煤礦井下智能排水控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究

鞏衛(wèi)國(guó)

（霍州煤電薛虎溝煤業(yè)，山西 河津 043302）

薛虎溝煤業(yè)位于河?xùn)|煤田鄉(xiāng)寧礦區(qū)，井田面積為4.061 6 km2，礦井正常涌水量10 m3/h，最大涌水量20 m3/h，水文地質(zhì)類型為中等。在中央水倉(cāng)安裝兩臺(tái)BQS320-30×3-160 kW 防爆潛水電泵，沿主斜井敷設(shè)一趟Φ273 mm×22.7 mm 強(qiáng)排水管路至地面。由于開(kāi)采過(guò)程中積水涌出量大，因此中央水倉(cāng)內(nèi)的排水泵處于長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)狀下，各個(gè)水泵之間的切換完全靠人工控制，造成水泵使用壽命差異性大，排水時(shí)間也是由人工根據(jù)井下積水情況進(jìn)行控制，未按照“避峰就谷”的策略進(jìn)行，導(dǎo)致了井下排水經(jīng)濟(jì)性差，系統(tǒng)的智能化程度低，無(wú)法滿足緊急情況下的排水需求。

項(xiàng)目組提出了一種新的煤礦井下智能排水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PLC 控制單元為核心，針對(duì)現(xiàn)有排水系統(tǒng)的痛點(diǎn)問(wèn)題設(shè)計(jì)了“避峰就谷”排水策略和多重防護(hù)策略，通過(guò)分析水位、排水時(shí)間和各個(gè)水泵的累計(jì)工作時(shí)間，自動(dòng)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)排水系統(tǒng)智能、有序、經(jīng)濟(jì)性的自動(dòng)控制。

1 智能排水控制系統(tǒng)

結(jié)合薛虎溝煤業(yè)排水系統(tǒng)的實(shí)際需求，井下智能排水控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1[1]。

圖1 薛虎溝煤業(yè)智能排水控制系統(tǒng)框圖

由圖1 可知，該智能排水控制系統(tǒng)以PLC 控制為核心，主要包括就地控制箱、PLC 控制柜、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及地面控制中心四個(gè)部分。就地控制箱主要是通過(guò)各類傳感器設(shè)備對(duì)積水區(qū)域的水位情況進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控信息進(jìn)行分析后傳遞給PLC 控制柜，同時(shí)該模塊還負(fù)責(zé)執(zhí)行地面控制中心傳遞的調(diào)整控制指令，滿足緊急情況下的遠(yuǎn)程控制需求。PLC 控制柜為該智能控制系統(tǒng)的核心，主要是依據(jù)就地控制箱傳遞的水位信息，再結(jié)合供電時(shí)間段來(lái)判斷是否啟動(dòng)排水，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)各排水泵的累計(jì)工作時(shí)間進(jìn)行記錄，自動(dòng)調(diào)整各排水泵的工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)工作周期的平衡性。為了滿足在井下復(fù)雜地質(zhì)條件下的數(shù)據(jù)通信安全需求，該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)，能夠保證在高電磁環(huán)境下的抗干擾性。

為了滿足井下智能控制需求，在PLC 控制柜內(nèi)設(shè)置了“避峰就谷”排水策略和多重控制策略，滿足節(jié)能控制和安全控制的需求。

2 智能排水控制系統(tǒng)控制策略

為了滿足不同情況下對(duì)排水系統(tǒng)控制安全性的需求，薛虎溝煤業(yè)智能排水控制系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)、手動(dòng)和半自動(dòng)三種控制模式，其整體控制邏輯如圖2[2]。

