基于井下排水最優控制理論的研究與應用

摘要：在開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業分公司的井下205泵房安裝了自動化排水控制系統，通過井下工業以太網將水泵房的數據上傳至調度控制中心實現遠程集中控制，并且根據公司井下三個排水水泵房水位、用電峰谷段時間、各臺水泵效率編制控制程序，使得排水系統達到最優化，實現經濟合理的最優排水控制系統。

關鍵詞：井下排水；自動化控制；最優控制理論；水泵房；調度控制中心；遠程集中控制 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP335 文章編號：1009-2374（2017）06-0215-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.107

1 概述

我公司205水泵房負責將二、三、四水平涌水排至地面，共有MD450-60×10多級耐磨離心泵12臺。在205泵房安裝集中控制柜和就地控制柜、攝像頭、正壓傳感器、負壓傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、超聲波液位計等控制設備，實現泵房自動化控制。

2 系統簡介

2.1 205水泵集中控制柜

集中控制柜為礦用一般型，型號為：KXK10/380，生產廠家為：唐山東潤自動化工程技術有限公司，PLC為西門子CPU 317-2 PN/DP，繼電器選用施耐德品牌，斷路器、按鈕、指示燈等器件采用西門子品牌。集中控制柜具備低壓配電和自動切換電源功能，具備過流、漏電等保護。內置UPS，集控柜面板上嵌入15寸觸摸屏，型號為：PH24M（B），方便操作人員了解水泵房內設備運行狀況。

集中控制柜作為排水自動化核心主要是根據水倉水位、峰谷時間、水泵效率等，實現水泵的合理啟停調度，達到安全、節能和無人化運行。

集中控制柜PLC和就地控制柜PLC之間交換數據采用西門子工業專用Profibus-DP網絡，保證穩定性，集中控制柜PLC和就地控制柜PLC之間由以太網連接，可從井上對各個PLC控制柜進行遠程維護及編程，并且集中控制柜提供西門子以太網接口，將水泵房數據上傳到地面全礦井自動化平臺。

2.2 205水泵就地控制柜

每臺水泵旁邊安裝一臺礦用一般型就地控制柜，型號為：KXK10/380，生產廠家為：唐山東潤自動化工程技術有限公司，PLC為西門子CPU 315-2 PN/DP，繼電器選用施耐德品牌，斷路器、按鈕、指示燈等器件采用西門子品牌。在與主站通訊失敗時，可以獨立完成單臺水泵控制過程。實現水泵的一鍵順序啟停、參數檢測、故障保護等功能，就地控制柜面板上安裝一塊10寸真彩觸摸屏，型號為：PH24M（B），方便顯示電機供電回路狀態、流量、水泵溫度、電流、功率等，并且就地控制柜內集成射流泵、真空泵控制回路和各電動閘閥配電控制回路。就地柜通過硬接線檢測閘閥狀態和輸出關啟命令，并將閘閥配電控制功能集成在就地控制柜內。配電裝置過流、過熱等相應保護齊全。

就地柜集成PLC控制和繼電器搭接的硬接線控制兩種控制方式，就地柜面板除觸摸屏外，還應具有手動操作各閘閥的按鈕和指示燈。

就地柜的操作模式有三種，通過旋鈕進行切換：

檢修：檢修模式下，完全脫離就地柜PLC，采用硬件繼電器搭接回路控制各閥門、電機等設備，相互之間不存在閉鎖關系，達到PLC出現故障可以就地開水泵的目的。

就地：該模式為每臺水泵的一鍵啟停，由就地柜檢測各類參數，自動PLC控制閥門、電機，實現水泵的順序啟動和停止，啟停命令由就地柜上的按鈕輸入。

遠程：該模式與就地模式類似，不同的是正常啟停命令由遠程（集控PLC發出）。

就地和遠程模式原則上由旋鈕開關確定，但當遠程系統采用應急授權時，可由軟件切換為就地柜的模式，而不受旋鈕的限制，確保在危急情況下的遠程控制。

2.3 壓力傳感器

采用電容式壓力傳感器，實現傳感器和變送器一體化設計。規格型號：GPD20（正壓），GPD100F（負壓），生產廠家為：唐山東潤自動化工程技術有限公司，額定電源24VDC，輸出信號為4～20mA，防護等級IP54，正壓測量范圍為0～10MPa，負壓測量范圍為

-100～0kPa。

在每臺離心水泵的出水口、吸水口分別裝設1只正壓力傳感器、1只負壓力傳感器。

2.4 水位傳感器

超聲波液位計可采用二線制技術，二線制為：供電與信號輸出共用；規格型號：GUW10，生產廠家為：唐山東潤自動化工程技術有限公司，超聲波物位計工作原理是由超聲波換能器（探頭）發出高頻脈沖聲波遇到被測物位（物料）表面被反射折回反射回波被換能器接收轉換成電信號。聲波的傳播時間與聲波的發出到物體表面的距離成正比。聲波傳輸距離S與聲速C和聲傳輸時間T的關系可用公式表示：S=C×T/2。適合各種腐蝕性、化工類場合，精度高，遠傳信號輸出，PLC系統監控。水位傳感器額定電源24VDC，測量范圍0～12m，輸出信號4～20mA。

