基于模糊邏輯控制的礦井水泵智能排水聯動預警系統設計

郁成

摘要：結合河南趙固一礦中央水泵房設備采用的自動化水泵控制系統，為提高礦井智能排水能力，提高抗災能力。基于模糊邏輯控制設計了礦井水泵智能排水聯動預警系統，該系統通過采集自動化排水系統的關鍵參數，包括水位，水位變化率，出水流量等，并結合專業工作人員的過往經驗建立模糊控制器，實現了水泵控制的智能化，中央水泵房大大提高了工作效率，降低工作強度，具有良好的經濟效益和安全效益。

關鍵詞：模糊邏輯 信息融合 水泵控制 預警系統

Abstract： In this paper， it is combined with the automatic water pump control system used in the central water pump room equipment of Zhaogu No. 1 Mine in Henan Province， in order to improve the intelligent drainage capacity of the mine and the disaster resistance capacity. Based on the fuzzy logic control， the intelligent drainage linkage early warning system of mine water pump is designed. The system collects the key parameters of the automatic drainage system， including water level， water level change rate， effluent flow， etc.， and establishes a fuzzy controller in combination with the past experience of professional staff， which realizes the intellectualization of water pump control and greatly improves the work efficiency of the central water pump room， Reduce the work intensity and have good economic and safety benefits.

Key Words： Fuzzy logic; Information fusion; Water pump control; Early warning system

目前，國內煤礦安全高效礦井系統的機械化程度達到了90%以上，控制系統單機自動化日漸普及[1]。本文結合河南趙固一礦中央水泵房設備實際情況，其13臺水泵已采用的自動化水泵控制系統，但開停泵控制仍需要人工進行操作，系統獨立運行，與其他信息化系統之間產生信息孤島，無法有效進行信息交互。因此，設計一套功能完善的基于模糊邏輯控制的礦井水泵智能排水聯動預警系統，能提高礦井智能排水能力和抗災能力。

1智能排水聯動預警系統的組成

本文以Labview為平臺開發智能排水聯動預警系統，設計符合《煤炭安全規程》的煤礦排水系統，采用分層設計思想進行設計，將整個系統分為感知層控制層和管理層[2]。系統整體拓撲結構如圖1所示。

1.1感知層

它由檢測機構和執行機構組成。自動化排水系統所需的各種傳感器組成檢測機構，用于檢測水泵電機狀態、各閘閥狀態、抽水前的泵體真空度以及水倉液位和排水管流量[2]。水泵電機、電動球閥組成執行機構，用于響應管理層的指令。

1.2控制層

它由PLC水泵控制柜組成。PLC控制柜通過工業以太網與地面監控中心實現信息交換，通過通信協議實現對水泵的數據采集和控制。每臺水泵都有對應的 PLC 控制柜進行控制。

1.3管理層

管理層由模糊邏輯控制上位機和服務器組成[2]。上位機系統與天氣信息、地測防治水系統和視頻監控系統進行信息融合，它采用OPC通訊方式與PLC水泵控制柜進行數據交互，并通過構建模糊邏輯控制器對水泵進行開停控制，通過接口發布為WEB服務。

2智能排水聯動預警系統的設計

本文開發的上位機監測軟件以LabVIEW為基礎，采用LabView工具包中的模糊邏輯設計器進行模糊邏輯設計。模糊控制系統是一種閉環結構的數字控制系統，理論基礎是以模糊數學、模糊語音形式的知識表示和模糊邏輯推理[3]。由于模糊控制器是采用數字計算機來實現的，它可以將系統的偏差從數字量化為模糊量，按給定的規則對模糊量進行模糊推理，最后把模糊輸出量轉化為實際系統能夠接受的精確數字量或模擬量[4]。

2.1 PLC水泵控制柜功能

PLC水泵控制柜主要元器件采用西門子PLC，主要負責采集感知層的數據，如液位、流量、真空和壓力等傳感器的數據，另一方面負責實現單臺水泵開停流程控制。PLC自動控制下，排水系統的現場設備按照預定程序完成啟停流程，實現無人值守[2]。

2.2 模糊控制器設計

模糊控制知識模型以人的控制經驗作為參考，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法的數學工具。LabVIEW的模糊系統設計器用于設計和完成基于規則的模糊邏輯系統， 主要應用領域為工業過程控制及專家決策[5]。

2.1.1隸屬度函數的確認

隸屬度函數有一定的隨意性和經驗性。一般在邏輯設計采用如下方法：隸屬度形狀越陡，控制性能越容易突變;相反，如果隸屬度函數形狀越平緩，控制性能就越平穩[5]。所以在低誤差區域，隸屬度函數要高分辨率，而誤差較大的區域，使用低分辨率的隸屬度函數，使系統獲得較好的穩定性。

趙固一礦中央水泵房水倉水位3m為滿倉線，2.5m為高水位線，1.5m為低水位線，1.2m為低水位線，低于1m所有水泵停泵。如表1所示。一般情況下中央水泵房避峰填谷的開停泵關系如表2所示。

基于以上經驗并結合趙固一礦現場情況建立模糊系統。首先確認模糊系統的輸入變量有水位、水位變化、雨季或地測防治水信號、避峰填谷時間。輸出變量為開泵臺數和撤離信號。

隸屬度函數一般常用的有三角形函數和高斯函數，高斯隸屬函數的使用場景是自適應和自學習的模糊控制器[6]，本系統根據各輸入參數具體情況選用三角形、梯形以及單元素隸屬度函數。

2.1.2建立模糊規則

建立合適、有效的模糊控制規則，對于模糊器的控制性能具有極為重要的作用，主要有合成推理和經驗歸納2種方法[6]。本系統控制規則的選擇適用經驗歸納法 [7]。

結合中央水泵房的特性和專業工作人員的過往經驗建立，建立了模糊規則，如下。

2.1.3仿真驗證

將所有的規則輸入系統并啟動模糊系統設計器自帶的測試系統功能進行驗證，結果如圖2所示。經過反復調試驗證，輸出結果與過往開停泵情況基本一致。

2.4 上位機程序設計

開發的上位機監測軟件以LabVIEW為基礎，以生產者/消費者模式作為設計整個程序的框架，采用狀態機結構實現TCP/IP網絡連接和系統間信息融合，通過調用模糊邏輯規則引擎和OPC通訊函數進行水泵開停控制[8]，實現對泵房設備的遠程監測和控制，上位機程序界面如圖3所示。

3結語

本文基于模糊邏輯控制建立的這套礦井水泵智能排水聯動預警系統，在常規的水泵控制的基礎上，通過信息融合雨季三防和地測防治水信號，結合現場工作人員的經驗，設計了模糊邏輯控制器，系統實現根據水倉水位、水位變化率、雨季三防信號、避峰填谷時間自動控制水泵的開停，情況危急時通過系統聯動自動提醒人員撤離。業主通過該系統提高了工作效率，系統間預警聯動有效提高礦井智能排水能力，提高抗災能力。

參考文獻

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