郁成

摘要：结合河南赵固一矿中央水泵房设备采用的自动化水泵控制系统，为提高矿井智能排水能力，提高抗灾能力。基于模糊逻辑控制设计了矿井水泵智能排水联动预警系统，该系统通过采集自动化排水系统的关键参数，包括水位，水位变化率，出水流量等，并结合专业工作人员的过往经验建立模糊控制器，实现了水泵控制的智能化，中央水泵房大大提高了工作效率，降低工作强度，具有良好的经济效益和安全效益。

关键词：模糊逻辑 信息融合 水泵控制 预警系统

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，国内煤矿安全高效矿井系统的机械化程度达到了90%以上，控制系统单机自动化日渐普及[1]。本文结合河南赵固一矿中央水泵房设备实际情况，其13台水泵已采用的自动化水泵控制系统，但开停泵控制仍需要人工进行操作，系统独立运行，与其他信息化系统之间产生信息孤岛，无法有效进行信息交互。因此，设计一套功能完善的基于模糊逻辑控制的矿井水泵智能排水联动预警系统，能提高矿井智能排水能力和抗灾能力。

1智能排水联动预警系统的组成

本文以Labview为平台开发智能排水联动预警系统，设计符合《煤炭安全规程》的煤矿排水系统，采用分层设计思想进行设计，将整个系统分为感知层控制层和管理层[2]。系统整体拓扑结构如图1所示。

1.1感知层

它由检测机构和执行机构组成。自动化排水系统所需的各种传感器组成检测机构，用于检测水泵电机状态、各闸阀状态、抽水前的泵体真空度以及水仓液位和排水管流量[2]。水泵电机、电动球阀组成执行机构，用于响应管理层的指令。

1.2控制层

它由PLC水泵控制柜组成。PLC控制柜通过工业以太网与地面监控中心实现信息交换，通过通信协议实现对水泵的数据采集和控制。每台水泵都有对应的 PLC 控制柜进行控制。

1.3管理层

管理层由模糊逻辑控制上位机和服务器组成[2]。上位机系统与天气信息、地测防治水系统和视频监控系统进行信息融合，它采用OPC通讯方式与PLC水泵控制柜进行数据交互，并通过构建模糊逻辑控制器对水泵进行开停控制，通过接口发布为WEB服务。

2智能排水联动预警系统的设计

本文开发的上位机监测软件以LabVIEW为基础，采用LabView工具包中的模糊逻辑设计器进行模糊逻辑设计。模糊控制系统是一种闭环结构的数字控制系统，理论基础是以模糊数学、模糊语音形式的知识表示和模糊逻辑推理[3]。由于模糊控制器是采用数字计算机来实现的，它可以将系统的偏差从数字量化为模糊量，按给定的规则对模糊量进行模糊推理，最后把模糊输出量转化为实际系统能够接受的精确数字量或模拟量[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门子PLC，主要负责采集感知层的数据，如液位、流量、真空和压力等传感器的数据，另一方面负责实现单台水泵开停流程控制。PLC自动控制下，排水系统的现场设备按照预定程序完成启停流程，实現无人值守[2]。

2.2 模糊控制器设计

模糊控制知识模型以人的控制经验作为参考，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具。LabVIEW的模糊系统设计器用于设计和完成基于规则的模糊逻辑系统， 主要应用领域为工业过程控制及专家决策[5]。

2.1.1隶属度函数的确认

隶属度函数有一定的随意性和经验性。一般在逻辑设计采用如下方法：隶属度形状越陡，控制性能越容易突变;相反，如果隶属度函数形状越平缓，控制性能就越平稳[5]。所以在低误差区域，隶属度函数要高分辨率，而误差较大的区域，使用低分辨率的隶属度函数，使系统获得较好的稳定性。

赵固一矿中央水泵房水仓水位3m为满仓线，2.5m为高水位线，1.5m为低水位线，1.2m为低水位线，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开停泵关系如表2所示。

基于以上经验并结合赵固一矿现场情况建立模糊系统。首先确认模糊系统的输入变量有水位、水位变化、雨季或地测防治水信号、避峰填谷时间。输出变量为开泵台数和撤离信号。

隶属度函数一般常用的有三角形函数和高斯函数，高斯隶属函数的使用场景是自适应和自学习的模糊控制器[6]，本系统根据各输入参数具体情况选用三角形、梯形以及单元素隶属度函数。

2.1.2建立模糊规则

建立合适、有效的模糊控制规则，对于模糊器的控制性能具有极为重要的作用，主要有合成推理和经验归纳2种方法[6]。本系统控制规则的选择适用经验归纳法 [7]。

结合中央水泵房的特性和专业工作人员的过往经验建立，建立了模糊规则，如下。

2.1.3仿真验证

将所有的规则输入系统并启动模糊系统设计器自带的测试系统功能进行验证，结果如图2所示。经过反复调试验证，输出结果与过往开停泵情况基本一致。

2.4 上位机程序设计

开发的上位机监测软件以LabVIEW为基础，以生产者/消费者模式作为设计整个程序的框架，采用状态机结构实现TCP/IP网络连接和系统间信息融合，通过调用模糊逻辑规则引擎和OPC通讯函数进行水泵开停控制[8]，实现对泵房设备的远程监测和控制，上位机程序界面如图3所示。

3结语

本文基于模糊逻辑控制建立的这套矿井水泵智能排水联动预警系统，在常规的水泵控制的基础上，通过信息融合雨季三防和地测防治水信号，结合现场工作人员的经验，设计了模糊逻辑控制器，系统实现根据水仓水位、水位变化率、雨季三防信号、避峰填谷时间自动控制水泵的开停，情况危急时通过系统联动自动提醒人员撤离。业主通过该系统提高了工作效率，系统间预警联动有效提高矿井智能排水能力，提高抗灾能力。

参考文献

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[2]李哲. 矿井多水平协同排水智能控制系统研究与设计[D].徐州：中国矿业大学，2020.

[3]朱多林，韦彪，栗金晶，刘嘉祥，刘欢.基于LabVIEW的模糊自适应PID控制在恒压供水系统中的应用[J].节能，2020，39（4）：113-115.

[4]李月全. 基于模糊PID控制的隧道通风节能系统的研究[D].太原：中北大学，2021.

[5]王茜. 基于模糊PID的水泥原料配料控制系统的设计及应用[D].西安：西安科技大学，2020.

[6]马明阳，王恒迪，邓四二，倪艳光，张文虎.基于LabVIEW疲劳试验机模糊PID控制系统研究[J].矿山机械，2020，48（3）：66-70.

[7]张泉，梁忠伟，刘晓初，等.基于LabVIEW和模糊控制的大棚气体施肥控制系统的仿真研究[J].农业与技术，2020，40（4）：1-4.

[8]G Isaías，  Antonio C ， M Andrés， et al. Novel Networked Remote Laboratory Architecture for Open Connectivity Based on PLC-OPC-LabVIEW-EJS Integration. Application in Remote Fuzzy Control and Sensors Data Acquisition[J]. Sensors， 2016， 16（12）：1822.

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