煤礦排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)分析

喬哲偉

（南京北路自動化系統(tǒng)有限責任公司， 江蘇 南京 211199）

引言

目前，在礦井排水系統(tǒng)各個泵房大概安裝6 套排水泵，其主要是通過控制系統(tǒng)進行集中控制。假如水位超過系統(tǒng)的既定高度時，水泵會同一時間打開排水。據(jù)統(tǒng)計排水系統(tǒng)消耗的電能力占礦山總用電量的15%以上。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)僅具有簡單的開關(guān)控制功能，不僅無法適應(yīng)地下突水事故[1]以及無法指向性地對排水時間進行調(diào)整，而且無法滿足綜采對地下排水靈活性、經(jīng)濟性以及可靠性的要求，因此，提出了一種新型的采礦井內(nèi)智能排水控制系統(tǒng)。

1 煤礦智能排水設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合地下煤礦排水系統(tǒng)的布置，提出了基于分布式控制理論的地下煤礦排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)，并采取了容錯結(jié)構(gòu)的設(shè)計。各個排水控制模塊都可以運行獨立，單獨維護。已經(jīng)損壞的模塊無法對別的模塊運行造成影響[2]。控制模塊的操作大大提高了控制系統(tǒng)的安全性。由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸、煤礦井下排水控制單元和交換系統(tǒng)共同組成了排水設(shè)備控制系統(tǒng)。如下圖1 所示。

圖1 中排水控制系統(tǒng)利用CAN 雙絞線屏蔽了網(wǎng)絡(luò)線路。以網(wǎng)絡(luò)的形式連接各個排水裝置。煤礦井下的水泵房由監(jiān)控單元來實現(xiàn)實時監(jiān)控。由調(diào)度單元負責對水泵單元的運行模式進行全面控制。該系統(tǒng)控制單元可以直接用于接收監(jiān)控中心的控制命令，并且用多種方式完成對地下水泵的運行控制[3]。如果出現(xiàn)系統(tǒng)無法跟地面監(jiān)控中心通信的情況，各個監(jiān)控中心就會更換至自主控制運行的模式，以既定的控制邏輯來完成自主排水的運行控制。

圖1 礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

雙模式排水控制模式是系統(tǒng)利用的主要模式。如果水位超出了預(yù)設(shè)值或者水位變化速度超出了預(yù)定值的時候，就會激活控制系統(tǒng)從而進行排水作業(yè)，并且滿足任何條件的排水安全需求。與此同時結(jié)合水位和實際時段決定是否同時啟動排水和抽水機的個數(shù)，保障經(jīng)濟排水。

2 煤礦智能排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)避峰降谷控制策略

利用傳統(tǒng)避峰降谷方式，主要將停滯地區(qū)的水位分為不一樣的預(yù)警水位。當功耗較低時，如果水位超過設(shè)置的警告水位，則系統(tǒng)將被激活。在此期間，請盡量不要啟動排水泵，并使用簡單的控制來避免峰值和降低谷值。然而，這種類型的控制方案不能在低功耗期間將停滯區(qū)域的水長時間保持在最低水位，因此無法使用。在高峰時段用電釋放了更多的存儲容量，不僅增加了高峰用電期間水泵啟動的次數(shù)而且功耗較大。所以此文提出使用的礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)采用一種避免峰谷的改進控制機制，即當功耗較低時，將同時打開多個排水泵，以將水位保持在最低控制警告線，即最低功耗。在此期間積累的水會釋放出盡可能多的存儲容量，從而減少用電高峰期的排放[4]。通過對排水的控制，系統(tǒng)將結(jié)合水位下降的速度確定同一時間打開的水泵數(shù)量可以交替操作，以增加排水泵的使用壽命，并且確保經(jīng)濟排水。假如某一個蓄水區(qū)的排水警告水位為3.4 m，最低控制水位為1.5 m，則控制系統(tǒng)發(fā)揮作用的水位變化和啟動控制策略，如圖2 所示。

圖2 表明，在這類控制系統(tǒng)的作用下，在低能耗時段（00：00—08：00）并且在排水系統(tǒng)里面啟動的水泵數(shù)量逐漸減少的情況下，水位可以控制在08：00之前的最低水位之下。在此期間，釋放了很多存儲容量可以很好的降低白天工作的水泵長度以及個數(shù)，還能提升排水的經(jīng)濟效力[5]。根據(jù)統(tǒng)計表明此系統(tǒng)的應(yīng)用可以讓污水處理成本從1.78 元/m3降至1.12元/m3。

圖2 積水區(qū)域水位變化和排水泵啟動控制曲線

3 煤礦智能排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)水倉水位傳感器的監(jiān)測原理

礦井排水的控制系統(tǒng)精度決定性在于液位傳感器水倉水位監(jiān)控的準確性導(dǎo)致了超聲波液位傳感器的出現(xiàn)。而傳感器通常設(shè)置在停滯區(qū)域的頂板上，通過計算發(fā)送以及接收，利用超聲波時差實時監(jiān)控水位[6]。如圖3 所示[7]，h1代表超聲傳感器的變送器頭和水面之間的距離，而h2則代表超聲傳感器的變送器頭和水底之間的距離，則聲波的傳輸速度v 發(fā)送和接收的時間t 與h1的關(guān)系為h1=vt/2，同時水位是h=h1-h2。

圖3 超聲波傳感器測量原理

4 結(jié)語

本文所研究的礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)的控制模式是雙模式排水控制，即假如水位超出預(yù)設(shè)值或者水位變化速度超出預(yù)定值的時候，能夠開啟控制系統(tǒng)從而執(zhí)行排水操作。與此同時排水控制通過水位和位置可以確定能不能啟動排水，從而在規(guī)定的期限內(nèi)確定啟動泵的個數(shù)，以確保排水經(jīng)濟適用性。應(yīng)用該系統(tǒng)可將排水成本從1.78 元/m3降至1.12 元 /m3。