煤礦井下排水智能控制系統(tǒng)研究

張兆軍

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)掌石溝煤業(yè)有限公司 山西省晉城市 048404）

1 煤礦井水排放方式

水平礦井涌水量、縱向掘進(jìn)深度、橫向開(kāi)拓寬度以及水平礦井的用水量組成了煤礦井下排水系統(tǒng)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外排水系統(tǒng)的排水方式主要有以下三種（如圖1 所示）：一是多水平獨(dú)立式；二是多水平集中式；三是多水平逐級(jí)式。

1.1 多水平獨(dú)立式

在多水平獨(dú)立式排水系統(tǒng)中，在煤礦的每一個(gè)水平面都有泵房建設(shè)，泵房的主要作用在于礦井水的排放。同時(shí)每個(gè)水平泵房的排水管道都是獨(dú)立的，每個(gè)獨(dú)立的管道互相不產(chǎn)生影響。多水平獨(dú)立式排水系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于在水泵的投入過(guò)程中，在數(shù)量上只需要考慮泵房各自的排水需求，非常的安全。劣勢(shì)在于消耗較大導(dǎo)致成本大，因?yàn)槠湫枰^多的管道和較大的水泵功率需求。

1.2 多水平集中式

當(dāng)涌水水平相差較大的時(shí)候，水平集中式排水方式就顯得非常必要了。通過(guò)高低落差的方式，將高水平泵房向低水平泵房排放，進(jìn)而低水平泵房再進(jìn)行統(tǒng)一的排放，對(duì)于這種水平高低存在差異的煤礦而言，這種排水方式較為適合。多水平集中式排水方式的優(yōu)勢(shì)在于管道鋪陳較為簡(jiǎn)單，成本消耗相對(duì)低；劣勢(shì)在于僅僅適合與高低水平差異的煤礦，對(duì)于涌水分布均勻的煤礦而言并不適合。

1.3 多水平逐級(jí)式

多水平逐級(jí)式排水方式是目前多數(shù)煤礦采取的排水方式，其受歡迎的原因主要源自于它較為綜合，是獨(dú)立式排水方式與集中式排水方式的折中與綜合。其工作方式為低水平的涌水經(jīng)該水平的泵房將排至高一級(jí)水平泵房，并最終將礦水逐級(jí)排放出去。

2 煤礦井下智能排水系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

如圖2 所示，多種運(yùn)行模式切換、可視化控制等構(gòu)成了煤礦井下排水智能控制系統(tǒng)，智能排水系統(tǒng)以為煤礦井下排水系統(tǒng)的框架為依托開(kāi)展具體的設(shè)計(jì)，其主要功能包括多樣運(yùn)行模式切換、可視化控制、水泵啟停自動(dòng)化等，如圖2。

圖2： 排水系統(tǒng)功能框圖

(a)獨(dú)立式 (b)集中式 (c)逐級(jí)式

2.1 可視化控制

動(dòng)畫(huà)模擬的呈現(xiàn)，讓井下數(shù)據(jù)可以及時(shí)且清晰地顯現(xiàn)出來(lái)，數(shù)據(jù)顯現(xiàn)的平臺(tái)為組態(tài)軟件。在這樣的前提下，工作人員不必下井，而是通過(guò)監(jiān)控中心就可以對(duì)排水系統(tǒng)的具體情況予以較為清晰地了解，從而提高了工作效率，也讓工作人員的工作負(fù)擔(dān)得以減輕，工作安全得到保障。

2.2 系統(tǒng)保護(hù)

流量保護(hù)、超溫保護(hù)、電機(jī)故障保護(hù)以及電動(dòng)閥門(mén)故障保護(hù)組成了系統(tǒng)保護(hù)的四個(gè)保護(hù)層面。

（1）流量保護(hù)；指的是當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)水泵排水量過(guò)多或者過(guò)少的時(shí)候，流量保護(hù)裝置會(huì)通過(guò)相關(guān)功能的啟動(dòng)，最終達(dá)到流量正常的目的。

