4數(shù)顯電接點壓力表實物圖Fig34KGY4digitalpressuregaugephysicalmap負壓傳感器安裝在水泵的吸水接管上為了觀察方便將傳感器顯示部分向外安裝負壓傳感器的右下的氣孔連接到被測點的水泵的抽真空管道左下的氣孔與空氣相通安裝過程中的注意事項如下由于要進行負壓監(jiān)測所以要求連接處的密封性能要可靠用于固定的支架必須牢固可靠不能在有淋水的地方安裝343水泵出水口壓力檢測系統(tǒng)選用的傳感器型號是KGY7礦用本質(zhì)安全型壓力傳感器它能夠連續(xù)監(jiān)測管道中的流體壓力變化包括氣體液體等可以將被測點的壓力數(shù)值實時反饋并顯示出來一般安裝在水泵工的出水口位置和排水接管上在安裝過程中最重要的是保證接口處的密封可靠性如圖35所示KGY7型壓力傳感器由傳感器觸頭運算放大器AD變換器主控單片機輸出和顯示等部分組成它由專用的電源提供電能傳感器觸頭把感應到的壓力變化值轉(zhuǎn)換成電信號由于電信號微弱所以通過放大器將信號放大再通過AD變換器把模擬的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號提供給主控單片機單片機對數(shù)字量信號運算處理把最終得到的壓力數(shù)值反饋到八位數(shù)碼管同時采用輸出44～20mA電流信號圖35CYZ602型壓力變送器實物圖Fig35CYZ602pressuretransmitterphysicalmap35電動機運行狀態(tài)監(jiān)測和保護由于排水過程要求電動機頻繁的起動變負荷和制動等多種方式運轉(zhuǎn)而在以上各種情況下電動機的發(fā)熱情況各不相同這就要求對電動機軸承監(jiān)測另外電機作為排水系統(tǒng)中的又一重要設備電機的保護措施不容忽略351電動機運行狀態(tài)監(jiān)測電機定子繞組預埋Pt100的電阻電機軸承水泵軸承也分別安裝了溫度探頭所測量的信號先傳送到多路溫度巡檢儀測算出溫度信號后再經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線傳送至ARM控制柜在ARM可編程序控制器中分別設定了電機定子電機軸承水泵軸承的上限溫度上限溫度值為兩級參數(shù)當達到第一級溫度時系統(tǒng)報警并顯示當達到第二級溫度時控制系統(tǒng)自動停止水泵避免設備損壞352電動機的保護電機保護就是給電機全面的保護即在電機出現(xiàn)過載缺相堵轉(zhuǎn)短路過壓欠壓漏電三相不平衡過熱軸承磨損定轉(zhuǎn)子偏心時予以報警或保護為電動機提供保護的裝置是電機保護器包括熱繼電器電子式保護器和智能型保護器目前大型和重要電機一般采用智能性保護裝置4節(jié)能優(yōu)化智能控制策略圖43查表法Fig43Look-uptable43系統(tǒng)水位模糊控制器設計與仿真本文應用MATLAB中的Simulik軟件對水位模糊控制器進行建模與仿真Simulik中的FuzzyLogicToolbox中包含了測試以及建立模糊邏輯系統(tǒng)的一套功能函數(shù)其中包括了語言變量的定義隸屬度函數(shù)模糊推理規(guī)則對于模糊推理系統(tǒng)FIS的管理以及圖形交互式觀察模糊推理的過程及結(jié)果431水位模糊控制器建立一模糊控制器類型的選取按輸入變量的個數(shù)可以分為一維二維和三維模糊控制器目前使用最多的模糊控制器是雙輸入單輸出控制器其輸入變量有兩個分量差e和差變化率ec這種控制器原理清晰結(jié)構(gòu)簡單應用廣泛可以用于各種復雜情況的模糊控制在二維模糊控制器水位e和水位變化率ec系統(tǒng)輸入變量q為輸出變量輸入輸出語言變量的選取水位e的模糊語言變量為Ee的物理論域選取為[04]模糊論域劃分為7個等級即E3210123并選取七個模糊子集NB水位非常低NM水位很低NS水位偏低ZE水位適中PS水位偏高PM水位很高PB水位非常高來涵蓋e的模糊論域水位變化率ec的模糊語言變量為ECec的物理論域選取為[-005005]模糊論域劃分為7個模糊等級即EC3210123并選取五個模糊子集NB水位下降很快NS水位下降偏快ZE水位穩(wěn)定PS水位上漲偏快PB水位上漲很快來涵蓋ec的模糊論域輸出變量q其模糊語言變量為的物理論域選取為[0]模糊論域劃分為7個模糊等級即U3210123并選取五個模糊子集NBNSZEPSPB來涵蓋q的模糊論域MATLAB的CommandWindowFuzzy打開模糊推理系統(tǒng)編輯器FISEditor根據(jù)上面確定的輸入輸出語言變量及其論域建立模糊推理系統(tǒng)以shuiwei存盤如圖4所示量化因子和比例因子的確定的量化因子用Ke表示差變化率ec的量化因子用Kec表示