渦北煤礦地面集中式降溫控制系統設計與應用

汪開松

（煤炭工業合肥設計研究院有限責任公司，安徽 合肥 230041）

隨著我國煤礦的開采深度日益增加，地溫隨開采深度逐漸升高，加上井下大型裝備等其他熱源的放熱作用，使得煤礦井下熱害日趨嚴重。在高溫環境下作業，會使勞動生產率下降，破壞人體熱平衡，嚴重損害工人身體健康，同時嚴重威脅井下安全，并易引發災害和事故。渦北煤礦由于埋深大、工作面走向長、供風距離遠，工作面溫度達36～37 ℃，濕度達86%～95%，遠超過我國《煤礦安全規程》[1]的規定。雖然采取了一些降溫措施（如局部降溫、輸送冰塊等），但夏季仍有工作人員發生中暑現象，既危害了職工的身心健康，又影響了礦井的正常生產及接替。因此對渦北礦井開展熱害治理，有著十分重要的意義。

1 工程背景

渦北井田位于安徽省渦陽礦區東部，淮北平原西部。該井田為全隱蔽含煤區，鉆探所及地層由老到新依次有石炭系、二疊系和新生界。井田構造復雜程度為中等，局部中等偏復雜。全井田劃分為一個水平，水平標高為-640 m。該井田恒溫帶深度為30 m，恒溫帶溫度為17.1 ℃，地溫梯度為1.88～3.33℃/百米，平均為2.75 ℃/百米；-640 m 水平地溫為35 ℃，增溫率為36.3 m/℃。建井期間的實測數據：-450.1 m 處原始地溫29.9 ℃，-504.77 m 處原始地溫31.3 ℃，-555.89 m 處原始地溫32.6 ℃。計算地溫梯度2.55 ℃/hm，據此計算-640 m 處原始地溫34.74 ℃，已進入一級高溫區。

由于該井田煤層埋藏深、井田范圍大、地溫較高、開采強度較大，礦井自建井以來，采掘工作面的氣溫大部分月份已超過我國有關法律、法規的規定。為改善井下工作條件，保證職工身體健康和礦井正常生產需要，渦北煤礦于2009 年建設了制冰降溫工程，總制冷量為5000 kW。

該制冰系統經過十多年的運行，目前制冷能力已無法完全滿足井下采掘工作面的降溫需要，原制冰降溫系統考慮服務于北翼的82 采區和南翼的81采區。該設計新建的地面集中制冷降溫系統主要服務于北翼的84 采區、標高范圍為-780～-1000 m 和南翼的85 采區、標高范圍為-500～-700 m。經現場調研和可行性分析，決定對渦北煤礦進行降溫系統改造，建設一套地面集中式礦井降溫系統，同時配套建設集中監控系統，實現“管”“控”一體化，并為智能化礦井建設提供硬件、軟件基礎。

2 地面集中監控系統設計[2-5]

2.1 工作面需冷量計算

根據等效溫度計算公式，井下采煤工作面風速2.5 m/s 時，干球溫度30 ℃，濕度85%時，計算等效溫度為26 ℃。因此，該設計降溫標準選取26 ℃等效溫度，換算成干球溫度為30 ℃。

以渦北煤礦-640 m 水平842 工作面為例，其相關參數見表1。

表1 渦北煤礦-640 m 水平842 工作面相關參數

采掘工作面需冷量計算公式：

式中：Q為采掘面需冷量，kW；G為采掘面的質量風量，kg/s；i1為處理前采掘面的進風流焓值，kJ/kg；i2為處理后采掘面的進風流焓值，kJ/kg。

G=回采面風量（2300 m3/min）/60×風流密度（取1.25 kg/m3）=47.93 kg/s。

Δi=焓差（145.8-90.8）

= 55 kJ/kg（從空氣焓濕圖中讀取）。

Q=47.93×55=2636 kW。

842 工作面計算需冷量為2636 kW。

2.2 制冷量分析

地面集中制冷降溫系統制冷量由采、掘工作面的需冷量、供冷管道和設備冷損量及循環水泵溫升三部分組成。

根據-640 m 水平需降溫采、掘工作面的總需冷量，分前期（2020 年）及后期（2021 年—2029 年）兩個時間段分別計算。供冷管道、設備冷損量分為一次供冷系統及二次供冷系統兩部分。其中二次供冷系統為由井下降溫硐室至工作面供冷管網及設備冷損；一次供冷系統為由井下降溫硐室到地面制冷機房供冷管網及設備冷損。根據井下采場規劃，二次供冷系統單程供冷最遠距離為5218 m。根據總圖布置，井下降溫硐室至地面制冷機房一次供冷系統單程最遠距離為825 m。一、二次供冷系統冷水母管管徑及壓力等級設計按系統終期規模考慮。渦北煤礦地面制冷機房各時期制冷負荷估算詳見表2。

