井下排水泵自動控制方式的改進

蔣偉

摘 要：針對深井排水泵自動控制系統在應用中出現的問題，對電動閘閥的控制方式進行研究和改進。應用結果表明，該改進方式能提高啟泵的成功率，保證系統穩定運行。

關鍵詞：礦井排水系統 水泵控制 電動閘閥

中圖分類號：TD43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

隨著采掘工藝和水平的提高，礦井深度不斷增加，出現了越來越多的千米礦井。這些礦井有的采用多級泵房分成多個水平的方式進行排水，有的使用大功率電機直接將水排到地面。

淮滬煤電丁集煤礦井深900 m，采用一級排水將水排到地面。在排水泵自動控制過程中存在一些問題。該文對排水泵自動控制系統的電動閘閥控制方式進行了改進，取得了良好的應用效果。

1 排水系統概況

丁集煤礦泵房位于-890 m水平，內設5臺礦用多級離心泵，擔負全礦的主要排水任務。單臺水泵排水流量為400 m3/h，電機功率為1980 kW，在沒有較大水情時一般在凌晨用電低谷時段排水，白天停泵。由于礦井井深大，水壓高，排水管路上的逆止閥不能嚴格地密閉，在白天停泵后管路中的水會逐漸泄漏，到下次啟泵時逆止閥上方基本上是一段空管路。在電機啟動開啟電動閘閥時，出水口壓力會發生巨大的跳變，嚴重時排水管路會抖動，不能正常排水。排水泵自動控制系統采用CAN總線通訊方式，主要包括1臺KJD30Z礦用嵌入式本安型工業控制計算機、多臺KDK8礦用多功能控制驅動器、多臺KCC2智能I/O接口及各種本安傳感器、地面監控計算機等，如圖1所示。

圖1 排水泵自動控制系統結構

井下KJD30Z本安型監控站安裝在泵房控制室內，完成控制現場各傳感器信息的采集與處理任務，通過高性能控制軟件設定的自動控制流程實現自動控制功能。KDK8多功能控制驅動器串接在一根總線上與KJD30Z本安監控站通訊，可實現單臺水泵的控制，在自動方式下接收KJD30Z本安監控站下發的控制命令實現多臺水泵的自動控制。KCC2本安型智能I/O接口掛接在總線上，將現場的各種模擬量信號或開關量信號轉換為總線信號發送給KJD30本安監控站。

2 系統控制方式的改進

2.1 人工控制經驗

改進系統控制方式時首先借鑒人工控制經驗。排水泵在人工控制時，水泵司機手動控制電動閘閥，發現壓力產生跳變或者管路開始抖動時，及時停止開閥動作并等待。如果壓力不能回到穩定狀態，將閘閥向回關適當時間再等待，等到壓力穩定后再繼續開閥。這樣就形成了一個比較簡單的反饋控制系統，通過對壓力和其他現場情況的判斷來控制電動閘閥的開停。

2.2 初步改進

系統模擬人工控制的邏輯改進啟泵時的控制方式，監測的輸入參數主要是排水泵的出口壓力。根據現場實際情況，將壓力變動范圍劃分成幾個不同的范圍，執行不同的邏輯。啟泵時壓力調整邏輯如圖2所示。

圖2 壓力調整邏輯

2.3 存在的問題

系統經過上述改進后，在現場使用時確實取得了一定效果，能夠保證水泵正常啟動。但運行幾個月后發現水泵出水口電動閘閥的故障頻率比改進之前大幅度增加。經過現場調查分析，發現改進后的系統雖然能對壓力跳變進行調整，但調整過于頻繁，壓力變化產生震蕩，電動閘閥在啟泵過程中開關動作過多，容易引起器件的故障。引起壓力震蕩的原因：（1）系統采樣間隔偏大。出水口壓力用KCC2-2監測，采樣周期為1 s，相對于壓力跳動而言間隔偏大。（2）執行機構延時。執行機構延時包括KDK8的開出時間、閘閥控制箱控制電動閘閥的時間以及閘閥機械結構部分的響應時間，疊加在一起造成延時。（3）不能判斷趨勢。控制邏輯智能判斷當前壓力是否在正常范圍之內，但不能對壓力的變化趨勢進行判斷。

2.4 系統進一步改進

（1）縮短系統采樣間隔。將KCC2-2的采樣時間由原來的1 s縮短到250 ms，保證了采樣數據實時可靠。該方式的副作用是增大了總線數據量。由于現場泵的數量不多，只配置了5個KCC2-2，在5 kbit/s的波特率下對系統不會產生大的影響。（2） 引入PID控制算法。為了減小系統震蕩，引入PID控制算法，以改善系統的動態性能。模擬PID控制系統如圖3所示。

圖3 模擬PID控制系統原理

PID調節器將給定值r（t）與實際輸出值c（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。微分方程為

（1）

式中： 。

2.5 應用效果

系統經過再次改進后，應用情況有了明顯改善。表1為系統改進前后的對比。

3 結語

該文分析了深井礦排水泵自動控制系統在應用遇到的問題并提出了改進方法，提高了排水泵啟動成功率，減輕了對相關設備的損害。該控制方式已在丁集煤礦、平煤集團部分煤礦應用，取得了良好的效果。

表1 系統改進前后對比

閘閥開動作

次數 閘閥關動作

次數 閘閥開啟

總時間/s 使用效果

人工操作 2 1 100

改進前 1 0 - 管路抖動

啟泵成功率低

第一次改進后 5 4 150 電動閘閥故障率較高

第二次改進后 3 1 110

參考文獻

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