礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)的分析

金鵬生，王祥辰

（山東黃金股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261400）

1 現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)的研究狀況及存在問(wèn)題

隨著國(guó)家研發(fā)能力的逐漸增強(qiáng)，為進(jìn)一步解決礦井中排水問(wèn)題，國(guó)家相關(guān)學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)也加大了對(duì)礦井排水系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)及優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)，主要包括：排水泵的更換、排水系統(tǒng)控制的改進(jìn)、排水巷道的合理布局、其他排水設(shè)備的改造等，并將當(dāng)下更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到排水系統(tǒng)中，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊算法等，通過(guò)這次硬件的優(yōu)化與軟件算法的改進(jìn)，達(dá)到礦井排水系統(tǒng)的最優(yōu)控制的目的。但礦井排水控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在理論與實(shí)際無(wú)法有效匹配的應(yīng)用問(wèn)題，以某金礦中的排水系統(tǒng)存在問(wèn)題為例進(jìn)行分析，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）排水系統(tǒng)中的設(shè)備無(wú)法最大效率、最大功率地運(yùn)轉(zhuǎn)，部分設(shè)備處于靜置或閑置狀態(tài)，未實(shí)現(xiàn)設(shè)備的充分利用。

（2）排水系統(tǒng)中的排水設(shè)備，如排水泵、閥等，大部分仍采用手動(dòng)方式進(jìn)行控制，暫未實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程及自動(dòng)化控制，即使部分設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，但在使用中仍存在系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、信號(hào)響應(yīng)速度慢、信息易誤報(bào)等問(wèn)題。

（3）現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集種類相對(duì)較少，顯示界面的功能也相當(dāng)單一，控制中心的運(yùn)行速度相對(duì)緩慢，部分信號(hào)仍需采用現(xiàn)場(chǎng)收集儀表信息，再輸入至上機(jī)位控制軟件中進(jìn)行信息分析處理，造成了整個(gè)排水控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化控制功能未得到有效實(shí)現(xiàn)。

2 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 視頻監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控單元的硬件主要包括光端機(jī)和防爆攝像機(jī)。監(jiān)控?cái)z像機(jī)能實(shí)時(shí)記錄泵房的狀態(tài)，并輸入監(jiān)控設(shè)備。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)設(shè)計(jì)

主要由觸摸屏、指示燈和物理按鈕組成。物理按鈕主要用于現(xiàn)場(chǎng)操作，指示燈顯示各設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，觸摸屏顯示泵房的各種運(yùn)行參數(shù)。

2.3 井下泵房PLC控制單元設(shè)計(jì)

智能排水系統(tǒng)核心控制器是以PLC為主。系統(tǒng)設(shè)置了2種控制策略：①動(dòng)態(tài)規(guī)劃的多水平協(xié)同策略；②“避峰填谷”的控制策略。經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算,PLC輸出相關(guān)指令,實(shí)現(xiàn)水泵的控制。

2.4 上位機(jī)監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

主要由光端機(jī)和礦用監(jiān)控顯示器組成,系統(tǒng)采用iFix組態(tài)進(jìn)行的軟件的編寫。

3 避峰就谷控制策略

采用傳統(tǒng)的避峰就谷控制方案，主要是把積水區(qū)域的水位高度劃分為不同的警戒等級(jí)，當(dāng)在用電低谷期如果水位超過(guò)了設(shè)定的警戒水位系統(tǒng)就啟動(dòng)，當(dāng)在用電高峰期時(shí)則盡量不啟動(dòng)排水泵，通過(guò)簡(jiǎn)單的控制實(shí)現(xiàn)避峰就谷，但該類控制方案存在著在用電的低谷期無(wú)法將積水區(qū)的水持久維持在最低水位，也就無(wú)法為用電高峰期騰出更多的庫(kù)容，提高了在用電高峰期開啟水泵的次數(shù)，增加了電能消耗。因此本文所提出的礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)采用了改進(jìn)型的避峰就谷控制策略，在用電低谷的時(shí)候同時(shí)開啟多臺(tái)排水泵，將水位持續(xù)維持在最低控制警戒線，為用電高峰期的積水騰出盡可能大的庫(kù)容，從而降低用電高峰期的排水量。在排水控制的過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)根據(jù)水位下降的速度決定同時(shí)開啟的水泵數(shù)量，實(shí)現(xiàn)輪換運(yùn)行，增加排水泵的使用壽命，確保排水的經(jīng)濟(jì)性。假設(shè)某個(gè)積水區(qū)域的排水警戒水位為3.4m，最低控制水位為1.5m。

