基于分布式控制的煤矿多级排水监控系统.pdf

152 ELECTRONICS WORLD技术交流 基于分布式控制的煤矿多级排水监控系统 天地（常州）自动化股份有限公司 蒋 伟 【摘要】介绍了一种基于分布式控制的煤矿多级排水监控系统，给出系统架构、控制原理。该系统已在某些矿山得到应用，结果表明其明显 提升了多级泵房排水控制水平，运行效率高，取得了良好效果。 【关键词】分布式控制；多级排水；监控系统 0 引言 排水系统是煤矿生产的重要保障，它是矿井安全生产必不可少的 一项重要装置，这就要求排水装置必须能够安全可靠地运行1。有些 煤矿采用多水平开采，在各个水平都有排水泵房，采用多水平联合排 水，这种排水方式和一般的直排方式相比具有更高的控制难度，容易 造成邻级泵房的空吸或者淹巷，给煤矿生产带来不安全隐患。 针对这种现象，笔者设计了一套基于分布式控制的多级排水监控 系统，在原有的排水系统基础上，实现各级泵房之间的信息共享，采 用更加智能的控制策略，减少排水系统操作人员工作量，降低劳动强 度，结合各水平水仓水位变化充分提高矿井排水系统效率，使水泵排 水系统能够安全可靠、节能高效、经济合理的优化运行。 1 分布式系统简介 分布式控制系统(distributed control systems，简称DCS)，又称 为分散控制系统，分散型控制系统，集散控制系统。其基本思想是 分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便，分布式控 制系统具有可靠性高、开放性好、应用灵活、易于维护、方便协 调、控制功能齐全等优势。 煤矿井下的分散型控制系统是以控制分站为基础，以危险分散 控制，操作和管理集中为特性的新型控制系统。它摆脱了传统点对 点连接的束缚，打破了控制系统在空间位置上的限制，拓宽了控制 活动的场所，降低了系统连接的复杂性，减少系统的重量和体积， 能够增强系统的灵活性和可靠性2。 图1 控制系统架构示意图 2 系统组成 2.1 系统架构 系统基本架构如图1所示，主控器放置在集中控制室中，负责 整个系统若干个泵房的的排水管理和调度任务。每个水平排水泵房 设置控制机，分别完成各个相关工艺设备的集中控制任务。 系统控制采用三层网络结构体系，即信息层、控制层、设备层。 信息层在控制室组成局域网，监控主机通过以太网卡与各泵房 PLC主机连接数据交换。 控制层通过PLC实现集中控制室对各系统设备的集中监测控制。 设备层各参控设备通过控制电缆与本地IO模块连接实现各离散 信号及模拟信号的监控。 2.2 各水平控制站组成 各个水平设置独立的控制站如图2所示，控制站中已PLC可编 程控制器为核心，包含排水相关的传感器、控制器、保护器等，每 个控制站可以单独控制本级泵房中的所有排水设备，同时将重要的 系统信息（如水仓水位、涌水量、排水能力）上传到主控器，为主 控器协调运行各级水平的控制设备提供判断依据。 图2 各水平控制站示意图 3 联合排水控制逻辑 为了达到协调各水平泵房联合运行的目标，系统在联合排水的 运行逻辑上做了针对性的设计。 首先，制定排水控制基本策略表，判断本水平的当前水位状 态，结合相邻上水平和下水平的水位状态，做出判断。例如，在本 水平高水位时，上水平在高水位，下水平在低水位时，应当增加本 水平、上水平排水能力，同时减少下水平排水能力。 其次，基本策略表中存在不能直接给出判断的情况，如本水平 和相邻水平都是高水位状态，这时需要根据其他因素进行综合风险 评估，例如各水平的水位相对偏差程度、涌水量变化、排水能力、 发生涌水后产生的影响等综合考虑，确定当前的排水策略。 再次，在已有的策略基础上，系统借助于神经网络训练学习 算法，对排水策略进行建模。神经网络灵活性很大，适合处理非线 性、没有特定规律的复杂问题，在优化、信号处理与模式识别、智 能控制、故障诊断等许多领域都有着广泛的应用前景3。