表2 渦北煤礦集中降溫系統各時期冷負荷計算 kW

根據不同時期井下負荷發展情況，同時結合礦井遠期84 采區深部規劃（約15 年后）情況，礦井近期建設兩個制冷單元，每個制冷單元制冷量為5000 kW。結合兩淮礦區礦井使用經驗，降溫系統使用時間多集中在每年的5～10 月，年運行時間將小于九個月，故該設計確定建設兩個制冷單元，形成10 MW 的總制冷規模。

2.3 地面集中監控系統網絡架構

集中監控管理層（主干網）采用1000 M 光纖工業以太網單環網結構，現場控制層采用PROFIBUS DP 總線通信。現場控制層按照控制對象的結構分布特點，分為地面控制系統和井下控制系統。系統網絡拓撲圖如圖1。

圖1 系統網絡拓撲圖

2.4 地面集中監控系統硬件設計

渦北煤礦降溫集中監控系統控制設備主要包括地面控制主站、井下控制主站、監控管理工控機、控制網絡交換傳輸系統等。地面制冷機房數據來源于現場，井下系統、化水系統、離心機組數據均來源于子系統及相關設備。

1）地面控制主站，采用S7-315PLC 為主控制器，配置接口模塊、I/O 模塊、PB-B-MOSBUS 協議總線橋。地面主站通過I/O 模塊可采集地面制冷機房溫度、壓力、流量等模擬量信號以及現場制冷機組、水泵、閥門的狀態信號，遠端控制現場設備的啟停。通過PB-B-MOSBUS 協議總線橋將地面離心式制冷機組的故障信息及設備運行信息采集至PLC，可根據冷凍水回水溫度實現制冷機組的負荷控制、冷凍水泵與制冷機組聯動、冷卻水泵與冷卻塔水位的聯鎖控制，溫度與冷卻塔風機聯動，電動閥與機組、水泵的聯動，系統一鍵啟動等功能。

2）工業交換機，可為網絡中的設備提供更多的連接端口。本次設計采用的交換機具有4 個千兆SFP、24 個1000BASE-T 以太網口、支持POE 供電等特點，為數據傳輸提供穩定的信息交換。

3）工控機，主機采用Dell 工作站，考慮到工控軟件的兼容性，系統采用win10 專業版，顯示器采用27 寸2K 分辨率，通過以太網與地面制冷主站及專業工業控制軟件交互。針對渦北煤礦地面集中式礦井降溫控制系統，實現數據采集、數據處理、數據記錄、畫面展示、報警、自動生成報表等功能。

2.5 地面集中監控系統軟件設計

渦北煤礦集中降溫控制系統軟件設計主要包括：上位機組態軟件和PLC 可編程邏輯控制器編程軟件。上位機監控軟件采用WINCC7.4SP1 組態編程，包含系統的總覽、地面系統、井下系統、化水車間、高壓配電系統、離心機系統、報警頁面及報表查詢畫面等；上位組態軟件為WINCC V7.4 RC 8192 及WINCC V7.4 RT 8192。

PLC 可編程邏輯控制器編程軟件選用與硬件配 套 的SIMATIC STEP7 Version 5.6。STEP 7 用SIMATIC 管理器對項目進行集中管理。STEP 7 具有以下功能：硬件配置和參數設置、通訊組態、編程、測試、運行和診斷功能等。

3 地面集中監控系統的實現

3.1 控制系統策略

渦北降溫集中監控系統對溫度、壓力、流量等工藝參數進行實時監控，在降溫系統井下二次側冷量分配對于制冷效果及節能減排方面有著重要意義。井下二次側冷量是由供回水溫度和供水流量共同決定的，二次冷凍水供水溫度恒定，保持回水溫度達到預期設定值，調節電動調節閥的開度，便可以控制冷量供給量。

PID 控制算法成熟，便于掌握，廣泛運用在工業過程控制系統。考慮到末端往各個分站供冷，調節閥數量不止一個，各個調節閥之間存在壓力耦合，且二次冷凍水回水溫度滯后較大。為了使制冷量更加精確，PID 控制算法不能滿足控制要求，經過多年的研究與改進，在傳統PID 算法的基礎上，開發了BP 神經網絡PID 控制算法。BP 神經網絡PID 控制算法應用廣泛，控制精準，針對性強，所以本項目可采用基于BP 神經網絡PID 控制算法對系統優化，實現冷量的精準控制。BP 神經網絡PID 控制系統結構如圖2。