（2）超溫保護(hù)；超溫保護(hù)是當(dāng)水泵軸承出現(xiàn)異常高溫的時(shí)候，可以通過(guò)聲光報(bào)警的方式提醒工作人員注意，從而保障生產(chǎn)安全。

（3）電機(jī)故障保護(hù)；當(dāng)水泵低電壓、漏電、電流過(guò)大等異常情況發(fā)生的時(shí)候，系統(tǒng)可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并提醒，讓安全隱患得以解決。

（1）電動(dòng)閥門(mén)故障保護(hù)；指的是該系統(tǒng)會(huì)對(duì)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，從而避免因?yàn)殚_(kāi)關(guān)問(wèn)題引起的事故以及影響生產(chǎn)任務(wù)的現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 多種運(yùn)行模式切換

第一種是自動(dòng)運(yùn)行模式，該種模式是以智能控制策略為基礎(chǔ)的。自動(dòng)運(yùn)行模式的工作原理為由水泵調(diào)度單元發(fā)出水泵啟停。第二種模式為人井下控制臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制下的運(yùn)營(yíng)模式；第三種為和地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程下的運(yùn)營(yíng)模式，第二種和第三種為人工手動(dòng)的模式。縱觀以上三種模式，是互相獨(dú)立存在的，同時(shí)也可以在運(yùn)營(yíng)中互相切換，但是切忌切換過(guò)于頻繁，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤的發(fā)生。與此同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)控制要優(yōu)先于遠(yuǎn)程控制，手動(dòng)控制優(yōu)先于自動(dòng)控制。系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)的設(shè)置是為了讓水泵在維修中更加的方便與快捷，減少因?yàn)樗镁S修耽誤生產(chǎn)的發(fā)生。

2.4 排水系統(tǒng)的自動(dòng)化

井下水泵調(diào)度單元對(duì)排水系統(tǒng)開(kāi)展自動(dòng)化的控制，自動(dòng)化控制的載體為系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)度功能，從而讓排水系統(tǒng)自動(dòng)化正常運(yùn)行。自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)模式會(huì)在保證水倉(cāng)水位正常，以及考慮節(jié)省電力成本因素的前提下開(kāi)展水泵的優(yōu)化調(diào)度，從而讓生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)安全與節(jié)能的雙保證。

2.5 自動(dòng)輪換工作

水泵的使用年限與水泵長(zhǎng)時(shí)間的閑置與運(yùn)行都有直接的關(guān)系。因此在設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)水泵自動(dòng)轉(zhuǎn)輪功能，對(duì)水泵的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)的方式去了解水泵的運(yùn)行時(shí)間，從而達(dá)到了解每一臺(tái)水泵使用狀況、累計(jì)使用時(shí)間的清晰了解，同時(shí)會(huì)對(duì)水泵的累計(jì)使用時(shí)間給予記錄，對(duì)于工作過(guò)長(zhǎng)的水泵及時(shí)地更換，從而避免因?yàn)樗玫膿p壞而影響生產(chǎn)的效率的發(fā)生。

2.6 數(shù)據(jù)信息采集與顯示

足量的傳感器配置是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集的前提，包括水泵的啟動(dòng)時(shí)間與頻率，用水量與水倉(cāng)水位等。工業(yè)以太網(wǎng)會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到地面控制中心，工作人員從組態(tài)軟件顯示的數(shù)據(jù)中對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)給予準(zhǔn)確的了解，從而更好地開(kāi)展工作。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)保存采集到的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)與穩(wěn)定都具有較大的幫助。

2.7 水泵啟停自動(dòng)化

水泵啟停命令需要井下調(diào)度單元、井下控制臺(tái)以及地面監(jiān)控單元多個(gè)平臺(tái)的配合，多種要素缺一不可。與此同時(shí)，水泵啟停工作的完成，需要電機(jī)信息、出水口壓力、閥渣開(kāi)度等信息在水泵控制單元收到啟停命令之后得到采集。

