众所周知煤矿在开采生产过程中地下水不断往外涌出，雨水季节地面水也会不断的流入，如果不及时将这些水排出，会造成矿井被淹没，严重的会殃及生命造成重大安全事故。目前煤矿井下排水系统主要采用两种方式：一种是继电器手动控制系统，主要通过人工观察蓄水池的情况来操作水泵的启动与停止，这种手动控制系统完全依靠人工，因此对人员的要求比较高，一旦有人员疏漏就会造成系统的失效。另一种是目前大的煤炭企业所采用的PLC控制系统，该系统通过对交流电动机的控制来启动与停止水泵实现自动化排水的目的，具有系统安全可靠、运行稳定、较少的人工等优点，但是因为该系统价格比较高目前很难全面普及。本文研究设计了一种基于ARM的自动化控制系统，该系统不仅安全可靠而且相比较PLC控制系统价格便宜，同时具有远程监控能力，可以根据液位传感器检测水位信号来控制水泵启动与停止，具有较好的实际效果。
1．系统整体结构介绍
整个自动化排水系统分地面和地下两方面，地下采用五台离心式水泵和两条排水管道工作，其中两台备用，两台工作，一台检修，为了保证一条排水管道出现故障时系统能正常工作，每台水泵需要与两条排水管道均连接在一起。地面设有中央监控机房是整个数据处理中心，设有操作系统软件、组态软件用于数据的输入输出处理和地下设备实时监控。整个系统中分有单台水泵的运行和多台水泵的运行情况。下面就这两种情况进行分析：
1.1单台水泵的启动与停止
单台水泵的工作过程如图1所示，水泵的功能主要是对蓄水池中的水进行抽取，本系统中水泵采用离心式水泵，在启动之前需要保证入水口处是否形成真空，出水管上的闸阀是否关闭。当水泵停止时，首先关闭闸阀然后再关闭水泵，以防止水锤现象发生从而对水泵造成损坏。水泵启动工作过程是首先利用液位传感器对水位进行检测，然后将检测的结果与预先设定的警戒线值进行比较，当检测到的数值超出警戒线时系统开启射流泵抽取真空，采用负压计对真空度进行检测。在水泵出水口处采用压力检测仪检测出水口处水压，当水泵出口处压力达到预先设定的值时，开启闸阀。当真空度达到预先设定的值此时闸阀也打开，则控制系统接通接触器，水泵开始启动。水泵的停止过程为当水泵在抽水时，蓄水池中的水位会不断下降，当水位下降到安全水位时，液位传感器会将这一信号传送给控制系统，控制系统发出开关信号给电磁阀，闸阀开始关闭，同时接触器的常开触点断开，水泵停止工作。
1.2多台水泵启动
当矿井涌水量突然大增时需要同时启动多台水泵进行工作，如果出水量不大为了省电系统可以采用“避峰就谷”的模式，因此将蓄水池中的水位由下到上分成4条水位线。水位2以下为安全水位，此时水泵不需要启动；水位2到3之间为低警戒水位，若此时为用电高峰期可以暂时不用启动水泵等到用电低峰期时再启动水泵；水位3到4之间为中等警戒水位，此时不管是用电高峰期还是低峰期必须立马启动水泵进行抽水；水位4为高警戒水位，此时不管是用电高峰期还是低峰期必须立马开启两台以上水泵。当遇到紧急情况比如矿井涌水量大增时，必须立刻开启所有水泵同时工作，以保障矿井底下人员安全。另外为了防止备用水泵和备用管路长期不用而损坏的情况发生，系统采用水泵和管路轮流工作的模式，在程序中采用自动优先级设置对5台水泵实行轮换工作,在程序设计中，给每一个水泵分配两个数据寄存器，一个用来存放水泵的运行次数，另一个用来存放水泵的运行时间。根据水泵的运行次数和运行时间系统优先选择次数和时间最少的那个水泵，如果两台水泵运行次数相当则根据运行时间来选择。每一次水泵运行结束后，寄存器会自动累计，如果某台水泵出现故障则自动退出轮换机制。排水管路的轮换机制与水泵轮换机制相同。每台水泵和两条排水管路相连，当某台水泵工作时，选择工作时间最短的那条排水管路进行排水，如果两条排水管路工作时间相同，则选择工作次数最少的那条排水管路。整个系统硬件设备结构如图2所示。
2．监控系统的设计
本系统监控中心采用ARM处理器作为核心，ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，全称AcornRISCMachine，内含有37个寄存器，其中31个为通用寄存器，6个为状态寄存器，包含有32位精简指令集，目前最新一代的ARM处理器已经为64位芯片。ARM处理器具有体积小、功耗低、低成本、高性能、执行速度快等优点，目前在很多移动通信设备上都能看见ARM处理器，2011年ARM已经大面积覆盖了手机、掌上电子游戏机、多媒体播放器等移动设备，基于ARM的嵌入式技术因其价格便宜，性能稳定特别适合要求成本不高的工业自动化控制领域。在本系统中采用ARM7TDMI处理器作为数据的处理中心。
2.1数据采集与输出
