一种基于嵌入式计算机的矿用阀门控制保护系统的制作方法

本发明涉及煤矿自动化控制领域，具体而言，涉及一种基于嵌入式计算机的矿用阀门控制保护系统。

背景技术：

1、随着煤矿自动化技术和装备的不断发展，井下水泵单元中防爆电动阀门的应用日益增多。由于煤矿井下环境的特殊性和安全性要求，防爆电动阀门在确保供排水系统安全可靠运行中扮演着至关重要的角色，因此需要一种集成化的、能够实现多路集中控制和保护的自动化系统，以确保煤矿井下水泵单元供排水工作的安全稳定运行。

2、现有矿用阀门控制保护系统采用先进远程监控规避传统方式控制精度低和响应速度慢的缺陷，虽满足现代煤矿对于高效、安全和自动化的需求，但仍存在一定的局限性，其具体表现在：1、现有技术缺乏针对各回路阀门的控制指令能否执行的细致判断机制，未能够在接收各回路阀门控制指令时对指令内容进行有效性、可行性及安全性的全面评估就直接执行指令，导致指令执行存在盲目性和不确定性，若回路阀门当前的操作空间、外部操作环境以及内部操作条件无法满足，则可能引发安全事故，对煤矿的生产安全和稳定性构成严重威胁。

3、2、现有技术在各回路阀门的控制指令执行过程中缺乏针对井下水泵单元的阀门控制集中安全管控，侧重于独立监测各回路阀门的运行安全状态，不仅导致安全管控操作繁琐不便，还可能无法及时进行安全响应工作，引发回路阀门连锁安全事故。

4、3、现有技术针对各回路阀门控制性能评判时注重到位结果的准确性能，而相对较少关注指令执行过程中的到位灵活性能，导致无法客观全面地了解各回路阀门控制过程存在的潜在问题，进而难以确保在煤矿井下复杂多变条件下井下水泵单元的稳定控制运行。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中的缺点，本发明实施例提供了一种基于嵌入式计算机的矿用阀门控制保护系统,能够有效解决上述背景技术中涉及的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于嵌入式计算机的矿用阀门控制保护系统，包括：控制指令下发模块，用于通过嵌入式计算机下发煤矿井下水泵单元内各目标回路阀门的控制指令，包括控制方向和控制度值。

3、控制指令判断模块，用于获取各目标回路阀门的基础信息和当前状态信息，判断各目标回路阀门对应控制指令能否执行，以此将各目标回路阀门划分为各可操作阀门和各不可操作阀门。

4、控制指令拒绝反馈模块，用于对各不可操作阀门的控制指令进行拒绝执行反馈。

5、控制指令执行监测模块，用于实时监测各可操作阀门的控制指令执行过程，分析煤矿井下水泵单元的阀门控制安全系数，若其小于或等于预设的合理阀门控制安全系数阈值，则执行阀门控制安全预警模块，反之执行阀门控制性能分析模块。

6、阀门控制安全预警模块，用于停止执行各可操作阀门的控制指令，并在嵌入式计算机显示屏的阀门控制栏进行红色弹窗预警。

7、阀门控制性能分析模块，用于待各可操作阀门对应控制指令执行完毕后，获取各可操作阀门的指令执行信息，分析各可操作阀门的控制性能评估系数，并在嵌入式计算机显示屏的阀门控制栏进行显示。

8、云数据库，用于存储阀门制造商规定的各类型各型号矿用阀门对应的最大承受操作力矩值、全开度执行最大响应时长、流体动力学系数和使用寿命，存储电动执行器工作环境的合理温度范围和合理湿度范围，存储阀门单位开度值对应操作力矩，存储煤矿井下水泵单元回路阀门控制对应整体工作电压合理范围。