在該控制系統(tǒng)作用下，在用電低谷期（0點(diǎn)～8點(diǎn)）排水系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)的水泵數(shù)量逐漸降低，在8點(diǎn)前將水位控制在最低水位以下，在用電高峰期騰出了大量的庫(kù)容，從而有效降低了水泵在白天工作的時(shí)長(zhǎng)和數(shù)量，提高了排水的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用該系統(tǒng)后能夠?qū)⑴潘杀居?.78元/m3降低到1.12元/m3。

4 水倉(cāng)水位傳感器測(cè)量原理

該控制系統(tǒng)對(duì)排水控制的精確性取決于液位傳感器對(duì)水倉(cāng)水位監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，提出了一種超聲波液位傳感器，將該傳感器設(shè)置在積水區(qū)域的頂板，通過(guò)計(jì)算發(fā)射和接收的超聲波的時(shí)間差來(lái)對(duì)積水水位高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，假設(shè)h1表示超聲波傳感器發(fā)射頭距離水面的距離，h2表示超聲波傳感器發(fā)射頭距離水底的距離，設(shè)聲波的傳遞速度為v，假設(shè)發(fā)射、接收的時(shí)間為t，則h1=vt/2，則水位高度h=h1-h2。

5 排水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制的設(shè)計(jì)

礦井排水監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)對(duì)工作面水倉(cāng)內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)、水泵運(yùn)行狀態(tài)及水泵電機(jī)軸承溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果基于PLC控制器進(jìn)行控制，同時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)于上位機(jī)。根據(jù)上述控制需求為排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置地面監(jiān)控主站、PLC控制層以及數(shù)據(jù)采集層三個(gè)層次。

（1）數(shù)據(jù)采集層功能的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集層的主要功能是工作面設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，需根據(jù)排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，為其配置對(duì)應(yīng)的傳感器等器件。

（2）PLC控制層。根據(jù)節(jié)能排水系統(tǒng)的控制需求，要求PLC控制器能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)據(jù)采集層和地面監(jiān)控主站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因此，要求所選型PLC控制器具備模擬量輸入模塊（實(shí)現(xiàn)水泵及其電機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的傳輸）、數(shù)字量輸入模塊（電動(dòng)閥的啟?？刂?、水泵啟停反饋信號(hào)的傳輸）以及數(shù)字量輸出模塊（對(duì)水泵電機(jī)、電機(jī)軸承溫度的過(guò)保護(hù)以及故障報(bào)警等）。

結(jié)合所需控制的數(shù)字量和模擬量，為節(jié)能排水系統(tǒng)配置S7-300系列的PLC315-2PN/DN的控制器，并為其擴(kuò)展四個(gè)SM321數(shù)字量輸入模塊，兩塊SM322數(shù)字量輸出模塊和兩塊SM331模擬量輸入模塊。

（3）地面監(jiān)控界面功能的實(shí)現(xiàn)。地面監(jiān)控界面主要是對(duì)水泵及電機(jī)等運(yùn)行參數(shù)的顯示和存儲(chǔ)，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行故障進(jìn)行報(bào)警的功能。

6 排水控制系統(tǒng)主要分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

6.1 PLC控制器的匹配設(shè)計(jì)

PLC控制器是整個(gè)排水系統(tǒng)的控制核心，故結(jié)合排水系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，選用了歐姆龍公司生產(chǎn)的CJ1系列PLC控制器，其結(jié)構(gòu)包括模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊。其中，模擬量輸入模塊采用了24V電源設(shè)計(jì)，可直接通過(guò)CPU中的電壓進(jìn)行供電，且在其模塊上設(shè)置了多個(gè)輸入點(diǎn)，主要用于接收排水系統(tǒng)中的液位信號(hào)、溫度信號(hào)、水泵信號(hào)、流量信號(hào)、負(fù)壓信號(hào)等，并以電流形式進(jìn)行信號(hào)輸入；而開關(guān)量輸入模塊選用了IA201模塊，其輸入電壓為AC100V～120V，電流為12mA，并設(shè)置了32個(gè)點(diǎn)數(shù)，主要用于接收真空泵的開關(guān)信號(hào)、液位開關(guān)信號(hào)、閘閥開關(guān)信號(hào)、球閥到位信號(hào)等，其內(nèi)部的濾波電路，可對(duì)外部干擾信號(hào)進(jìn)行有效隔離。整個(gè)PLC控制器具有較高的控制性能，能較好地滿足井下排水系統(tǒng)的有效控制，保證井下作業(yè)環(huán)境的安全。

