基于智能控制的井下排水系統(tǒng)的優(yōu)化研究

范新凱

（中興煤業(yè)防突區(qū)抽采隊， 山西 交城 030500）

引言

當(dāng)前，多數(shù)煤礦排水系統(tǒng)均采用的是“高低水位法”對排水系統(tǒng)的工作進行控制，在實際運行時，分別在積水區(qū)域設(shè)置初始水位線、高水位線及報警水位線。雖然該排水系統(tǒng)的方案初步實現(xiàn)了自動化，但其遠(yuǎn)沒有達(dá)到自動運行的目的。在實際運行中存在著以下缺點[1]：

1）整個排水過程僅僅是簡單依據(jù)當(dāng)前積水區(qū)域的水位情況這一單一因素，并沒有考慮突發(fā)的涌水情況，因此存在著較大的風(fēng)險。

2）工作時，采取先運行一臺排水裝置進行排水，在排水過程中不斷觀察水位的變化情況，根據(jù)監(jiān)測到的水位變化率決定是否需要增加排水裝置，這種運行模式帶有很強的試探性，靈活性差、排水效率低下。

3）該控制系統(tǒng)中，設(shè)定的三個水位線的高度很難通過計算得出，若將高水位線的數(shù)值定得高且與報警水位線之間的緩沖較少，則會導(dǎo)致經(jīng)常在用電的峰值段進行排水作業(yè)；當(dāng)高水位的數(shù)值定得較低，測試積水區(qū)域很難積存水，造成排水的裝置頻繁啟動，增加電能的消耗，同時也嚴(yán)重降低了排水裝置的使用壽命。

1 井下排水控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案

針對現(xiàn)有煤礦井下排水控制系統(tǒng)的缺點，采用優(yōu)化設(shè)計的概念，對其進行優(yōu)化。通過研究發(fā)現(xiàn)利用設(shè)置在積水區(qū)域的水位監(jiān)測裝置，建立積水水位模型，計算出發(fā)生涌水時的涌水量。在該控制系統(tǒng)中引入涌水量的預(yù)測概念，控制系統(tǒng)盡可能在用電的低谷時間段進行排水，在用電的高峰期進行積水，最大程度地實現(xiàn)“避峰就谷”的自動化控制。

1.1 涌水量的計算

在煤礦井下，積水區(qū)域的涌水情況會受到多種因素的影響，其單位時間內(nèi)的涌水量無法直接計算，假設(shè)在某一單位時間內(nèi)的涌水量可以用前一個單位時間的涌水量進行估算。將積水區(qū)域假設(shè)為一個圓柱體的水倉，在單位時間t內(nèi)的涌水情況可通過設(shè)置在積水區(qū)域的液位計進行自動測量。將開始時刻的水位高度設(shè)為Hx，將結(jié)束時候的水位高度設(shè)為Hx+1，將圓柱底面積設(shè)為S，則該積水區(qū)域的涌水水量可表示為[2]：

1.2 “避峰就谷”控制策略的優(yōu)化

在傳統(tǒng)的“高低水位法”控制策略的基礎(chǔ)上，綜合考慮井下積水涌水及用電高峰和低谷的情況，在用電的低谷區(qū)段盡可能確保積水區(qū)域的水位保持在低水位線之下，確保其在用電高峰期能夠盡可能多儲水，從而確保在用電峰值排水裝置處于非工作狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能。優(yōu)化控制策略如圖1所示。

圖1 “避峰就谷”優(yōu)化控制策略示意圖

1.3 排水裝置啟動數(shù)量控制策略的優(yōu)化

在積水區(qū)域根據(jù)水位的情況，分別設(shè)置低水位、高水位及報警水位，在進行控制時要求積水區(qū)域的水位嚴(yán)禁超出報警水位，而當(dāng)水位超過高水位時系統(tǒng)便自動啟動排水裝置，開始進行排水并進行報警，在啟動排水時同時開啟的排水裝置的控制流程如下頁圖2所示。

圖2 排水裝置啟動數(shù)量控制策略流程

由圖2可知，當(dāng)在用電低谷區(qū)段時，若距離用電峰值開始的時間間隔為t，單位時間用水量為q，則其涌水量可表示為Q=qt，其超出低水位的積水體積為V，則需要排出的總水量為qt+V，若單個排水裝置的額定流量為qe，則此時需開啟的水泵數(shù)量n1可表示為[3]：

