基于智能控制的井下排水系統的優化研究

范新凱

（中興煤業防突區抽采隊， 山西 交城 030500）

引言

當前，多數煤礦排水系統均采用的是“高低水位法”對排水系統的工作進行控制，在實際運行時，分別在積水區域設置初始水位線、高水位線及報警水位線。雖然該排水系統的方案初步實現了自動化，但其遠沒有達到自動運行的目的。在實際運行中存在著以下缺點[1]：

1）整個排水過程僅僅是簡單依據當前積水區域的水位情況這一單一因素，并沒有考慮突發的涌水情況，因此存在著較大的風險。

2）工作時，采取先運行一臺排水裝置進行排水，在排水過程中不斷觀察水位的變化情況，根據監測到的水位變化率決定是否需要增加排水裝置，這種運行模式帶有很強的試探性，靈活性差、排水效率低下。

3）該控制系統中，設定的三個水位線的高度很難通過計算得出，若將高水位線的數值定得高且與報警水位線之間的緩沖較少，則會導致經常在用電的峰值段進行排水作業；當高水位的數值定得較低，測試積水區域很難積存水，造成排水的裝置頻繁啟動，增加電能的消耗，同時也嚴重降低了排水裝置的使用壽命。

1 井下排水控制系統的優化方案

針對現有煤礦井下排水控制系統的缺點，采用優化設計的概念，對其進行優化。通過研究發現利用設置在積水區域的水位監測裝置，建立積水水位模型，計算出發生涌水時的涌水量。在該控制系統中引入涌水量的預測概念，控制系統盡可能在用電的低谷時間段進行排水，在用電的高峰期進行積水，最大程度地實現“避峰就谷”的自動化控制。

1.1 涌水量的計算

在煤礦井下，積水區域的涌水情況會受到多種因素的影響，其單位時間內的涌水量無法直接計算，假設在某一單位時間內的涌水量可以用前一個單位時間的涌水量進行估算。將積水區域假設為一個圓柱體的水倉，在單位時間t內的涌水情況可通過設置在積水區域的液位計進行自動測量。將開始時刻的水位高度設為Hx，將結束時候的水位高度設為Hx+1，將圓柱底面積設為S，則該積水區域的涌水水量可表示為[2]：

1.2 “避峰就谷”控制策略的優化

在傳統的“高低水位法”控制策略的基礎上，綜合考慮井下積水涌水及用電高峰和低谷的情況，在用電的低谷區段盡可能確保積水區域的水位保持在低水位線之下，確保其在用電高峰期能夠盡可能多儲水，從而確保在用電峰值排水裝置處于非工作狀態，實現節能。優化控制策略如圖1所示。

圖1 “避峰就谷”優化控制策略示意圖

1.3 排水裝置啟動數量控制策略的優化

在積水區域根據水位的情況，分別設置低水位、高水位及報警水位，在進行控制時要求積水區域的水位嚴禁超出報警水位，而當水位超過高水位時系統便自動啟動排水裝置，開始進行排水并進行報警，在啟動排水時同時開啟的排水裝置的控制流程如下頁圖2所示。

圖2 排水裝置啟動數量控制策略流程

由圖2可知，當在用電低谷區段時，若距離用電峰值開始的時間間隔為t，單位時間用水量為q，則其涌水量可表示為Q=qt，其超出低水位的積水體積為V，則需要排出的總水量為qt+V，若單個排水裝置的額定流量為qe，則此時需開啟的水泵數量n1可表示為[3]：

由式（2）可知，當n1≤2時，正常情況下需要開啟n1個排水裝置，在用電的高峰期到來之前將水位降到低水位以下，當n1＞2時，則系統控制開啟全部的排水裝置，確保在用電高峰期到來之前將水位降低到低水位以下。

當距離用電高峰期開始的時間間隔為t1時，則此時的涌水量可表示為Q1=qt1，在排水的過程中積水區域的水位增量可表示為VΔ=VH-Vx（VH表示為積水區域高水位的水量，Vx表示為當前的水量），此時如果Q1≤VΔ，則表明此時不增加水泵，在用電高峰到來前也不會達到高水位。當Q1≥VΔ時，這說明此時有溢倉的隱患，需要增加排水裝置，此時需要開啟的水泵數量為：

1.4 水位變化率計算方案的優化

對井下積水區域水位變化情況監測的準確性，是該自動化控制系統正常運行的基礎，因此在現有井下積水區域水位監測方案的基礎上，提出了一種新的水位自動監測方案。在該控制系統中分別設置投水位的變化率為Δh1，設置緊急水位變化率為Δh2，然后按優化后的排水裝置啟動數量控制方案，根據積水區域水位的變化情況進行合理調度。在工作中，若水位的實際變化率Δh1≤Δh，則依靠水泵輪換工作的控制流程，增加同時運行的排水裝置的數量，直到Δh1≤Δh≤Δh2，當該區域的排水裝置全部投入運行后依然無法確保水位下降，則系統發出報警，提醒相關區域的人員啟動應急預案。當水位實際變化率大于緊急水位變化率為Δh2時，系統離開啟動全部排水裝置，啟動應急排水[4]，優化后的積水區域水位判斷及處理流程如圖3所示。

圖3 水位變化率優化處理流程

2 新型排水系統的總體結構設計

在對排水系統控制流程進行優化的基礎上，針對現有煤井下排水系統的缺點，通過實際調查研究，提出了一種基于PLC控制、傳感器及工業局域網為核心的新型智能化排水系統，其整個控制系統主要包括井下泵房控制中心、工業局域網、地面控制中心等，其總體結構如圖4所示。

圖4 新型井下自動排水系統結構總圖

在該自動化排水控制系統中，處于核心地位的是井下泵房控制中心，其主要包括排水系統的控制主站及各類信息傳感器設備。采用PLC作為系統的控制核心，主要用于對各傳感器設備收集到的各類數據進行分析并完成與地面控制中心的通信，接收由地面控制中心傳送過來的各種控制命令。通過井下泵房控制中心操作控制臺可實現對該區域內排水裝置的集中監測與控制。

地面控制中心主要利用工業局域網與井下泵房控制中心互聯互通，利用iFix組態軟件將各種信息以圖表、曲線的形式在監控屏幕上進行顯示，便于控制人員對井下排水系統的實時監測與控制，其具有故障報警、遠程操控、記錄查詢等功能。

3 結語

煤礦井下排水系統用于將井下積水排出到地面上，保證井下的正常生產和作業人員的生命安全。優化后的煤礦井下自動化排水系統的應用，克服了原井下排水控制系統自動化程度低、控制流程繁瑣、靈活性差、應急速度慢的缺點，大幅提高了井下排水系統的安全性和可靠性。