礦井主要水泵房水泵運(yùn)行智能控制系統(tǒng)研究

賈藝棟

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

引言

現(xiàn)階段礦井排水系統(tǒng)受到設(shè)備自動(dòng)化程度較低限制，存在故障率高、無(wú)法聯(lián)機(jī)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)落后等問題[1-2]。為此，眾多的研究學(xué)者對(duì)礦井水泵運(yùn)行控制展開研究，其中史麗萍等對(duì)礦井水泵智能控制系統(tǒng)展開研究，通過引起模糊控制，提高了井下水泵運(yùn)行可靠性以及應(yīng)急能力；寇彥飛等基于傳感器、微處理技術(shù)等設(shè)計(jì)一種排水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合水位變化、水倉(cāng)容積、電力載荷等對(duì)水泵自動(dòng)運(yùn)行井下控制，在滿足井下排水需要可降低電力消耗，實(shí)現(xiàn)了水泵經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行[3-4]。

文中就以山西某礦中央水泵房安裝的離心泵為研究對(duì)象，提出一種智能控制系統(tǒng)，以便提高礦井排水智能化水平。

1 礦井排水系統(tǒng)分析

礦井井下排水量由煤炭開采強(qiáng)度、采掘范圍以及采掘深度等因素有關(guān)，現(xiàn)階段礦井排水方式多使用多水平逐級(jí)排水、多水平集中排水、多水平獨(dú)立排水方式。山西某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300 萬(wàn)t/年，礦井開采區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，井下排水采用多水平獨(dú)立排水方式，即每個(gè)生產(chǎn)水平均布置有水泵房負(fù)責(zé)將本水平內(nèi)積水排出至地面。井下各采區(qū)內(nèi)涌水匯聚至各采區(qū)中央水泵房，并通過離心泵將水倉(cāng)內(nèi)積水排出至地表。礦井使用的離心泵結(jié)構(gòu)主要組成包括有控制閥門、泵軸、葉輪以及泵殼等。

2 水泵智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中央水泵房水泵智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)操控平臺(tái)、監(jiān)控上位機(jī)、水泵運(yùn)行控制單元等構(gòu)成，具體智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）視頻監(jiān)控單元。智能監(jiān)控系統(tǒng)中視頻監(jiān)控單元硬件結(jié)構(gòu)包括有防爆攝像機(jī)、光端機(jī)等，通過攝像頭可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵房?jī)?nèi)設(shè)備運(yùn)行情況。

2）現(xiàn)場(chǎng)操控平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)操控平臺(tái)結(jié)構(gòu)有指示燈、觸摸屏以及物理按鈕等構(gòu)成。物理按鈕主要用以現(xiàn)場(chǎng)控制，指示燈用以指示各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；觸摸屏顯示水泵房?jī)?nèi)各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。

3）控制單元。水泵智能控制系統(tǒng)核心組件為PLC 空盒子器，具體有兩個(gè)控制策略：實(shí)現(xiàn)多水平控制策略動(dòng)態(tài)規(guī)劃；運(yùn)行控制策略基于“避峰調(diào)谷”實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過PLC 控制器中內(nèi)置邏輯運(yùn)算算法即可實(shí)現(xiàn)PLC 運(yùn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行的只能控制。

4）上位機(jī)監(jiān)控。上位機(jī)監(jiān)控組成單元包括有監(jiān)控顯示屏、關(guān)端機(jī)，運(yùn)行程序采用iFix 組態(tài)軟件編寫。

3 智能排水系統(tǒng)功能及排水單元設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能

礦井智能排水系統(tǒng)主要功能單元包括有智能控制、水泵自動(dòng)換輪、多水平協(xié)同控制、多樣控制等，具體系統(tǒng)功能見圖2 所示。

圖2 智能排水系統(tǒng)功能圖

1）故障報(bào)警，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)或者PLC 設(shè)備運(yùn)行存在異常時(shí)，智能控制系統(tǒng)內(nèi)置的報(bào)警指示燈以及電鈴等會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，從而提醒值守人員及時(shí)處理。

2）視頻監(jiān)控，在井下主要水泵房中均安裝有高清防爆攝像頭，將水泵房?jī)?nèi)水泵運(yùn)行、水位等畫面經(jīng)過井下工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸給地面上位機(jī)。

3）數(shù)據(jù)采集及顯示，在礦井主要水泵房?jī)?nèi)安裝有各類的傳感器，傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4）水泵自動(dòng)換輪。根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)獲取到的水泵使用數(shù)據(jù)，智能控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)水泵運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，確保水泵房中兩個(gè)水泵使用壽命、使用時(shí)間等均可合理安排。

3.2 排水單元

水泵房中排水單元硬件結(jié)構(gòu)主要包括有檢測(cè)儀表、排水管道、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、離心泵、閥門等，具體排水單元結(jié)構(gòu)組成見圖3 所示。

圖3 排水單元結(jié)構(gòu)組成

1）閥門主要有出水閥門以及逆止閥門等構(gòu)成，離心水泵的排水量以及揚(yáng)程主要通過調(diào)整出水閥門的開合角度實(shí)現(xiàn)；逆止閥安裝在出水閥上側(cè)，主要功能是防止水流逆流，當(dāng)離心泵電機(jī)、水泵葉輪或者水閘閥等設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，逆止閥會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，從而避免逆流情況發(fā)生。

2）檢測(cè)儀表主要由壓力表、真空表等組成，其中壓力表布置在出水口側(cè)，主要用以監(jiān)測(cè)出水口壓力，當(dāng)監(jiān)測(cè)到出水口壓力滿足要求時(shí)出水閥可開啟；真空表布置在泵體吸水管上用以監(jiān)測(cè)泵體真空度，當(dāng)泵體內(nèi)真空度達(dá)到要求時(shí)基泵可正常啟動(dòng)。

3）射流體系是通過吸力將真空泵內(nèi)空氣排出，確保泵體處于真空狀態(tài)，在大氣壓力作用下把水引入到泵體內(nèi)。

具體控制流程為：首先PLC 控制器向離心泵發(fā)出啟動(dòng)指令，相關(guān)設(shè)備進(jìn)入到泵啟動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)壓力傳感器監(jiān)測(cè)到壓力值達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，關(guān)閉真空閥以及射流閥，隨后開啟水閥排水；在排水過程中當(dāng)檢測(cè)到水倉(cāng)水位達(dá)到停泵條件時(shí)，PLC 控制器發(fā)出停泵指令，離心泵停機(jī)運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的水泵智能控制系統(tǒng)可根據(jù)布置的傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整水泵運(yùn)行，不僅可滿足井下排水需要，而且可實(shí)現(xiàn)水泵房?jī)?nèi)水泵自動(dòng)切換，避免單一水泵長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)載運(yùn)行出現(xiàn)故障。