监控系统主要监测以下参数：矿井蓄水池的水位、入水口处的真空度、出水口处压力、闸阀开启还是闭合、电动机的温度、水管流量。液位传感器主要用于检测蓄水池中的水位，将水位的高度转变成电信号送给CPU，本系统中采用超声波液位传感器，它具有精确度高、非接触式、操作简单、维护方便等优点。另外为了保证系统的稳定性，再使用一种投入式液位传感器，直接接触水面，利用水的压力进行水位的测量然后转变成电信号送与CPU。为了防止电机轴承温度过高造成电机损坏需要采用温度传感器对轴承的温度进行监测，目前市面上分为接触式和非接触式两种，接触式温度传感器直接与被测物体接触，价格便宜，结构简单，测量温度不高，像家用的体温计就属于接触式。非接触式温度传感器不与被测物体直接接触，在测量时对温度没有上限要求，但是价格相对来说要贵些。由于本系统中轴承温度一般不会太高所以采用PT100温度传感器，它的工作原理是将温度的变化转变成办电阻值的变化。压力传感器主要用来测量水泵排水管路和进水管路的压力信号，是电动阀门启停和水泵启停的重要依据。出水口处的压力和入水口处的真空度可以采用GYD60-Y2矿用型压力传感器，参数为电源24VDC，输出4-20mA信号。水管流量主要采用流量检测仪来监测，本系统中采用西门子公司生产的电磁流量计，它的内部含有电磁流量传感器和电磁流量转换器，可以将水管流量信号转换成4-10mA的电信号。
2.2系统工作模式
本系统采用三种工作模式：手动控制、自动控制、半自动控制。（1）手动控制模式通过人工操作水泵的启动与停止，此种模式在检修时或遇到自动系统出现故障时而采用。（2）自动控制模式系统根据监测到的信号自动控制水泵的启动与停止，无须人工干预。一般正常时，系统均采用自动控制模式工作，该模式可以实现水泵房的无人值守，减少人员支出，而且稳定性高，安全可靠。（3）半自动控制模式用户通过上位机监控系统观测蓄水池中水的变化和系统设备运行情况后手动控制各设备的启动与停止。
2.3操作系统移植
操作系统是ARM嵌入式控制系统的重要操作平台，嵌入式操作系统具有体积小、实时性强、可靠性高等优点。本系统采用嵌入式uC/OS-Ⅱ实时操作系统，它的源代码一般采用C语言编写并对外开放，系统移植主要包括以下几个内容：采用#define对3个宏进行声明和对一些常量进行设置，采用C语言进行4个汇编语言函数和6个简单函数进行编写。在软件编程时首先编写好各个子程序，然后根据系统要求确定优先级。
2.4任务编程
系统包含了几个子任务，例如：水位检测、模式切换、故障报警、避峰就谷。在操作系统移植好后占先式操作系统首先对任务进行优先级的调度，然后运行优先级别最高的任务。在本系统中水位检测为优先级别最高的任务，系统在通电运行时首先是检测水位的高度，当水位的高度超过警戒线时，系统打开水泵进行抽水同时启动报警系统。报警系统还包含了温度报警、压力报警、设备故障报警等几个任务。当水泵启动运行时，抽真空定时器开始计时，如果超时则控制系统发出报警指令，如果正常则启动闸阀定时器，如果闸阀关闭超时则控制系统发出报警指令。在运行过程中，系统对温度、压力和设备不停的进行检测，如果温度过高或者压力大，设备出现故障则系统发出报警指令。
2.5组态软件
为了使整个系统更加直观，可以采用组态软件组建监控系统，用户在中央机房就可以观测到矿井下各个设备的运行状况和蓄水池中的水位情况。MCGS是一种工业自动化控制组态软件，由北京昆仑公司研发，具有动画显示、报警显示、实时数据、历史数据、输出实时曲线等功能，MCGS软件系统包含有组态环境和运行环境两个部分，用户在组态环境中设计和构造自己的应用系统，在运行环境中观测运行结果。在本系统中上位机采用工控组态软件MCGS5.1进行实时监控。工作界面设置系统管理、实时监控、报警信息、报表、历史曲线、信息共享几大模块。系统管理主要包含用户登录、用户退出、用户管理。实时监控包含排水仿真界面、远程控制模式、参数设置。报警信息包含实时报警信息和历史报警信息。报表包含日报表、月报表、年报表。历史曲线包含流量曲线、温度曲线、液位曲线。信息共享包含WEB发布、全矿自动化平台。
3．结束语
ARM嵌入式自动化排水系统通过现场传感器进行各信号的采集然后传输到中央机房的监控中心，由系统对输入的信号进行比对后输出信号控制各设备开启和停止，实现了无人化值守，避免了因人员疏忽而造成的事故。同时上位机监控系统采用组态软件进行实时画面监控和报警提示，用户在地面上就可以直观的看到矿井下各设备运行的情况和蓄水池中的水位情况。ARM嵌入式控制系统在安全性和可靠性方面优于传统的人工操作系统，相对于PLC控制系统，ARM控制系统价格要低廉许多，很适合在较小的工矿企业中推广使用。
作者：陈艳 单位：安徽能源技术学校
