井下排水智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃 偉

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西長(zhǎng)治 047100）

0 前言

智能控制技術(shù)屬于一種綜合性技術(shù)，其把微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)等多種高新技術(shù)加以融合的一門學(xué)科[1]。通過(guò)應(yīng)用智能控制技術(shù)能夠確保產(chǎn)品生產(chǎn)的水平以及質(zhì)量等均有所提升，另外，還能夠降低人工作業(yè)強(qiáng)度，顯著地節(jié)省成本投入，減少能源以及資源的消耗數(shù)量[2]。煤礦開采過(guò)程中，會(huì)涉及到非常多的機(jī)電設(shè)備，而且不同的機(jī)電設(shè)備要能夠配合使用才可以確保開采作業(yè)能夠順利完成。所以，煤礦開采機(jī)電設(shè)備的控制系統(tǒng)也開始應(yīng)用智能控制技術(shù)。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，井下排水系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，若是在生產(chǎn)過(guò)程中井下的積水無(wú)法有效排出，將會(huì)極大地影響到煤礦正常生產(chǎn)，而若是水倉(cāng)發(fā)生溢水，將對(duì)煤礦開采造成極為不利的影響，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)導(dǎo)致人員傷亡[3]。所以，保證井下排水系統(tǒng)穩(wěn)定與可靠是確保煤礦開采安全的重要保障。

1 經(jīng)坊煤業(yè)井下排水系統(tǒng)問(wèn)題分析

經(jīng)坊煤業(yè)熱水倉(cāng)泵房承擔(dān)著熱水蓄水池供水工作，不過(guò)，在對(duì)泵房的實(shí)際控制過(guò)程中所采用的方法相對(duì)而言較為傳統(tǒng)，其是利用繼電器設(shè)備完成水泵的啟動(dòng)與停運(yùn)操作。在對(duì)水倉(cāng)實(shí)時(shí)水位、水泵真空度、出水位置的壓力值、水泵電壓與電流大小和水溫等進(jìn)行測(cè)試與監(jiān)控的過(guò)程中，全部需要人工進(jìn)行測(cè)量。開泵的時(shí)間點(diǎn)以及時(shí)長(zhǎng)等也是操作人員依照地面所反饋的蓄水池相關(guān)參數(shù)完成操作[4]。此種控制方法在很大程度上需要依賴于作業(yè)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從而導(dǎo)致很多安全隱患的存在，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性也相對(duì)差，不能對(duì)井下排水設(shè)備進(jìn)行集中控制，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的目標(biāo)，這與煤礦企業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展要求不相符[5]。另外，因?yàn)樵趯?shí)際排水環(huán)節(jié)，要求不同部門之間的人員參與，而且所需流程也相對(duì)復(fù)雜，這樣對(duì)于管理造成不利影響，若是其中某個(gè)環(huán)節(jié)存在問(wèn)題，就會(huì)使得熱水倉(cāng)發(fā)生溢流問(wèn)題，而熱水會(huì)流至大巷之中，導(dǎo)致排水降壓不夠及時(shí)，而且會(huì)使得作業(yè)面的溫度升高，作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境變得更為惡劣，因此，要求應(yīng)當(dāng)盡快針對(duì)井下排水系統(tǒng)進(jìn)行智能控制改造。

2 經(jīng)坊煤業(yè)井下排水智能控制系統(tǒng)整體方案

2.1 井下泵房現(xiàn)場(chǎng)情況

從泵房到熱水蓄水池設(shè)置有主要排水管道，管道的直徑大小為?250 mm，泵房排水的高度值是850 m，在排水管道的地面出后位置，還和分水倉(cāng)相互連接，正常情況下分水倉(cāng)與排水管道之間的閥門處在關(guān)閉狀態(tài)，所排水均會(huì)注入之蓄水池之中。在水泵房之中設(shè)置有2臺(tái)水泵設(shè)備，水泵的型號(hào)均為YB-5604型號(hào)，水泵揚(yáng)程為930 m，額定排水量為420 m3∕h，工作效率為76%。兩個(gè)水泵均使用相同的射流水源進(jìn)行引水，目前排水系統(tǒng)采用人工控制的方式，主要是借助于繼電器裝置加以控制，實(shí)際操作過(guò)程中非常的繁瑣，而且水泵的啟動(dòng)時(shí)間也相對(duì)長(zhǎng)，很多設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)唯有依靠人工方式進(jìn)行測(cè)量，不能達(dá)到集中控制的目標(biāo)，系統(tǒng)的運(yùn)行效率相對(duì)較低，而且可靠性相對(duì)差，調(diào)度室人員也無(wú)法直接獲取到水泵方的具體運(yùn)行情況。