3 排水智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)單元、水泵控制單元、水泵組調(diào)度單元構(gòu)成了排水智能控制系統(tǒng)的主要組成部分，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3： 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能控制的關(guān)鍵與前提在于檢測(cè)單元對(duì)水倉(cāng)水位以及水泵參數(shù)的采集，同時(shí)也是水泵自動(dòng)化控制的載體所在。水泵的運(yùn)營(yíng)狀況、水泵運(yùn)行時(shí)間等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)等都可以通過(guò)水泵組調(diào)度單元得以呈現(xiàn)，從而更好地實(shí)現(xiàn)水泵組的調(diào)度最優(yōu)，讓系統(tǒng)得到科學(xué)的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)自動(dòng)化科學(xué)運(yùn)行。與此同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心與井下工作開(kāi)展有效的而工作聯(lián)系。讓水泵自動(dòng)啟停在傳感器數(shù)據(jù)和水泵狀態(tài)檢測(cè)前提下完成，繼而通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，同時(shí)配合地面監(jiān)控中心工作要求完成各項(xiàng)工作，這是智能控制系統(tǒng)的根基。

3.1 水泵組調(diào)度控制單元的設(shè)計(jì)

以控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能與結(jié)構(gòu)圖，對(duì)I/O 端口的需求開(kāi)展具體的分析，對(duì)其所需要的輸出相關(guān)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：數(shù)字量輸入模塊的兩種控制策略服務(wù)，自動(dòng)和人工的運(yùn)動(dòng)模式服務(wù)，急停和復(fù)位信號(hào)服務(wù)，綜上共需6 個(gè)點(diǎn)。4 個(gè)點(diǎn)為模擬量輸入模塊、水倉(cāng)水位服務(wù)，2 個(gè)點(diǎn)為排水管流量服務(wù)，以上共計(jì)4 個(gè)點(diǎn)。1 個(gè)點(diǎn)為數(shù)字量輸出模塊、報(bào)警信號(hào)服務(wù)，8 個(gè)點(diǎn)為故障指示服務(wù)，2 個(gè)點(diǎn)為模式顯示服務(wù)，各1 個(gè)點(diǎn)為急停指示、報(bào)警信號(hào)、數(shù)字量輸入模塊服務(wù)，以上供給14 個(gè)點(diǎn)。

點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)完畢后，對(duì)輸出與輸入模型分別進(jìn)行選型，選型過(guò)程中要把安全、穩(wěn)定性強(qiáng)作為首要的位置，同時(shí)要保證未來(lái)升級(jí)改造余量充足。以上述原則與I/O 點(diǎn)數(shù)為根基，指示燈、電機(jī)啟動(dòng)器等通過(guò)SM322 數(shù)字量輸出模塊進(jìn)行有效的連接，從而成功地將對(duì)輸出不同外部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換出來(lái)，PLC與數(shù)字量過(guò)程信號(hào)通過(guò)SM321數(shù)字輸入模塊實(shí)現(xiàn)連接，并支持不同控制信號(hào)連接以及支持多種輸入電壓。PLC 與模擬過(guò)程信號(hào)連接通過(guò)SM331 模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)電壓、電流以及熱電阻等傳感器的連接。PS307-5a 和PS307-10a 是PLC 模塊的電源模塊選擇的PLC 供電系統(tǒng)，其采用雙電源供電，并運(yùn)營(yíng)過(guò)程中充分地將排水系統(tǒng)的重要作用融入進(jìn)去，防爆型式采用Exd[ib]I。

3.2 數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計(jì)非常重要，是實(shí)現(xiàn)智能控制的根本與前提，該設(shè)計(jì)的目的在于對(duì)排水過(guò)程中的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，對(duì)排水設(shè)備關(guān)鍵部位參數(shù)及時(shí)地進(jìn)行采集。傳感器數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集對(duì)系統(tǒng)的性能以及對(duì)系統(tǒng)的判斷都具有至關(guān)重要的作用。所以說(shuō)，傳感器在選型過(guò)程中要充分考慮到煤礦的具體情況，要將煤礦濕度與溫度較高抖動(dòng)大以及信號(hào)傳輸具體遠(yuǎn)的特點(diǎn)都考慮進(jìn)去。檢測(cè)頻率以及傳感器精度等參數(shù)需要滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要，同時(shí)也要將成本考慮進(jìn)去，避免成本過(guò)高。