9、优选地，所述基础信息包括类型、型号、阀杆长度、有效工作面积、使用年限和所处管道位置的管道横截面积。

10、所述当前状态信息包括开度值、所处井下环境的温度值和湿度值、所处管道位置的管道前后两侧压力差、管道内部流体的密度和流速。

11、优选地，所述判断各目标回路阀门对应控制指令能否执行，包括：提取各目标回路阀门的当前状态信息中的开度值，将各目标回路阀门当前开度值分别与预设的阀门全开度值、阀门全关度值进行绝对值做差，得到各目标回路阀门当前的允许开度阈值和允许关度阈值，结合各目标回路阀门控制指令中的控制方向和控制度值，判断各目标回路阀门控制度值是否大于其对应控制方向的当前允许阈值，若某目标回路阀门控制度值大于其对应控制方向的当前允许阈值，则表示当前该目标回路阀门不具备操作空间，设定该目标回路阀门的操作空间评价指数为0，反之设定为1，进而得到各目标回路阀门的操作空间评价指数，，其中为各目标回路阀门的编号，。

12、提取云数据库存储的电动执行器工作环境的合理温度范围和合理湿度范围，获取电动执行器工作环境的参照温度值和参照湿度值，结合各目标回路阀门的当前状态信息中所处井下环境的温度值和湿度值，计算各目标回路阀门的操作环境评价指数，，其中分别为预设的电动执行器的工作环境温度合理偏差值、湿度合理偏差值。

13、根据各目标回路阀门的基础信息中的类型与型号，从云数据库提取阀门制造商规定的各目标回路阀门的最大承受操作力矩值和使用寿命，计算各目标回路阀门对应控制指令的综合操作力矩，结合各目标回路阀门的当前状态信息中的使用年限，分析各目标回路阀门的操作条件适宜评价指数，其计算公式为：<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mi>χ</mi><mi>i</mi></msub><mi>=</mi><msup><mn>3</mn><mi>∧</mi></msup><mi>[</mi><mn>1</mn><mi>−</mi><mfrac><msub><mi>f</mi><mrow><mi>i</mi><mi>总</mi></mrow></msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mfrac><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mi>i</mi></msub></mfrac></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>*</mi><msub><msup><mi>f</mi><mo>′</mo></msup><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mi>]</mi></mstyle>。

14、优选地，上述计算各目标回路阀门对应控制指令的综合操作力矩，包括：将各目标回路阀门控制指令中的控制度值与云数据库中存储的阀门单位开度值对应操作力矩的乘积作为各目标回路阀门当前的基本操作力矩。

15、提取各目标回路阀门的当前状态信息中所处管道位置的管道前后两侧压力差、基础信息中阀杆长度和有效工作面积，分析各目标回路阀门当前的管道压力附加力矩，其计算公式为：。

16、提取云数据库中存储的阀门制造商规定的各目标回路阀门的流体动力学系数，结合各目标回路阀门的基础信息中所处管道位置的管道横截面积、当前状态信息中所处管道位置的管道内部流体的密度和流速，分析各目标回路阀门当前的管道流体附加力矩，其计算公式为：。

17、进而由公式得到各目标回路阀门对应控制指令的综合操作力矩。

18、优选地，所述判断各目标回路阀门对应控制指令能否执行，还包括：由公式得到各目标回路阀门对应控制指令的综合操作能力评价系数，与预设的阀门综合操作能力评价系数合理阈值进行比对，若某目标回路阀门对应控制指令的综合操作能力评价系数小于预设的阀门综合操作能力评价系数合理阈值，则判断该目标回路阀门对应控制指令不能执行，反之判断该目标回路阀门对应控制指令能执行，进而得到各目标回路阀门对应控制指令能否执行的判断结果。

19、优选地，所述分析煤矿井下水泵单元的阀门控制安全系数，包括：根据煤矿井下水泵单元的井下三相网电源进线处布设的电压传感器和相序传感器，获取各可操作阀门的控制指令执行过程中煤矿井下水泵单元的整体电压输出模拟信号和整体相序电平数字信号，设定嵌入式计算机的模数转化器的分辨率和参照电压值，将整体电压输出模拟信号导入嵌入式计算机的模数转化器得到整体电压输出数字信号值，利用公式得到煤矿井下水泵单元的整体电压值，根据云数据库存储的煤矿井下水泵单元回路阀门控制对应的整体工作电压合理范围，获取煤矿井下水泵单元回路阀门控制的合理工作电压值，计算煤矿井下水泵单元的一阶控制安全因子，，为预设的煤矿井下水泵单元回路阀门控制的工作电压合理偏差值。