2.2 智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

就目前經(jīng)坊煤業(yè)水泵房排水系統(tǒng)在實(shí)際控制過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，在全面的調(diào)研與分析之后，充分利用工業(yè)以太網(wǎng)、計(jì)算機(jī)以及傳感器裝置等，對(duì)控制系統(tǒng)加以改造，確保井下排水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制。

所構(gòu)建的智能監(jiān)控值整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在該智能控制系統(tǒng)之中，包含有地面控制室、蓄水池檢測(cè)站點(diǎn)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)以及泵房監(jiān)控站等。

圖1 熱水倉(cāng)泵房排水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（1）井下水泵房監(jiān)測(cè)站。井下水泵房監(jiān)測(cè)站是智能控制系統(tǒng)之中最為重要的部分，其包含有井下監(jiān)控主站、信息收集裝置以及信號(hào)傳感裝置等共同構(gòu)成。監(jiān)測(cè)站的核心控制元件為PLC裝置，型號(hào)為S7-300型，該裝置能夠接受來(lái)自于就地操作系統(tǒng)以及上位機(jī)裝置所發(fā)出的控制指令，同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)地收集信號(hào)傳輸裝置所輸送的各種參數(shù)信息，并且還會(huì)實(shí)時(shí)地與地面監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行信息交流。借助于就地操作系統(tǒng)之中的控制開關(guān)以及觸摸屏等設(shè)備，能夠?qū)φ麄€(gè)排水系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備加以集中管理與控制，還可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）地面監(jiān)測(cè)分站。地面監(jiān)測(cè)分站同樣屬于智能控制系統(tǒng)之中的監(jiān)控單元，其所應(yīng)用的監(jiān)控裝置為PLC裝置，型號(hào)為S7-200，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄水池水位、水溫以及進(jìn)水流量等參數(shù)的全面監(jiān)測(cè)，并且可以將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)及時(shí)輸送到監(jiān)測(cè)主站，為水泵的開啟與停運(yùn)操作提供信息參考。

（3）地面監(jiān)控室。在井下以及地面所收集的各種數(shù)據(jù)信息，能夠利用基于iFix組態(tài)軟件所研發(fā)的上位機(jī)系統(tǒng)，將相關(guān)數(shù)據(jù)采取動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行加以展示，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目標(biāo)[6]。在上位機(jī)系統(tǒng)之中，會(huì)將相關(guān)的操作信息以及故障信息等全部記錄于數(shù)據(jù)庫(kù)之中，能夠供管理人員以及維修人員等實(shí)時(shí)查詢。在調(diào)度中心還設(shè)置有工業(yè)電視設(shè)備，能夠在線地現(xiàn)實(shí)水泵房監(jiān)控畫面，確保煤礦生產(chǎn)管理水平得以進(jìn)一步提升。

圖2 數(shù)據(jù)訪問(wèn)原理圖

2.3 通訊方案

本系統(tǒng)所采用的KEPServer EX軟件屬于世界范圍內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域中非常先進(jìn)的一種OPC服務(wù)器，其擁有極其強(qiáng)大以及優(yōu)良的工業(yè)通訊性能。在該智能控制系統(tǒng)之中，借助于OPC與煤礦安全自動(dòng)化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相連，并實(shí)現(xiàn)和PLC裝置之間的通訊功能。依照PLC實(shí)際設(shè)計(jì)要求，需要在KEP?Server EX軟件之中添加上Channel和Device，并利用Excel軟件事先編輯好所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器地址，然后進(jìn)行批量導(dǎo)入。在系統(tǒng)之中PLC裝置負(fù)責(zé)收集排水系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制工作，KEPServer EX服務(wù)器之中還安裝有PLC控制裝置的驅(qū)動(dòng)，從而能夠確保服務(wù)器可以實(shí)時(shí)地獲得PLC裝置之中儲(chǔ)存區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，然后，iFix組態(tài)軟件便能夠經(jīng)過(guò)OPC服務(wù)器客戶端而得到服務(wù)器之中各種數(shù)據(jù)信息，在經(jīng)過(guò)特定的分析與處理之后能夠提供給不同的功能模塊應(yīng)用。圖2為數(shù)據(jù)訪問(wèn)原理圖。