3.3 水泵控制單元的實(shí)現(xiàn)

水泵PLC 控制柜、電控排水閥、電控排水閥以及操作臺(tái)是水泵控制單元的主要組成部分，其主要功能為水泵自動(dòng)啟停的實(shí)現(xiàn)。下邊對(duì)電控排水閥進(jìn)行選型以及對(duì)PLC 控制柜進(jìn)行設(shè)計(jì)。

控制系統(tǒng)核心組成零件為S7-300KE 可編程控制器，其品牌名稱(chēng)為西門(mén)子。作為數(shù)據(jù)采集單元的基礎(chǔ)硬件，KXJ660 礦用防爆本安型可編程控制器一是通過(guò)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處理、水泵和電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)，二是結(jié)合相應(yīng)的傳感器、電控閘閥、網(wǎng)絡(luò)等組件完成對(duì)水泵的啟停，從而實(shí)現(xiàn)水泵調(diào)度單元與地面監(jiān)控單元數(shù)據(jù)的交替。電控閘閥代替機(jī)械閘閥是為了實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。人工控制閘閥是當(dāng)前井下排水系統(tǒng)最主要、最常見(jiàn)的井下排水系統(tǒng)工作方式，這種工作方式對(duì)工作效率的提升、工作人員安全的保障都繼續(xù)改進(jìn)，所以說(shuō)排水閥智能化操作勢(shì)在必行。Z941H-16P-DN300 礦用防爆電動(dòng)閘閥讓智能化操作更進(jìn)一步，其220V AC 電源供電，實(shí)現(xiàn)水泵控制單元生產(chǎn)工作更高效。

為每臺(tái)水泵控制單元設(shè)置對(duì)應(yīng)的控制臺(tái)，是水泵現(xiàn)場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)的根本途徑。實(shí)現(xiàn)水泵控制模式與運(yùn)營(yíng)模式的切換，并手動(dòng)控制排水系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)。顯示器、開(kāi)關(guān)按鍵和指示燈是控制臺(tái)面的主要內(nèi)容。顯示器的作用在于讓系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)得以顯示；開(kāi)關(guān)按鍵主要由于運(yùn)營(yíng)模式、控制方式的切換以及閘閥和電機(jī)開(kāi)關(guān)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)和暫?？刂?；指示燈可以對(duì)設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀況通過(guò)閃爍的方式呈現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)情況。

4 排水智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)保護(hù)功能

在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的前提下，仍然不影響生產(chǎn)的進(jìn)行，這是系統(tǒng)保護(hù)功能的主要作用。系統(tǒng)保護(hù)主要包括故障檢測(cè)和水泵切換。故障檢測(cè)通過(guò)水泵控制單元對(duì)投入使用的水泵進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障，則將故障信息上傳到水泵調(diào)度單元和地面控制中心，同時(shí)將水泵停止運(yùn)營(yíng)。當(dāng)故障信號(hào)發(fā)出之后，水泵調(diào)度單元需要檢測(cè)是否有備用水泵可以用，此時(shí)空閑的、功能正常的水泵將故障水泵取代，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。

4.2 智能控制策略的實(shí)現(xiàn)

如圖4，是“避峰就谷”優(yōu)化調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)流程圖，在計(jì)算的過(guò)程中，以為水倉(cāng)水位等數(shù)據(jù)作為對(duì)照參數(shù)。當(dāng)信號(hào)存在的時(shí)候，對(duì)水位范圍和時(shí)間段進(jìn)行判斷，并計(jì)算出需要開(kāi)啟水泵的數(shù)量，計(jì)算可按照第三章方法進(jìn)行。繼而對(duì)水位變化率并進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)以水位變化率為參考對(duì)水泵開(kāi)啟數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，并與事故的發(fā)生進(jìn)行提前的預(yù)估。

