井下水泵自动控制系统设计

吴占背

(山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600)

0 引言

煤矿井下排水系统担负着煤矿井下防患水患的重要系统，而传统井下排水设备的启动和停止需要进行复杂的人工操作，极大降低了生产效率[1-2]。随着现代化、自动化煤矿建设需求与持续发展，对煤矿建设的自动化、现代化要求越来越高，利用现代计算机技术与自动控制技术实现矿井水泵控制的自动化是煤矿发展必由之路[3-4]。目前，微机电子技术在煤矿的广泛使用，使得传统控制缺点被改正，方便了现场操作与维护，同时还可以进行实时监测，极大提升了煤矿安全生产的效率[5-6]。在此基础上，利用微机原理与现代电力电子技术开发一套井下水泵自动控制系统。

1 系统总体设计方案

1.1 控制系统结构

控制原理及整体结构：为实现井下正常排水，保证井下安全，所设计的水泵自动控制系统需要克服计算机控制技术、网络信息传输技术、传感器传输技术、微机电子信息技术等关键技术，从而完成井下水泵的远程监控与控制功能[7-8]。井下各传感器通过对水泵电压电流、真空度、水位、出水口流量以及电磁阀和电动阀的开关情况进行实时监测，将信息传输给DSP控制器进行逻辑识别与动作处理，完成对水泵的开停控制、控制方式控制、故障识别与处理等操作，同时将这些信息通过通信总线传输给井下监测模块和井上监控中心，方便操作人员进行远程控制。系统可分为地面部分和井下部分，系统整体设计结构图如图1所示。

图1 系统整体结构图

地面监控中心：煤矿地面监控中心主要由服务器、光端机、交换机等部分组成。通过煤矿上的以太网连接各设备与井下控制系统进行信息传输，并利用组态软件构建上位机等显示系统，从而可以将井下实时监控数据与信息通过网络传输至监控中心，方便地面工作人员进行操作和调控。

井下监测模块：井下控制系统主要包括DSP控制柜、各功能传感器、电动阀、开关柜、执行机构等部分。DSP控制柜中的处理器完成对井下控制系统的逻辑控制以及对传感器采集数据的处理，负责井下整个系统的相关设备的运行调控，并与地面及井下各个设备信息通信完成监控与控制处理的功能。传感器部分则主要由水泵出水口传感器、水泵真空度检测传感器、液位传感器、流量传感器、温度传感器、震动传感器等部分组成,完成对整个水泵运行状态的实时监测，为系统提供一个可靠的信息采集系统。阀门主要是将原先手动闸阀更换为电动阀和电磁阀，以便控制器能对水泵的进出水自动控制。

1.2 数据采样算法

本系统传感器采集的信息为连续模拟信号，而整个系统是以DSP数字处理器为核心的控制系统，需要将采集的模拟信号离散化处理，同时对采样算法进行设计，优化采样过程。系统通过快速傅立叶算法(FFT)采样算法，该过程是提取所需的基波分量和所需的谐波分量并将多余的其他周期分量滤除，从而保证有效的信号数值。离散傅立叶变换(DFT)是一种傅立叶变换在离散状态下的表现形式，对于一个N点的序列XN(K)，DFT变化为

K=0,1,2,…,N-1

(1)

(2)

2 系统硬件设计

2.1 系统组成结构

本系统设计的硬件电路主要以DSP数字处理器为核心，还包括数据采集电路、液位传感器、流量传感器、温度传感器、真空度检测传感器等传感器、输入/输出单元电路、电源电路、复位电路以及水泵的电机控制相关电路、电磁阀开关控制电路等部分。DSP数字处理器完成整个微机系统的逻辑处理与运算，同时将结果与地面监控中心通信；采集电路完成各个传感器采集的数字与模拟信号的采样与转换[9-12]，以便DSP能快速处理；输出单元则将控制信号的脉冲输出对水泵各部分的控制电路完成控制，从而实现水泵的自动控制过程。系统硬件电路结构如图2所示。

图2 系统硬件电路结构图

2.2 中央处理器选型

本系统在考虑井下使用环境与控制需求，对微控制单元(MCU)采用DSP数字处理器系列的TMS320LF2407芯片。该芯片集成有丰富的内核和外设资源，相比于传统的MCU控制器，它把DSP高速数据处理能力和丰富外设等功能集成，极大便于运算和开发。芯片内部具有32KX16位的EEPROM存储单元和1.5KX16位的RAM程序存储器，同时在运算存储过程中指令周期仅有33 ns，极大提高了控制器实时控制能力。

2.3 压力检测的调理电路

为实现对水仓水位进行监测，考虑使用条件，本系统利用连通器原理，通过在水仓底部安装连接一根弯管，并在弯管的顶部安装型号为MPX2050的压力传感器。该压力传感器具有温度补偿和自动校正的功能，所能测量的量程为0～50 kPa，即水位为0～5 m的范围。为了提高测量精度，在传感器后安装信号调理电路，如图3所示。该电路由3个高性能运算放大器组成，其中A1构成电压跟随器，从而提高整个电路的输入阻抗，信号再经A2、A3组成的二级反向相放大后便可以输出DSP处理器可识别的0～3.3 V测量电压范围。

图3 信号调理电路

2.4 温度检测电路

在水泵运行过程中要实现对水泵电机的保护，则必须实时监测电机轴的温度。本系统采用AD590温度传感器检测水泵电机轴的温度，所设计的温度检测电路如图4所示。其中运算放大器采用具有低噪声、高增益的OP-07型号运放。电容C4用于滤波，通过电阻R49向传感器提供一个稳定电压值，R5电位器起到对电路调节零点的作用，通过RP1可以调节电压与温度之间的关系。

图4 温度检测电路

3 系统软件设计

水泵启动流程如图5所示，水泵在开启前，需要先将射流泵阀门打开进行注水排气，对其真空度进行检测是否达到要求，没有达到要求便报警停止水泵启动。判断可以进行启动时，水泵便进行工作，同时对它进行实时监测主要包括电流、压力、温度等情况实时状态的监测，当出现异常时进入故障处理子程序，并给予警报响应。

图5 水泵启动流程图

4 结语

在对井下水泵自动控制系统结构进行设计时，将其结构分为地面监测中心和井下微机实时检测站两大部分，针对井下水泵面临的多路采样监测的要求，对采样所需的算法进行分析。同时，以DSP数字处理器系列的TMS320LF2407芯片为核心设计一套基于MCU处理器的井下水泵自动控制系统，并论述了部分硬件电路设计和软件程序设计，该系统可以满足井下水泵自动控制的需求，并运行稳定。