通过不断的 （下转第168页） 万方数据 168 ELECTRONICS WORLD技术交流 -40-20020406080100120 T/ 0.84 0.86 0.82 0.88 0.90 0.92 Vref/V P1:(29.00,0.87) P2:(-40.00,0.87) dx:69.00 dy:4.12m s :59.74u tt P1:(28.61,0.81) P2:(-40.00,0.81) dx:66.80 dy:3.90m s :58.31u P1:(28.61,0.92) P2:(-40.00,0.92) dx:68.16 dy:4.10m s :60.09u ss ff 图5 不同工艺角下基准电压vref温度特性曲线 （2）在不同的电源电压下：基准电压vref温度特性曲线 -40-20020406080100120T/ 0.865 0.87 0.875 Vref/V 1V 1.2V 1.4V 1.6V 1.8V 2.0V 2.2V 2.4V 2.6V 2.8V VDD=3V 图6 在不同的电源电压下：基准电压vref温度特性曲线 仿真结果表明：在-40-125范围内，1 -2.4V工作电压下温 度系数TC基本稳定在22-28ppm/之间；在1-3V工作电压范围内， 基准电压vref随温度变化基本一致，当工作电压达到3V或低于1V时 基准电压vref才开始随着温度变化出现一定的波动。 3.5 不同工艺角下的电路电源抑制比仿真与分析 1001k10k100k1M10M100M f/Hz -45 -40 -35 -30 20Log(Vref)/db ttss ff 图7 基准电压vref的PSRR变化曲线 （ss tt ff） 如图7所示，在频率100Hz-1kHz范围内，ss、 tt、 ff三个工艺角 下基准电压vref的PSRR分别为-45.09dB、 -45.55dB、 -44.12 dB。 4.版图设计 图8电路整体版图设计 5.结论 本文展示了一种低功耗、小面积、高性能的CMOS电压基准电 路。电路采用CSMC 0.18um的标准CMOS工艺实现的。常温下，当 电源电压是1.2v时，基准电压的输出值为0.865v，在1KHz处的电源 抑制比是50dB。在此条件下，输出电压的温度系数和线性度分别为 28.236ppm/和4730ppm/V。 参考文献 1詹瑾瑜.SoC软/硬件协同设计方法研究D.电子科技大学社,2006. 2周润德,金申美译.集成电路掩膜设计M.北京:清华大学出版 社,2006(1). 3陈贵灿等译.模拟CMOS集成电路设计M.西安:西安交通大 学出版社,2002(12). （上接第152页） 自我学习和优化，系统可以最终得到实际应用中的最优排水方案。 4 系统优势分析 （1）分布式架构降低了系统风险，单个控制点发生故障对系 统的影响降到最低，使系统有了更好的可靠性和灵活性，更加易于 维护。同时，系统采用标准接口，方便和其他系统对接，兼容性得 到提升。（2）系统采用多级水平联动排水，总体协同，分级控制， 各级水平的信息可以共享，最大限度提高了系统排水的整合度，可以 整体的调节所有水平水仓的水位，避免控制盲区，减少排水事故的发 生。（3）系统具备自动控制、无人值守等功能，减少人工干预， 提高生产效率，同时可以减少水泵损耗，提高效能，避免或尽量减 小不在谷电区间的运行时间，从而节省电能。 5 结语 实践证明，基于分布式控制的煤矿多级排水监控系统在一定程 度上提升了多级水平泵房联合排水的自动控制水平，提高劳动生产 率，降低了系统施工和维护的工作强度。该系统已在湖南辰州矿业 集团等地使用，取得了良好的效果。 参考文献 1李杰.煤矿井下排水系统运行可靠性研究与控制系统研制D. 太原:太原理工大学,2010. 2魏利胜,费敏锐.分布式网络控制系统研究进展J.工业仪表与 自动化装置,2009(2):16-22. 3徐晓晶.模糊控制规则自动生成及模糊控制系统开发环境D. 北京:中国科学院计算技术研究所,2000. 作者简介： 蒋伟（1982），男，江苏常州人，工程师，硕士，主要研究 方向为自动化控制。 万方数据