3 經(jīng)坊煤業(yè)井下排水智能控制系統(tǒng)智能控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)處于智能控制狀態(tài)下，依照水泵的不同編號(hào)以及計(jì)算得到的水泵開啟數(shù)量，PLC裝置能夠自動(dòng)控制水泵運(yùn)行。排水系統(tǒng)水泵智能控制流程示意圖如圖3所示。

圖3 水泵智能運(yùn)行控制流程圖

在智能控制系統(tǒng)接收到了開泵的指令之后，PLC裝置便會(huì)采取自動(dòng)控制的方式，首先對(duì)開泵的具體條件加以判斷，若是能夠達(dá)到條件，則事先預(yù)警30秒以對(duì)井下作業(yè)人員進(jìn)行提升。然后進(jìn)行抽真空作業(yè)以及注水作業(yè)，在滿足系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)最后，便將出水閥門關(guān)閉，此時(shí)便啟動(dòng)水泵裝置，并對(duì)出水口的壓力進(jìn)行檢測(cè)，在達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)便將出水閥門打開。

水泵進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，要是水泵裝置之中的注水高度值，或者是出水口位置的壓力值，在相應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)不能滿足系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)定的參數(shù)要求，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，然后PLC裝置便會(huì)發(fā)出停泵指令，自動(dòng)完成水泵停運(yùn)操作。進(jìn)行排水過(guò)程中，要是達(dá)到了水泵停運(yùn)的條件，或者是其中一些設(shè)備出現(xiàn)了故障問(wèn)題，則依舊會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)停泵操作。

依照智能優(yōu)化方案，結(jié)合“避峰就谷”的智能控制原則，更好地利用水倉(cāng)自身容積，處在電能使用谷段期間，應(yīng)當(dāng)盡量進(jìn)行排水作業(yè)，在電能使用的峰段區(qū)間，應(yīng)當(dāng)盡可能少地啟動(dòng)水泵[7]。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)注意的是，無(wú)論何種情況首先均應(yīng)當(dāng)確保井下排水作業(yè)能夠保障煤礦生產(chǎn)的安全性。

4 井下排水智能控制系統(tǒng)在經(jīng)坊煤業(yè)實(shí)際應(yīng)用的意義

（1）可以實(shí)現(xiàn)不同的控制方式。在采用智能控制系統(tǒng)之后，能夠?qū)崿F(xiàn)就地控制以及遠(yuǎn)程控制等兩種不同的控制方式。在采用就地控制時(shí)，不僅能夠進(jìn)行手動(dòng)控制，同時(shí)還能夠進(jìn)行自動(dòng)控制。而采用遠(yuǎn)程控制方式時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)地面控制中心遠(yuǎn)程的對(duì)水泵系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而能夠達(dá)到無(wú)人值守的目的。

（2）可以實(shí)現(xiàn)智能控制。在系統(tǒng)之中構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，能夠自動(dòng)計(jì)算用水量數(shù)據(jù)，依照供電系統(tǒng)的復(fù)合情況，結(jié)合不同負(fù)荷下的實(shí)際電價(jià)，確保排水系統(tǒng)能夠更加科學(xué)與智能地調(diào)度，達(dá)到“避峰就谷”的控制目標(biāo)，確保煤礦企業(yè)井下排水作業(yè)的成本能夠進(jìn)一步降低[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

以往所采用的控制方式以及策略等和企業(yè)的現(xiàn)代化管理要求不再適宜，而煤礦目前排水系統(tǒng)控制方式也和低碳環(huán)保理念不符，無(wú)法確保煤礦實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。因此，利用智能控制技術(shù)構(gòu)建智能控制系統(tǒng)對(duì)于煤礦企業(yè)現(xiàn)代化管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。