20、利用数字信号分析仪器读取整体相序电平数字信号，获取煤矿井下水泵单元的电平状态，若电平状态为高电平，则表示煤矿井下水泵单元的相序顺序正常，设定煤矿井下水泵单元的二阶控制安全因子为1，若电平为低电平，则表示煤矿井下水泵单元的相序顺序异常，设定煤矿井下水泵单元的二阶控制安全因子为0。

21、进而由公式得到煤矿井下水泵单元的阀门控制安全系数。

22、优选地，所述指令执行信息包括到位响应时长、到位偏差度以及监测时间段内各监测时间点的移动度值。

23、优选地，所述分析各可操作阀门的控制性能评估系数，包括：提取各可操作阀门控制指令中的控制度值、指令执行信息中的到位响应时长和监测时间段内各监测时间点的移动度值，其中为各可操作阀门的编号，，为监测时间段内各监测时间点的编号，，基于各可操作阀门的类型和型号，从云数据库提取阀门制造商规定的各可操作阀门的全开度执行最大响应时长，分析各可操作阀门的阀杆到位灵活度，其计算公式为：<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mi>ϕ</mi><msup><mi>i</mi><mo>′</mo></msup></msub><mi>=</mi><mfrac><msub><mi>t</mi><msup><mi>i</mi><mo>′</mo></msup></msub><msub><mover accent="true"><mi>t</mi><mo>^</mo></mover><msup><mi>i</mi><mo>′</mo></msup></msub></mfrac><mi>*[</mi><mfrac><mrow><mfrac><mi>1</mi><mi>q</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>r</mi><mi>=</mi><mn>1</mn></mrow><mi>q</mi></munderover><msub><mi>d</mi><mrow><msup><mi>i</mi><mo>′</mo></msup><mi>r</mi></mrow></msub></mstyle></mrow><msub><mi>k</mi><msup><mi>i</mi><mo>′</mo></msup></msub></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>r</mi><mi>=</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>q</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><msup><mi>i</mi><mo>′</mo></msup><mi>r</mi></mrow></msub><mi>−</mi><msub><mi>d</mi><mrow><msup><mi>i</mi><mo>′</mo></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>r</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mstyle><mrow><mi>q</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></mfrac><mi>]</mi></mstyle>，其中为监测时间段内监测时间点数量，为第个可操作阀门监测时间段内第个监测时间点的移动度值。

24、提取各可操作阀门的指令执行信息中到位偏差度，由公式得到各可操作阀门的阀杆到位准确度。

25、进而由公式得到各可操作阀门的控制性能评估系数，其中分别为预设的阀杆到位灵活度、阀杆到位准确度对应权重占比。

26、相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：（1）本发明综合考量各目标回路阀门的操作空间、操作环境和操作条件适宜性，实现对各目标回路阀门的控制指令能否执行的精准判断，完善现有技术在这一层面的缺失，避免回路阀门控制指令的盲目执行可能导致的安全事故，大大增强了井下水泵单元供供排水工作的安全性，从而为煤矿井下生产提供更为可靠的保障。

27、（2）本发明基于各目标回路阀门控制指令中的控制度值、所处管道位置当前的压力情况和流体流动情况，展开对各目标回路阀门当前的基本操作力矩、管道压力附加力矩和管道流体附加力矩的精准计算，从而了解各目标回路阀门执行控制指令时需要的综合操作力矩，为各目标回路阀门的操作条件适宜评价指数的准确可靠分析提供数据支持。

28、（3）本发明通过从煤矿井下水泵单元的工作电压和相序顺序两个角度，在各可操作阀门的控制指令执行过程中展开煤矿井下水泵单元的阀门控制安全系数的分析，进而实现对煤矿井下水泵单元的各可操作阀门的集中安全管控，提高安全预警响应速度的同时增加了安全管控的便利性。

29、（4）本发明待各可操作阀门对应控制指令内容执行完毕后，结合各可操作阀门的阀杆到位准确度和阀杆到位灵活度，综合分析各可操作阀门的控制性能评估系数并进行反馈，帮助工作人员直观了解各可操作阀门的控制性能表现，有助于及时地远程地发现回路阀门潜在问题，从而确保煤矿井下生产的安全性、可靠性和连续性。