礦井排水設備智能控制系統(tǒng)的分析

金鵬生，王祥辰

（山東黃金股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261400）

1 現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)的研究狀況及存在問題

隨著國家研發(fā)能力的逐漸增強，為進一步解決礦井中排水問題，國家相關學者及研究機構也加大了對礦井排水系統(tǒng)的相關設計及優(yōu)化升級設計，主要包括：排水泵的更換、排水系統(tǒng)控制的改進、排水巷道的合理布局、其他排水設備的改造等，并將當下更加先進的控制技術應用到排水系統(tǒng)中，如：神經(jīng)網(wǎng)絡技術、模糊算法等，通過這次硬件的優(yōu)化與軟件算法的改進，達到礦井排水系統(tǒng)的最優(yōu)控制的目的。但礦井排水控制系統(tǒng)在實際應用中仍存在理論與實際無法有效匹配的應用問題，以某金礦中的排水系統(tǒng)存在問題為例進行分析，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）排水系統(tǒng)中的設備無法最大效率、最大功率地運轉，部分設備處于靜置或閑置狀態(tài)，未實現(xiàn)設備的充分利用。

（2）排水系統(tǒng)中的排水設備，如排水泵、閥等，大部分仍采用手動方式進行控制，暫未實現(xiàn)設備的遠程及自動化控制，即使部分設備實現(xiàn)了自動化控制，但在使用中仍存在系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、信號響應速度慢、信息易誤報等問題。

（3）現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)對信號的采集種類相對較少，顯示界面的功能也相當單一，控制中心的運行速度相對緩慢，部分信號仍需采用現(xiàn)場收集儀表信息，再輸入至上機位控制軟件中進行信息分析處理，造成了整個排水控制系統(tǒng)的自動化、遠程化控制功能未得到有效實現(xiàn)。

2 智能控制系統(tǒng)結構設計

2.1 視頻監(jiān)控單元設計

視頻監(jiān)控單元的硬件主要包括光端機和防爆攝像機。監(jiān)控攝像機能實時記錄泵房的狀態(tài)，并輸入監(jiān)控設備。

2.2 現(xiàn)場控制臺設計

主要由觸摸屏、指示燈和物理按鈕組成。物理按鈕主要用于現(xiàn)場操作，指示燈顯示各設備的實時狀態(tài)，觸摸屏顯示泵房的各種運行參數(shù)。

2.3 井下泵房PLC控制單元設計

智能排水系統(tǒng)核心控制器是以PLC為主。系統(tǒng)設置了2種控制策略：①動態(tài)規(guī)劃的多水平協(xié)同策略；②“避峰填谷”的控制策略。經(jīng)過邏輯運算,PLC輸出相關指令,實現(xiàn)水泵的控制。

2.4 上位機監(jiān)控單元設計

主要由光端機和礦用監(jiān)控顯示器組成,系統(tǒng)采用iFix組態(tài)進行的軟件的編寫。

3 避峰就谷控制策略

采用傳統(tǒng)的避峰就谷控制方案，主要是把積水區(qū)域的水位高度劃分為不同的警戒等級，當在用電低谷期如果水位超過了設定的警戒水位系統(tǒng)就啟動，當在用電高峰期時則盡量不啟動排水泵，通過簡單的控制實現(xiàn)避峰就谷，但該類控制方案存在著在用電的低谷期無法將積水區(qū)的水持久維持在最低水位，也就無法為用電高峰期騰出更多的庫容，提高了在用電高峰期開啟水泵的次數(shù)，增加了電能消耗。因此本文所提出的礦井排水設備智能控制系統(tǒng)采用了改進型的避峰就谷控制策略，在用電低谷的時候同時開啟多臺排水泵，將水位持續(xù)維持在最低控制警戒線，為用電高峰期的積水騰出盡可能大的庫容，從而降低用電高峰期的排水量。在排水控制的過程中系統(tǒng)會根據(jù)水位下降的速度決定同時開啟的水泵數(shù)量，實現(xiàn)輪換運行，增加排水泵的使用壽命，確保排水的經(jīng)濟性。假設某個積水區(qū)域的排水警戒水位為3.4m，最低控制水位為1.5m。