輸入語言變量的物理論域為[xx]x0模糊論域為[njnj]nj0則量化因子K為在這種情況下輸入變量直接乘以量化因子然后四舍五入后取整值即為模糊化后的語言變量輸入變量的物理論域不對稱如輸入量的物理論域為[ab]且a≠b模糊論域為[njnj]nj0這時量化因子K為4-2在這種情況下比如某時刻的輸入語言變量x∈[ab]則作變換yxab2然后四舍五入取整值作為模糊化后的語言變量此外給出的控制量不能控制對象轉(zhuǎn)換到控制對象接受的基本論域中比例因子Ku表示量的基本論域為[XuminXu]模糊論域為[LminL]則比例因子為控制量的模糊變量乘以比例因子然后四舍五入后的取整值即為控制量的精確值設計該控制器時輸入量e的物理論域選取為[04]模糊論域選E3210123ec的物理論域選取為[-005005]模糊論域為EC3210123輸出量q的物理論域為[0]模糊論域劃為U3210123根據(jù)式4-14-2控制器的量化因子和比例因子為圖46模糊變量EC的隸屬函數(shù)Fig46ThemembershipfunctionofthefuzzyvariableEC圖47模糊變量Q的隸屬函數(shù)Fig47ThemembershipfunctionofthefuzzyvariableQ表41語言變量E的賦值表Table41TheevaluationtablethefuzzyvariableEux 等級 -3 -2 -1 0 1 2 3 E NB 10 00 00 00 00 00 00 NM 00 10 00 00 00 00 00 NS 00 00 10 00 00 00 00 ZE 00 00 00 10 00 00 00 PS 00 00 00 00 1．0 00 00 PM 00 00 00 00 00 10 00 PB 00 00 00 00 00 00 1．O 表42語言變量EC的賦值表Table42TheevaluationtablethefuzzyvariableECux 等級 -3 -2 -1 0 1 2 3 EC NB 10 03 00 00 00 00 00 NS 00 07 07 00 00 00 00 ZE 00 00 03 10 03 00 00 PS 00 00 00 00 07 07 00 PB 00 00 00 00 00 03 1O 表43語言變量Q的賦值表Table43TheevaluationtablethefuzzyvariableQux 等級 -3 -2 -1 0 1 2 3 Q NB 10 03 00 00 00 00 00 NS 00 07 07 00 00 00 00 ZE 00 00 03 10 03 00 00 PS 00 00 00 00 07 07 00 PB 00 00 00 00 00 03 1O 五建立模糊控制規(guī)則在建立模糊控制規(guī)則時主要應遵循的原則在誤差較大時模糊控制器輸出的主要目的是消除誤差當誤差較小但是誤差變化率又較大時模糊控制器的輸出的主要目的是系統(tǒng)的穩(wěn)定避免系統(tǒng)超調(diào)本文所選用的控制規(guī)則是根據(jù)井下泵房的操作人員常年的工作經(jīng)驗來建立的所選擇的模糊控制規(guī)則如下1ifENBthenQNB2ifENMandECNBorECNSthenQNB3ifENMandECZEorECPSthenQNS4ifENMandECPBthenQNS5ifENSandECNBthenQNS6ifENSandECNSorECZEthenQNS7ifENSandECPSorECPBthenQZE8ifEZEandECNBthenQNS9ifEZEandECNSorECZEorECPSthenQZE10ifEZEandECPBthenQPS11ifEPSandECNBorECNSthenQZE12ifEPSandECZEorECPSthenQPS13ifEPSandECPBthenQPS14ifEPMandECNSorECZEorECPSthenQPS15ifEPMandECPBthenQPB16ifEPMandECNBthenQPS17ifEPBthenQPB在MATLAB中FuzzyLogicToolbox下的模糊規(guī)則編輯器RuleEditor建立上述的模糊控制規(guī)則并在模糊規(guī)則觀測窗RuleViewer下觀察如圖48和49所示圖48模糊規(guī)則編輯器下建立的模糊控制規(guī)則Fig48Thefuzzycontrolrulesestablishedintheruleeditor圖49觀測到的模糊控制規(guī)則Fig49Thefuzzycontrolrulesobserved根據(jù)上述模糊控制規(guī)則可歸納出表4-4的模糊控制規(guī)則表表44模糊控制規(guī)則表Table44ThetableofthefuzzycontrolrulesQ E NB NM NS ZE PS PM PB EC NB NB NB NS NS ZE PS PB NS NB NB NS NS ZE PS PB ZE NB NS NS NS PS PS PB PS NB NS ZE ZE PS PS PB PB NB NS ZE ZE PS PS PB 模糊推理及合成接下來就是根據(jù)模糊理論進行算法合成求得Q的控制表推理過程如下對于一個二維模糊器其控制規(guī)則可寫成下面這種形式ifandthen4-4i12mj12n其中和是分別定義在和的模糊子集對于由ifandthen所決定的三元模糊蘊含關系R為4-5式中E×ECT1為由模糊關系矩陣E×ECn×m構(gòu)成的n×m維列向量n和m是兩個模糊集的論域中的元素個數(shù)根據(jù)模糊數(shù)學理論可知"×"運算的含義如下4-6根據(jù)模糊推理合成規(guī)則模糊控制器的輸出量Q為4-7這里E×ECT2為由模糊關系矩陣E×ECn×m的行向量即4-8因此根據(jù)所得的Q模糊控制規(guī)則就可按式4-5和4-6把相應的模糊蘊含關系R求出來反過來若已知系統(tǒng)的模糊關系R時可根據(jù)輸入量E和EC通過式4-7和4-8求出Q的控制表通過以上的推理過程可知模糊蘊含關系R是求取Q的控制表的關鍵求取過程如下由式4-5和4-6設4-9i12mj12nk12mn則隸屬度為4-10由式4-10可得到模糊集將改寫成形式即將的第一行元素按列寫下后再將第二行的元素按著往下寫其他行類推即4-11當求出后則4-12由控制規(guī)則表式4-9和式4-11得其中至此關于參數(shù)Q的模糊關系子集R1R2R35均求出由式4-12就可求得模糊蘊含關系R上面已經(jīng)求出模糊蘊含關系R根據(jù)推理合成規(guī)則QEECT2R可以求得Q的模糊子集即七模糊量的判決經(jīng)過上面一系列運算之后系統(tǒng)的得到的輸出量是一個模糊子集或者模糊的隸屬函數(shù)這就要求控制系統(tǒng)在模糊輸出隸屬函數(shù)中找到一個可以代表這個模糊集合的精確量模糊控制作用可能性分布[40]現(xiàn)階段有三種去模糊的方法分別為中位數(shù)判決法最大隸屬度法和加權(quán)平均法本文選用加權(quán)平均法進行模糊判決上面已經(jīng)求出模糊子集Q1[030300000]由加權(quán)平均法可得精確值Q1-3以此類推Q的模糊控制表如表4-5所示表4-5模糊控制查詢表Table4-5TheinquirytableofthefuzzycontrolQ E -3 -2 -1 0 1 2 3 EC -3 -3 -2 -2 -2 0 2 3 -2 -3 -2 -2 -2 1 2 3 -1 -3 -2 -2 -2 1 2 3 0 -3 -1 -1 -1 1 2 3 1 -3 -2 0 0 2 2 3 2 -3 -2 0 0 2 2 3 3 -3 -2 0 0 2 2 3 在MATLAB模糊邏輯工具箱FuzzyLogicToolbox下的輸出量的曲面觀測窗SurfaceViewer下可以觀察到已經(jīng)建立好的水位模糊控制器的輸出曲面如圖410所示圖410模糊控制器的輸出曲面Fig410Theoutputsurfaceofthefuzzycontrol432水位模糊控制器在MATLAB下的仿真將上面已經(jīng)建立的模糊推理系統(tǒng)保存為shuiweifis文件嵌入到MATLABFuzzyLogicToolbox模糊邏輯工具箱中的FuzzyLogicController模糊邏輯控制器模塊同時控制對象使用上面建立的涌水量預測模型就可以應用MATLAB下的Simulink構(gòu)建模糊控制系統(tǒng)的仿真模型模型如圖411所示仿真曲線如圖412所示圖411模糊控制仿真模型框圖Fig411Theblockdiagramofthesimulationmodelofthefuzzycontrol圖413模糊控制響應曲線Fig413Theresponsecurveofthefuzzycontrol由上面的仿真曲線可以看出模糊控制曲線超調(diào)量明顯減小上升時間調(diào)整時間和穩(wěn)定時間大大縮短44模糊控制器在ARM上的實現(xiàn)以及節(jié)能分析本文的礦井自動排水控制系統(tǒng)的水位模糊控制器是在ARM上實現(xiàn)的其實現(xiàn)方式可以分為離線和在線兩種本文采用離線方式控制系統(tǒng)通過把模糊控制規(guī)則存入控制器的數(shù)據(jù)區(qū)在實際控制過程中通過采樣計算誤差和誤差變化率根