圖2 薛虎溝煤業(yè)智能排水系統(tǒng)控制邏輯示意圖

在自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)首先對(duì)積水區(qū)域的水位和水位變化率進(jìn)行判斷。若積水區(qū)域超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的警戒水位，則系統(tǒng)將繼續(xù)對(duì)水位的變化率進(jìn)行判斷。若水位變化率超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的警戒變化率則控制多臺(tái)水泵同時(shí)進(jìn)行排水；若水位變化率小于系統(tǒng)設(shè)定的警戒值，則系統(tǒng)對(duì)該時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行判斷。若是處于用電低谷期，則自動(dòng)啟動(dòng)排水累計(jì)時(shí)間較小的水泵進(jìn)行排水作業(yè)；若該時(shí)間點(diǎn)為用電高峰期，則系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)水位上升情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。若未達(dá)到危險(xiǎn)水位，則系統(tǒng)不進(jìn)行排水作業(yè)；若達(dá)到危險(xiǎn)水位，則強(qiáng)制啟動(dòng)水泵開(kāi)始排水作業(yè)。在排水過(guò)程中繼續(xù)對(duì)水位情況進(jìn)行監(jiān)控，若水位不再繼續(xù)上升則維持一個(gè)排水泵工作，若水位繼續(xù)上升，則開(kāi)啟備用排水泵同時(shí)工作，滿足排水安全性的需求[3]。

在手動(dòng)控制模式下，主要是操作人員在地面控制中心根據(jù)井下的實(shí)際情況進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，通過(guò)地面控制中心輸入控制指令，通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將控制指令傳輸?shù)絇LC 控制柜，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解析后傳遞給就地控制箱，通過(guò)控制電動(dòng)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)排水狀態(tài)的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。

半自動(dòng)控制則是指控制人員人工確認(rèn)積水區(qū)域的水位狀態(tài)，通過(guò)就地控制箱上的水泵啟動(dòng)和停止控制按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下排水狀態(tài)的控制。

3 智能排水系統(tǒng)緊急控制邏輯

根據(jù)對(duì)薛虎溝煤業(yè)井下排水系統(tǒng)突發(fā)故障的統(tǒng)計(jì)，最常見(jiàn)的突發(fā)故障主要是斷電或者突發(fā)透水事故，因此在該智能控制系統(tǒng)中增加了緊急情況下的處理方案。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了雙回路供電，同時(shí)設(shè)置了應(yīng)急電源，滿足在突然停電下的供電連續(xù)性需求。當(dāng)井下出現(xiàn)突水事故后，系統(tǒng)根據(jù)水量和水位變化速率開(kāi)始啟動(dòng)緊急排水，若排水量小于涌水量則系統(tǒng)將發(fā)出強(qiáng)排水信號(hào)，控制相鄰區(qū)域的水泵啟動(dòng)排水，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)出緊急撤離信號(hào)，通知相關(guān)區(qū)域人員進(jìn)行緊急撤離，避免更大的人員傷亡事故。該智能排水系統(tǒng)緊急情況下的排水控制邏輯如圖3[4]。

圖3 緊情況下排水控制邏輯示意圖

4 智能排水系統(tǒng)應(yīng)用情況

該系研發(fā)成功后，對(duì)薛虎溝煤業(yè)的中央泵房進(jìn)行了智能化改造。經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，系統(tǒng)未出現(xiàn)運(yùn)行異常，能夠有效地對(duì)井下排水情況進(jìn)行自動(dòng)控制，目前已取消了水泵房司機(jī)2人，而且系統(tǒng)通過(guò)“避峰就谷”控制方案有效地降低了排水時(shí)的電能消耗，提高了排水的經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化前后中央泵房用電量對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化前后用電量對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

針對(duì)薛虎溝煤業(yè)井下排水系統(tǒng)，提出了以PLC控制單元為核心的智能排水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)運(yùn)行的智能化控制，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）該智能排水控制系統(tǒng)以PLC 控制為核心，包括就地控制箱、PLC 控制柜、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及地面控制中心四個(gè)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠滿足在復(fù)雜電磁環(huán)境下控制安全性的需求。

（2）智能排水控制系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)、手動(dòng)和半自動(dòng)三種控制模式，能夠滿足在不同情況下的控制需求。

（3）該排水系統(tǒng)設(shè)置了應(yīng)急電源和緊急排水控制模式，滿足在緊急情況下排水安全性的需求。

（4）該系統(tǒng)能夠?qū)⑴潘芎慕档?3.1%，同時(shí)能減少水泵房司機(jī)2 人。