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(tǒng)在應用中出現(xiàn)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(tǒng)穩(wěn)定運行。

關鍵詞：礦井排水系統(tǒng) 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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(yè)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(jiān)控計算機等，如圖1所示。

圖1 排水泵自動控制系統(tǒng)結構

井下KJD30Z本安型監(jiān)控站安裝在泵房控制室內，完成控制現(xiàn)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(xiàn)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(jiān)控站通訊，可實現(xiàn)單臺水泵的控制，在自動方式下接收KJD30Z本安監(jiān)控站下發(fā)的控制命令實現(xiàn)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(xiàn)場的各種模擬量信號或開關量信號轉換為總線信號發(fā)送給KJD30本安監(jiān)控站。

2 系統(tǒng)控制方式的改進

2.1 人工控制經驗

改進系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(wěn)定狀態(tài)，將閘閥向回關適當時間再等待，等到壓力穩(wěn)定后再繼續(xù)開閥。這樣就形成了一個比較簡單的反饋控制系統(tǒng)，通過對壓力和其他現(xiàn)場情況的判斷來控制電動閘閥的開停。

2.2 初步改進

系統(tǒng)模擬人工控制的邏輯改進啟泵時的控制方式，監(jiān)測的輸入參數(shù)主要是排水泵的出口壓力。根據現(xiàn)場實際情況，將壓力變動范圍劃分成幾個不同的范圍，執(zhí)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(tǒng)經過上述改進后，在現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)場調查分析，發(fā)現(xiàn)改進后的系統(tǒng)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(tǒng)采樣間隔偏大。出水口壓力用KCC2-2監(jiān)測，采樣周期為1 s，相對于壓力跳動而言間隔偏大。（2）執(zhí)行機構延時。執(zhí)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(tǒng)進一步改進

（1）縮短系統(tǒng)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(shù)據實時可靠。該方式的副作用是增大了總線數(shù)據量。由于現(xiàn)場泵的數(shù)量不多，只配置了5個KCC2-2，在5 kbit/s的波特率下對系統(tǒng)不會產生大的影響。（2） 引入PID控制算法。為了減小系統(tǒng)震蕩，引入PID控制算法，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。模擬PID控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 模擬PID控制系統(tǒng)原理

PID調節(jié)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(tǒng)經過再次改進后，應用情況有了明顯改善。表1為系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)改進前后對比

閘閥開動作

次數(shù) 閘閥關動作

次數(shù) 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

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