據(jù)計算結(jié)果查表并輸出控制量把這一系列模糊控制工作離線完成先將模糊控制器的模糊規(guī)則表經(jīng)過系統(tǒng)不斷的在線調(diào)試試驗之后再把制成的模糊控制規(guī)則表以數(shù)據(jù)塊的形式存入ARM中的數(shù)據(jù)區(qū)該數(shù)據(jù)區(qū)由一個查詢該表的子程序進行管理工作流程圖如圖414首先利用AD模塊將輸入量采集到ARM的DM數(shù)據(jù)區(qū)根據(jù)他們所對應的輸入模糊論域中的元素查詢存儲于ARM的模糊控制表最后得出模糊輸出量其中為時刻用電峰時谷時的某一個時刻的系統(tǒng)設定的水位值Yk為時刻系統(tǒng)的水位采樣值圖414模糊控制流程圖Fig414TheflowchartofFuzzycontrol由于本文主要目的是達到節(jié)能的效果不僅通過避峰就谷的策略而且可以通過調(diào)節(jié)變頻器對于水泵的工作頻率進行調(diào)節(jié)以達到的節(jié)能效果在過去的礦井排水系統(tǒng)一般不采用變頻僅僅當水到達警戒線就啟動所有的水泵進行排水這是就會出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象所以本文選用變頻器調(diào)頻為了達到更好的節(jié)能效果礦井積水的涌入具有隨機性這就需要頻繁啟動電機因為變頻器啟動電機的時候比直接啟動電流要小的多要知道電機啟動瞬間消耗的功率是很大的另外變頻器可以減少無功功率對于線路的損耗電機越大體現(xiàn)越明顯此相對于變頻器本身的損耗來說變頻器本身的損耗就彌補過來了本章小結(jié)本章針對礦井排水系統(tǒng)的水倉水位這種很難建立數(shù)學模型來達到控制的要求的參數(shù)采用模糊控制來實現(xiàn)控制首先對對模糊控制規(guī)則做了簡單的介紹并且根據(jù)模糊控制原理設計了礦井排水模糊控制系統(tǒng)該方法在現(xiàn)場的應用使得排水控制系統(tǒng)更加安全提高了煤礦排水系統(tǒng)處理突發(fā)涌水事故的能力而且根據(jù)用電峰段谷段的劃分對預設水位值進行靈活的設計遵循了節(jié)能降的原則大大提高了煤礦的經(jīng)濟效益5嵌入式控制系統(tǒng)的硬件設計ARM技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)多年ARM7ARMgARMgEARMIOESeeurCoreXScaleStrongARM等微型芯片陸續(xù)問世計算速度越來越高有的主頻可以達到1000MHz存儲能力大大增加外圍接口越來越豐富技術(shù)開放程度越來越高這些都為ARM技術(shù)的快速發(fā)展提供了基礎和保證ARM微處理器以及其技術(shù)在國內(nèi)得到了廣泛的應用基于ARM技術(shù)的控制器產(chǎn)品也越來越多如西門子PHILIPS等都有大量基于ARM技術(shù)的控制產(chǎn)品51嵌入式處理器選型控制器核心的選擇要兼顧性能需求能耗成本內(nèi)存大小處理器速度中斷響應能力等多個方面而ARM處理器結(jié)構(gòu)簡單ARM內(nèi)核也非常小又由ARM處理器的以上兩個優(yōu)點可以得知功耗也非常低ARM芯片的核心性能決定了控制器整體的性能水平煤礦生產(chǎn)設備的實時性要求相比其他行業(yè)如化工航天等來說不是特別高所以本文選擇PHILIPS的LPC2220芯片LPC2220是基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S核LQFP144封裝的芯片LPC2220芯片內(nèi)有眾多的功能模塊包括①8路10位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間低至244μs②2個32位定時器帶4路捕獲和4路比較通道PWM單元6路輸出實時時鐘和看門狗③多個串行接口包括2個16C550工業(yè)標準UART高速I2C接口400kbps和2個SPI接口④一個向量中斷控制器可程序配置優(yōu)先級和向量地址⑤多達76個通用IO口可承受5V電壓9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳⑥通過外部存儲器接口可將存儲器配置成4組每組的容量高達16MB數(shù)據(jù)寬度為81632位⑦EmbeddedICE-RT和嵌入式跟蹤接口使用片內(nèi)RealMonitor軟件對任務進行實時試并支持對執(zhí)行代碼進行無干擾的高速實時跟蹤⑧雙電源環(huán)境下工作CPU內(nèi)核工作電壓范圍是165～195V18V±015VIO操作電壓