2.5 流量傳感器

在每臺水泵的出水管路安裝一臺插入式超聲波流量計，產品型號：GLCS250/500，生產廠家為：唐山東潤自動化工程技術有限公司，額定電壓AC127V，輸出為4～20mA，帶數字顯示。

2.6 溫度傳感器

每臺水泵各安裝兩個插入式PT100型溫度傳感器，安裝在每臺水泵的前軸和后軸位置，檢測水泵前后軸承溫度。產品型號：GWP200-C，生產廠家為：北京威斯特中航機電技術有限公司，將電機內部已有的預埋PT100信號及水泵兩個插入式PT100接入到就地控制柜PLC溫度采集模板上，并在就地控制柜觸摸屏上顯示每個位置溫度。

2.7 防爆網絡攝像儀

目前甲方已有型號為KBA127防爆型攝像頭5臺，生產廠家為上海山源電氣股份有限公司，防爆攝像頭額定電壓為AC127V。乙方負責防爆型攝像頭的安裝、接線、調試工作，所采用的視頻監控軟件必須與甲方已有的攝像頭配套。對205水泵房水泵、電機、水尺等進行實時監控，并能準確監視水尺的變化情況，利用工業以太網進行傳輸。

2.8 視頻監視

在地面集控室配置網絡硬盤錄像機，用于監視防爆網絡攝像儀視頻圖像并存儲。硬盤錄像機為網絡硬盤錄像機，32個網絡攝像機接口，配置21寸顯示器，用于視頻存儲查詢。

2.9 上位機

在地面集控室配置上位機，實現遠程監視、控制。產品型號：IPC-610H，生產廠家為：研華股份有限公司，處理器為i7-2600，內存4G，硬盤500G，顯卡1G獨顯，組態軟件選用組態王無限點。顯示器為三星22"顯示器。

3 可實現功能簡介

（1）實現高效自動控制排水，達到無人值守的目的。集控室實現對205泵房的遠方監測和控制；（2）系統設置水泵的輪換運行功能，在滿足運行效率優先的情況下，調整均衡每臺設備的運行時間，實現水泵設備的輪換運行，延長設備使用壽命；在特定季節能夠強制輪換運行；（3）研發基于最優控制理論的軟件程序，根據305、405水倉水位、用電峰谷段時間，實現排水優化，合理調度各水泵運行時間，達到分時段用電，“躲峰填谷”，節省電費支出，降低排水能耗，實現經濟運行；（4）檢測水泵及其電機的工作參數。如水泵流量、壓力、軸溫、電機溫度、工作電流、電壓等參數；（5）根據水泵及電機的運行參數，精確測算水泵的運行效率及工況，并適時對其進行調節，為水泵的維護保養提供科學依據，具有參數越限報警、故障報警以及自動保護等功能；（6）控制方式具有遠方控制（上位機監控控制）、現場手動（設備檢修或者調試用）和現場自動（按單一啟停按鈕或液位傳感器自動控制）控制三種方式的選擇，三種控制方式互相閉鎖；（7）生成各種生產報表及統計、故障信息、設備運行狀況等信息，可人工修改投入設備的各種參數；（8）安全性的保證能實時監測涌水變化率、水位情況，從而進行突水情況下的應急措施，如聯合開泵等，保證泵房及變電所的設備安全；（9）上位機界面，當設備出現故障時，無論處于任何畫面，均應自動提示報警，顯示報警信息（告警類型、位置、時間、歷時等），可以匯總各種運行及故障信息，打印各類報表、事故記錄、歷史數據、統計報表等，實現智能化管理運行；（10）排水自動化具有開放性，可方便地將其他軟件接入現有軟件，也可將此軟件方便接入其他軟件，擴展能力強。同時能將排水自動化納入公司綜合自動化平臺，實現遠程操作、監測監視。

4 應用效果分析

基于井下排水最優控制理論的控制程序的研究與應用以后，一是井下泵房排水系統符合煤礦安全質量標準化的井下排水泵房宜采用集中控制的要求；二是實現了有人巡視、無人值守的管控模式，減掉值班人員6人，按照每人每年5萬元的工資成本計算，每年可節約工資成本30萬元；三是在躲峰填谷工作方面取得很大效益，目前205泵房每天平均開泵時間為40臺時（其中，峰段開泵時間為4臺時，平段開泵時間為17臺時，低谷段開泵時間為19臺時），6kV水泵電動機額定功率為1120kW，額定電流為130.1A。據統計，1#水泵電動機每天啟動2次，9#水泵電動機每天啟動2次，7#水泵電動機每天啟動2次，每天205泵房水泵電動機啟動次數共計6次，根據現場實際情況，205水泵電動機直接啟動電流為額定電流的6倍，為780.6A，直接啟動時間至少為20s。

205泵房“躲峰填谷”開泵，每年排水電費=1120×4×0.7739×365+1120×17×0.5407×365+1120×19×0.3250×365+1120×6×20×6÷3600×0.5407×365=759.17萬元。在未實現自動化控制以前205泵房每年的電費成本867.04萬元。應用自動化控制系統后，排水電力成本每年可節約成本107.87萬元，因此具有很大的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業分公司205泵房自動化改造設計說明書及技術要求[S].

[2] 煤礦安全規程[S].2016.

作者簡介：姚福海（1962-），男，開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業分公司機電經理，電氣高級工程師。

（責任編輯：周 瓊）