在該控制系統(tǒng)作用下，在用電低谷期（0點～8點）排水系統(tǒng)同時啟動的水泵數(shù)量逐漸降低，在8點前將水位控制在最低水位以下，在用電高峰期騰出了大量的庫容，從而有效降低了水泵在白天工作的時長和數(shù)量，提高了排水的經(jīng)濟性，根據(jù)統(tǒng)計，應用該系統(tǒng)后能夠將排水成本由1.78元/m3降低到1.12元/m3。

4 水倉水位傳感器測量原理

該控制系統(tǒng)對排水控制的精確性取決于液位傳感器對水倉水位監(jiān)測結果的準確性，提出了一種超聲波液位傳感器，將該傳感器設置在積水區(qū)域的頂板，通過計算發(fā)射和接收的超聲波的時間差來對積水水位高度進行實時監(jiān)測，假設h1表示超聲波傳感器發(fā)射頭距離水面的距離，h2表示超聲波傳感器發(fā)射頭距離水底的距離，設聲波的傳遞速度為v，假設發(fā)射、接收的時間為t，則h1=vt/2，則水位高度h=h1-h2。

5 排水系統(tǒng)監(jiān)測控制的設計

礦井排水監(jiān)測控制系統(tǒng)要求能夠實時對工作面水倉內各項參數(shù)、水泵運行狀態(tài)及水泵電機軸承溫度等參數(shù)進行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果基于PLC控制器進行控制，同時將監(jiān)測結果通過上位機實時顯示并存儲于上位機。根據(jù)上述控制需求為排水監(jiān)測系統(tǒng)配置地面監(jiān)控主站、PLC控制層以及數(shù)據(jù)采集層三個層次。

（1）數(shù)據(jù)采集層功能的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集層的主要功能是工作面設備各項參數(shù)指標的實時監(jiān)測。因此，需根據(jù)排水監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目，為其配置對應的傳感器等器件。

（2）PLC控制層。根據(jù)節(jié)能排水系統(tǒng)的控制需求，要求PLC控制器能夠實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集層和地面監(jiān)控主站之間進行數(shù)據(jù)通信。因此，要求所選型PLC控制器具備模擬量輸入模塊（實現(xiàn)水泵及其電機各項運行參數(shù)的傳輸）、數(shù)字量輸入模塊（電動閥的啟停控制、水泵啟停反饋信號的傳輸）以及數(shù)字量輸出模塊（對水泵電機、電機軸承溫度的過保護以及故障報警等）。

結合所需控制的數(shù)字量和模擬量，為節(jié)能排水系統(tǒng)配置S7-300系列的PLC315-2PN/DN的控制器，并為其擴展四個SM321數(shù)字量輸入模塊，兩塊SM322數(shù)字量輸出模塊和兩塊SM331模擬量輸入模塊。

（3）地面監(jiān)控界面功能的實現(xiàn)。地面監(jiān)控界面主要是對水泵及電機等運行參數(shù)的顯示和存儲，并對設備運行故障進行報警的功能。

6 排水控制系統(tǒng)主要分系統(tǒng)的設計

6.1 PLC控制器的匹配設計

PLC控制器是整個排水系統(tǒng)的控制核心，故結合排水系統(tǒng)的工作特點，選用了歐姆龍公司生產(chǎn)的CJ1系列PLC控制器，其結構包括模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、開關量輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊。其中，模擬量輸入模塊采用了24V電源設計，可直接通過CPU中的電壓進行供電，且在其模塊上設置了多個輸入點，主要用于接收排水系統(tǒng)中的液位信號、溫度信號、水泵信號、流量信號、負壓信號等，并以電流形式進行信號輸入；而開關量輸入模塊選用了IA201模塊，其輸入電壓為AC100V～120V，電流為12mA，并設置了32個點數(shù)，主要用于接收真空泵的開關信號、液位開關信號、閘閥開關信號、球閥到位信號等，其內部的濾波電路，可對外部干擾信號進行有效隔離。整個PLC控制器具有較高的控制性能，能較好地滿足井下排水系統(tǒng)的有效控制，保證井下作業(yè)環(huán)境的安全。