6.2 控制系統(tǒng)各類傳感器的匹配設(shè)計(jì)

雖整個(gè)排水控制系統(tǒng)是排水系統(tǒng)的分系統(tǒng)，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜，需設(shè)計(jì)多種傳感器來(lái)完成井下不同參數(shù)的信號(hào)采集與檢測(cè)。故結(jié)構(gòu)排水控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，配備了流量檢測(cè)器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器等，以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)排水系統(tǒng)中不同信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)。其中，流量檢測(cè)采用了西門子的MAG3100型，主要用于檢測(cè)排水管道中的水流量情況，該元件可檢測(cè)0.3m/s～20m/s范圍內(nèi)的流速，具有較強(qiáng)的抗干擾性及穩(wěn)定性。溫度傳感器選用了ZN17-BKG-WD型，主要用于檢測(cè)井下水泵電機(jī)的工作溫度，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行；該設(shè)備中配備了Pt100的鉑熱電阻，具有較高的防爆性能。而液位傳感器則采用了SI-TRANS型超聲波液位計(jì)，其檢測(cè)頻率為50Hz～60Hz，可完成對(duì)井下水位的檢測(cè)。另外，壓力傳感器則采用了GYD60型號(hào)，主要用于檢測(cè)出水管道處的壓力大小，其工作電壓為24VDC，可準(zhǔn)確地檢測(cè)進(jìn)水管和排水管處的壓力變化。由此，完成了排水控制系統(tǒng)中關(guān)鍵檢測(cè)設(shè)備的匹配選型。

6.3 控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面是整套排水控制系統(tǒng)的重要組成部分，故采用MCSG組態(tài)軟件，開展了排水控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。通過(guò)該界面可將井下水管、各處壓力、各開關(guān)狀態(tài)、各閥的啟停等狀態(tài)進(jìn)行直觀顯示；同時(shí)，與傳統(tǒng)界面相比，在新的顯示界面上增設(shè)了記錄顯示功能，通過(guò)該按鈕可將整個(gè)排水控制系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障累計(jì)情況等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和直觀顯示。另外，整個(gè)顯示界面顯示更加流暢、報(bào)警功能更加全面，操作人員能直接通過(guò)顯示界面，對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)掌握和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確把控，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障的發(fā)生位置和采取相應(yīng)的故障解決措施，由此大大提高了排水監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、遠(yuǎn)程化控制程度。

7 排水控制系統(tǒng)應(yīng)用情況的分析

結(jié)合前文分析，完成了礦井中排水控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的綜合性能，將其在金礦中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，對(duì)金礦現(xiàn)有的排水監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化造測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的排水控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，與原來(lái)系統(tǒng)相比，能更加準(zhǔn)確、全面地將井下排水中的壓力、溫度、流量、設(shè)備啟停狀態(tài)等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)顯示界面進(jìn)行直觀顯示，同時(shí)，操作人員也能在監(jiān)控室對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員介紹，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和信號(hào)檢測(cè)精度更高，預(yù)估可使排水系統(tǒng)的工作效率提高30%左右，排水系統(tǒng)故障檢修時(shí)間縮短50%左右，效果良好。

8 結(jié)論

通過(guò)對(duì)離心泵的結(jié)構(gòu)和礦井的排水方式進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的功能和排水單元，系統(tǒng)的功能主要有水泵自動(dòng)輪換、智能控制、多水平協(xié)同控制、多樣化控制等，排水單元的硬件主要包括排水管道、檢測(cè)儀表、起泵設(shè)備、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、閥門、離心泵等組成。然后分析了排水單元的工作流程。研究為礦井安全、智能排水提供了理論基礎(chǔ)。