圖4： 基于“避峰就谷”的優(yōu)化調(diào)度流程圖

圖5： 自動(dòng)啟泵控制程序流程

本系統(tǒng)的備選控制策略為基于模型預(yù)測(cè)控制策略，基于此，本系統(tǒng)對(duì)控制序列求解方法進(jìn)行了創(chuàng)新，通過(guò)與模型預(yù)測(cè)控制的結(jié)合，將在線(xiàn)滾動(dòng)得到優(yōu)化，從而在快速得到調(diào)度序列的同時(shí)，讓控制策略更加科學(xué)與高效。

4.3 水泵的自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)啟泵控制程序流程在自動(dòng)控制模式下的運(yùn)行狀態(tài)如圖6 所示。預(yù)警延遲會(huì)在啟泵前10 秒進(jìn)行，從而讓工作人員有足夠的時(shí)間遠(yuǎn)離工作狀態(tài)下的水泵，避免因?yàn)樗脦?lái)的危險(xiǎn)。緊接著射流閥將氣體排出，對(duì)真空傳感器通過(guò)真空度進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)符合之后，在真空閥與射流閥關(guān)閉的同時(shí)將水泵電機(jī)開(kāi)啟。繼而對(duì)出水口壓力進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合規(guī)之后，電動(dòng)閘閥開(kāi)啟并排水。當(dāng)真空度或者排水口壓力不達(dá)標(biāo)的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行故障報(bào)警，同時(shí)關(guān)閉電機(jī)與出水閥達(dá)到停泵的目的。

4.4 水泵自動(dòng)輪轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)

水泵自動(dòng)輪換功能設(shè)計(jì)的主要目的在于讓水泵的使用壽命延長(zhǎng)，啟泵命令發(fā)出之后，第一步要對(duì)各水泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)行排序，并根據(jù)要求選取水泵開(kāi)啟，并對(duì)選中的水泵進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間與頻次的記錄。當(dāng)水泵運(yùn)行停止，再次記錄其運(yùn)行時(shí)間。水泵走動(dòng)轉(zhuǎn)輪對(duì)水泵運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的記錄。同時(shí)針對(duì)這樣的需求，在每臺(tái)水泵上設(shè)置三個(gè)存儲(chǔ)單元，在數(shù)據(jù)記錄的前提下，讓存儲(chǔ)數(shù)據(jù)更加清晰可見(jiàn)，功能發(fā)揮也達(dá)到最好的效果。

4.5 排水智能控制系統(tǒng)監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

對(duì)井下泵房開(kāi)展遠(yuǎn)程畫(huà)面監(jiān)控是監(jiān)控單元的主要功能，該功能能夠讓人機(jī)交互界面對(duì)泵房實(shí)施情況檢測(cè)更具時(shí)效性和直觀性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的軟件為GE 公司研發(fā)的iFix，該監(jiān)控軟件可以讓監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)的呈現(xiàn)。以太網(wǎng)PLC控制器或其它工業(yè)設(shè)備進(jìn)行連接，工作人員對(duì)監(jiān)控界面進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)和控制，對(duì)相關(guān)信息清楚了解，對(duì)被監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制與檢測(cè)、歷史曲線(xiàn)查詢(xún)是監(jiān)控單元的主要作用，系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)是地面監(jiān)控中心的四個(gè)主要組成部分。

5 結(jié)論

綜上所述，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)將煤礦排水系統(tǒng)當(dāng)先存在的問(wèn)題和難題為研究對(duì)象，同時(shí)結(jié)合平煤排水系統(tǒng)的當(dāng)前所處的狀況，對(duì)水泵控制策略以及井下排水系統(tǒng)開(kāi)展具體的研究。本研究共設(shè)計(jì)了兩種不同的控制策略，在節(jié)能省電的同時(shí)，讓排水系統(tǒng)更加的穩(wěn)定與創(chuàng)新。在控制系統(tǒng)的架構(gòu)和水泵智能控制策略的前提下，對(duì)煤礦井下排水智能控制的軟件與硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。