6.2 控制系統(tǒng)各類傳感器的匹配設計

雖整個排水控制系統(tǒng)是排水系統(tǒng)的分系統(tǒng)，但其系統(tǒng)結構也相對復雜，需設計多種傳感器來完成井下不同參數(shù)的信號采集與檢測。故結構排水控制系統(tǒng)的功能特點，配備了流量檢測器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器等，以分別實現(xiàn)對排水系統(tǒng)中不同信號參數(shù)的檢測。其中，流量檢測采用了西門子的MAG3100型，主要用于檢測排水管道中的水流量情況，該元件可檢測0.3m/s～20m/s范圍內的流速，具有較強的抗干擾性及穩(wěn)定性。溫度傳感器選用了ZN17-BKG-WD型，主要用于檢測井下水泵電機的工作溫度，以保證設備的安全運行；該設備中配備了Pt100的鉑熱電阻，具有較高的防爆性能。而液位傳感器則采用了SI-TRANS型超聲波液位計，其檢測頻率為50Hz～60Hz，可完成對井下水位的檢測。另外，壓力傳感器則采用了GYD60型號，主要用于檢測出水管道處的壓力大小，其工作電壓為24VDC，可準確地檢測進水管和排水管處的壓力變化。由此，完成了排水控制系統(tǒng)中關鍵檢測設備的匹配選型。

6.3 控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的設計

監(jiān)控界面是整套排水控制系統(tǒng)的重要組成部分，故采用MCSG組態(tài)軟件，開展了排水控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面的設計。通過該界面可將井下水管、各處壓力、各開關狀態(tài)、各閥的啟停等狀態(tài)進行直觀顯示；同時，與傳統(tǒng)界面相比，在新的顯示界面上增設了記錄顯示功能，通過該按鈕可將整個排水控制系統(tǒng)的運行時間、設備運行狀態(tài)、故障累計情況等信息進行實時記錄和直觀顯示。另外，整個顯示界面顯示更加流暢、報警功能更加全面，操作人員能直接通過顯示界面，對整個排水系統(tǒng)的運行情況進行信息的實時掌握和設備運行狀態(tài)的準確把控，并能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障的發(fā)生位置和采取相應的故障解決措施，由此大大提高了排水監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、遠程化控制程度。

7 排水控制系統(tǒng)應用情況的分析

結合前文分析，完成了礦井中排水控制系統(tǒng)的改進設計。為進一步驗證該系統(tǒng)的綜合性能，將其在金礦中進行了應用驗證，對金礦現(xiàn)有的排水監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化造測試。測試結果表明，改進后的排水控制系統(tǒng)各項功能運行正常，與原來系統(tǒng)相比，能更加準確、全面地將井下排水中的壓力、溫度、流量、設備啟停狀態(tài)等信號進行檢測，并通過顯示界面進行直觀顯示，同時，操作人員也能在監(jiān)控室對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。據(jù)現(xiàn)場人員介紹，改進后的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和信號檢測精度更高，預估可使排水系統(tǒng)的工作效率提高30%左右，排水系統(tǒng)故障檢修時間縮短50%左右，效果良好。

8 結論

通過對離心泵的結構和礦井的排水方式進行分析，設計了系統(tǒng)的功能和排水單元，系統(tǒng)的功能主要有水泵自動輪換、智能控制、多水平協(xié)同控制、多樣化控制等，排水單元的硬件主要包括排水管道、檢測儀表、起泵設備、驅動電機、閥門、離心泵等組成。然后分析了排水單元的工作流程。研究為礦井安全、智能排水提供了理論基礎。