由式（2）可知，當(dāng)n1≤2時，正常情況下需要開啟n1個排水裝置，在用電的高峰期到來之前將水位降到低水位以下，當(dāng)n1＞2時，則系統(tǒng)控制開啟全部的排水裝置，確保在用電高峰期到來之前將水位降低到低水位以下。

當(dāng)距離用電高峰期開始的時間間隔為t1時，則此時的涌水量可表示為Q1=qt1，在排水的過程中積水區(qū)域的水位增量可表示為VΔ=VH-Vx（VH表示為積水區(qū)域高水位的水量，Vx表示為當(dāng)前的水量），此時如果Q1≤VΔ，則表明此時不增加水泵，在用電高峰到來前也不會達(dá)到高水位。當(dāng)Q1≥VΔ時，這說明此時有溢倉的隱患，需要增加排水裝置，此時需要開啟的水泵數(shù)量為：

1.4 水位變化率計算方案的優(yōu)化

對井下積水區(qū)域水位變化情況監(jiān)測的準(zhǔn)確性，是該自動化控制系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)，因此在現(xiàn)有井下積水區(qū)域水位監(jiān)測方案的基礎(chǔ)上，提出了一種新的水位自動監(jiān)測方案。在該控制系統(tǒng)中分別設(shè)置投水位的變化率為Δh1，設(shè)置緊急水位變化率為Δh2，然后按優(yōu)化后的排水裝置啟動數(shù)量控制方案，根據(jù)積水區(qū)域水位的變化情況進行合理調(diào)度。在工作中，若水位的實際變化率Δh1≤Δh，則依靠水泵輪換工作的控制流程，增加同時運行的排水裝置的數(shù)量，直到Δh1≤Δh≤Δh2，當(dāng)該區(qū)域的排水裝置全部投入運行后依然無法確保水位下降，則系統(tǒng)發(fā)出報警，提醒相關(guān)區(qū)域的人員啟動應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)水位實際變化率大于緊急水位變化率為Δh2時，系統(tǒng)離開啟動全部排水裝置，啟動應(yīng)急排水[4]，優(yōu)化后的積水區(qū)域水位判斷及處理流程如圖3所示。

圖3 水位變化率優(yōu)化處理流程

2 新型排水系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對排水系統(tǒng)控制流程進行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有煤井下排水系統(tǒng)的缺點，通過實際調(diào)查研究，提出了一種基于PLC控制、傳感器及工業(yè)局域網(wǎng)為核心的新型智能化排水系統(tǒng)，其整個控制系統(tǒng)主要包括井下泵房控制中心、工業(yè)局域網(wǎng)、地面控制中心等，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型井下自動排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

在該自動化排水控制系統(tǒng)中，處于核心地位的是井下泵房控制中心，其主要包括排水系統(tǒng)的控制主站及各類信息傳感器設(shè)備。采用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，主要用于對各傳感器設(shè)備收集到的各類數(shù)據(jù)進行分析并完成與地面控制中心的通信，接收由地面控制中心傳送過來的各種控制命令。通過井下泵房控制中心操作控制臺可實現(xiàn)對該區(qū)域內(nèi)排水裝置的集中監(jiān)測與控制。

地面控制中心主要利用工業(yè)局域網(wǎng)與井下泵房控制中心互聯(lián)互通，利用iFix組態(tài)軟件將各種信息以圖表、曲線的形式在監(jiān)控屏幕上進行顯示，便于控制人員對井下排水系統(tǒng)的實時監(jiān)測與控制，其具有故障報警、遠(yuǎn)程操控、記錄查詢等功能。

3 結(jié)語

煤礦井下排水系統(tǒng)用于將井下積水排出到地面上，保證井下的正常生產(chǎn)和作業(yè)人員的生命安全。優(yōu)化后的煤礦井下自動化排水系統(tǒng)的應(yīng)用，克服了原井下排水控制系統(tǒng)自動化程度低、控制流程繁瑣、靈活性差、應(yīng)急速度慢的缺點，大幅提高了井下排水系統(tǒng)的安全性和可靠性。