井下排水泵自動(dòng)控制方式的改進(jìn)

蔣偉

摘 要：針對(duì)深井排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，對(duì)電動(dòng)閘閥的控制方式進(jìn)行研究和改進(jìn)。應(yīng)用結(jié)果表明，該改進(jìn)方式能提高啟泵的成功率，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：礦井排水系統(tǒng) 水泵控制 電動(dòng)閘閥

中圖分類號(hào)：TD43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（b）-00-02

隨著采掘工藝和水平的提高，礦井深度不斷增加，出現(xiàn)了越來越多的千米礦井。這些礦井有的采用多級(jí)泵房分成多個(gè)水平的方式進(jìn)行排水，有的使用大功率電機(jī)直接將水排到地面。

淮滬煤電丁集煤礦井深900 m，采用一級(jí)排水將水排到地面。在排水泵自動(dòng)控制過程中存在一些問題。該文對(duì)排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的電動(dòng)閘閥控制方式進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 排水系統(tǒng)概況

丁集煤礦泵房位于-890 m水平，內(nèi)設(shè)5臺(tái)礦用多級(jí)離心泵，擔(dān)負(fù)全礦的主要排水任務(wù)。單臺(tái)水泵排水流量為400 m3/h，電機(jī)功率為1980 kW，在沒有較大水情時(shí)一般在凌晨用電低谷時(shí)段排水，白天停泵。由于礦井井深大，水壓高，排水管路上的逆止閥不能嚴(yán)格地密閉，在白天停泵后管路中的水會(huì)逐漸泄漏，到下次啟泵時(shí)逆止閥上方基本上是一段空管路。在電機(jī)啟動(dòng)開啟電動(dòng)閘閥時(shí)，出水口壓力會(huì)發(fā)生巨大的跳變，嚴(yán)重時(shí)排水管路會(huì)抖動(dòng)，不能正常排水。排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式，主要包括1臺(tái)KJD30Z礦用嵌入式本安型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、多臺(tái)KDK8礦用多功能控制驅(qū)動(dòng)器、多臺(tái)KCC2智能I/O接口及各種本安傳感器、地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)等，如圖1所示。

圖1 排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下KJD30Z本安型監(jiān)控站安裝在泵房控制室內(nèi)，完成控制現(xiàn)場(chǎng)各傳感器信息的采集與處理任務(wù)，通過高性能控制軟件設(shè)定的自動(dòng)控制流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。KDK8多功能控制驅(qū)動(dòng)器串接在一根總線上與KJD30Z本安監(jiān)控站通訊，可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)水泵的控制，在自動(dòng)方式下接收KJD30Z本安監(jiān)控站下發(fā)的控制命令實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵的自動(dòng)控制。KCC2本安型智能I/O接口掛接在總線上，將現(xiàn)場(chǎng)的各種模擬量信號(hào)或開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為總線信號(hào)發(fā)送給KJD30本安監(jiān)控站。

2 系統(tǒng)控制方式的改進(jìn)

2.1 人工控制經(jīng)驗(yàn)

改進(jìn)系統(tǒng)控制方式時(shí)首先借鑒人工控制經(jīng)驗(yàn)。排水泵在人工控制時(shí)，水泵司機(jī)手動(dòng)控制電動(dòng)閘閥，發(fā)現(xiàn)壓力產(chǎn)生跳變或者管路開始抖動(dòng)時(shí)，及時(shí)停止開閥動(dòng)作并等待。如果壓力不能回到穩(wěn)定狀態(tài)，將閘閥向回關(guān)適當(dāng)時(shí)間再等待，等到壓力穩(wěn)定后再繼續(xù)開閥。這樣就形成了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的反饋控制系統(tǒng)，通過對(duì)壓力和其他現(xiàn)場(chǎng)情況的判斷來控制電動(dòng)閘閥的開停。

2.2 初步改進(jìn)

系統(tǒng)模擬人工控制的邏輯改進(jìn)啟泵時(shí)的控制方式，監(jiān)測(cè)的輸入?yún)?shù)主要是排水泵的出口壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將壓力變動(dòng)范圍劃分成幾個(gè)不同的范圍，執(zhí)行不同的邏輯。啟泵時(shí)壓力調(diào)整邏輯如圖2所示。

圖2 壓力調(diào)整邏輯

2.3 存在的問題

系統(tǒng)經(jīng)過上述改進(jìn)后，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)確實(shí)取得了一定效果，能夠保證水泵正常啟動(dòng)。但運(yùn)行幾個(gè)月后發(fā)現(xiàn)水泵出水口電動(dòng)閘閥的故障頻率比改進(jìn)之前大幅度增加。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的系統(tǒng)雖然能對(duì)壓力跳變進(jìn)行調(diào)整，但調(diào)整過于頻繁，壓力變化產(chǎn)生震蕩，電動(dòng)閘閥在啟泵過程中開關(guān)動(dòng)作過多，容易引起器件的故障。引起壓力震蕩的原因：（1）系統(tǒng)采樣間隔偏大。出水口壓力用KCC2-2監(jiān)測(cè)，采樣周期為1 s，相對(duì)于壓力跳動(dòng)而言間隔偏大。（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)延時(shí)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)延時(shí)包括KDK8的開出時(shí)間、閘閥控制箱控制電動(dòng)閘閥的時(shí)間以及閘閥機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的響應(yīng)時(shí)間，疊加在一起造成延時(shí)。（3）不能判斷趨勢(shì)。控制邏輯智能判斷當(dāng)前壓力是否在正常范圍之內(nèi)，但不能對(duì)壓力的變化趨勢(shì)進(jìn)行判斷。

2.4 系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)

（1）縮短系統(tǒng)采樣間隔。將KCC2-2的采樣時(shí)間由原來的1 s縮短到250 ms，保證了采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠。該方式的副作用是增大了總線數(shù)據(jù)量。由于現(xiàn)場(chǎng)泵的數(shù)量不多，只配置了5個(gè)KCC2-2，在5 kbit/s的波特率下對(duì)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生大的影響。（2） 引入PID控制算法。為了減小系統(tǒng)震蕩，引入PID控制算法，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。模擬PID控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 模擬PID控制系統(tǒng)原理

PID調(diào)節(jié)器將給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。微分方程為

（1）

式中： 。

2.5 應(yīng)用效果

系統(tǒng)經(jīng)過再次改進(jìn)后，應(yīng)用情況有了明顯改善。表1為系統(tǒng)改進(jìn)前后的對(duì)比。

3 結(jié)語

該文分析了深井礦排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)在應(yīng)用遇到的問題并提出了改進(jìn)方法，提高了排水泵啟動(dòng)成功率，減輕了對(duì)相關(guān)設(shè)備的損害。該控制方式已在丁集煤礦、平煤集團(tuán)部分煤礦應(yīng)用，取得了良好的效果。

表1 系統(tǒng)改進(jìn)前后對(duì)比

閘閥開動(dòng)作

次數(shù) 閘閥關(guān)動(dòng)作

次數(shù) 閘閥開啟

總時(shí)間/s 使用效果

人工操作 2 1 100

改進(jìn)前 1 0 - 管路抖動(dòng)

啟泵成功率低

第一次改進(jìn)后 5 4 150 電動(dòng)閘閥故障率較高

第二次改進(jìn)后 3 1 110

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