圖2 BP 神經網絡PID 控制系統結構

3.2 地面集中監控系統組態實現的主要功能界面

在該設計的監控系統，根據控制工藝的需要實現以下主要功能界面：

1）登錄權限設置及用戶管理功能；2）設置3D 地面制冷機房系統總覽；3）設置地面制冷機房工藝流程圖、井下工藝流程圖；4）設置現場設備控制界面；5）設置實時數據趨勢圖；6）設置報警界面并對報警界面匯總；7）設置報表生成功能并將數據導入至Excel。

為保證本降溫系統有序、高效運行，并實現對整個降溫系統的監控，SCADA 系統組成框圖及功能框架如圖3。

圖3 系統組成框圖及功能框架

3.3 地面集中監控系統的接入子系統

集中控制系統總貌是根據現場實際設備布置利用3Dmax 軟件建立模型后導入Wincc 項目中，使工作人員更直觀地掌控項目供回水溫度及機組運行狀態。

1）總覽

總覽界面設計目的是打破傳統二維界面粗糙、不友好的人機交互界面，利用建模技術，將三維界面引入到工業控制系統中，具有生動、直觀等特點。

2）制冷機房

地面集中控制制冷機房系統，地面制冷機房的PLC 為主控PLC，上位機通過TCP/IP 通信協議PLC 建立連接，由CPU 進行數據采集和處理等，用于顯示地面制冷機房工藝流程及設備運行狀態、參數，并具備對設備遠程控制，智能邏輯處理等功能。

3）井下系統

井下系統具有兩個PLC 控制站，井下控制主站和管路分站，井下控制主站PLC 與管路分站PLC建立通信。井下控制主站通過采集分站供冷流量、供水溫度、回水溫度，自動調節井下二次冷水泵頻率，達到節能減排的功效。地面控制主站由礦井環網通過S7 通信協議采集井下控制主站數據，供工控機顯示，并對地面一次供冷水泵變頻調節提供數據來源。

4）高壓配電系統

電氣后臺設通信管理機IEC60807-5-103 規約采集變電所電氣綜保裝置信號，集中控制系統通過OPC[6]協議讀取信息，工控機上組態顯示電氣高壓系統的一次系統圖，監控電氣系統的分合閘及電氣參數。

5）化水系統

化水系統是集成系統內軟化水的生產及輸送工藝流程，地面控制主站根據冷卻塔水池及膨脹水箱水位高低變化自動啟動化水系統除鹽水泵補水等。

6）報表系統

報表系統將對生產過程中重要的壓力、溫度、流量、液位等參數進行記錄，每分鐘記錄一次，數據輸出到Excel 中，同時生成日報表，方便生產記錄及日后故障診斷分析。

7）趨勢圖系統

趨勢圖系統是將取樣模擬量信號繪制成曲線圖，供操作員查看參數趨勢變化，提供歷史趨勢查詢。

4 降溫系統冷量建模及仿真結果分析

4.1 井下二次冷凍水流量控制系統建模

系統仿真選用MATLAB 軟件，通過Simulink搭建流量控制仿真數學模型。由于井下二次冷凍水末端輸冷管路具有大時滯，各個管路分站之間具有壓力耦合關系，經研究文獻以及工業自動化控制實例后，本次設計選用二階系統對流量控制系統進行仿真建模。其傳遞函數具體如式（2）。

4.2 控制系統仿真結果分析

通過MATLAB/Simulink 軟件，對基于BP 神經網絡PID 控制算法設計的降溫冷量控制進行仿真分析。冷量控制系統在MATLAB 中仿真模型如圖4。

圖4 流量控制系統仿真模型

整定PID 各項參數時，經過多次調試和查閱資料，確定Kp=0.8，Ki=0.23，Kd=0.4 時，仿真結果較好。圖5 為采用BP 算法的PID 控制系統仿真曲線與傳統整定PID 參數對比。由圖可得兩種方式都可以使得系統趨于穩定，但基于BP 神經網絡的PID 控制算法超調同比傳統PID 縮小，系統調節時間較傳統PID 要短，且穩態誤差比傳統PID 要小。BP 神經網絡PID 控制算法和傳統PID 控制算法性能對比數據見表3。

表3 BP 神經網絡PID 控制算法和傳統PID 控制算法性能對比

圖5 基于BP 神經網絡PID 與傳統PID 仿真曲線對比圖

5 結論

渦北煤礦礦井集中降溫控制系統自投入使用以來，除實現設備遠程監控、設備超溫保護、過載保護等功能外，可采用基于BP 神經網絡PID 控制算法對系統優化，實現二次冷量的精準分配，以達到節能減排的效果。引入3D 建模技術，提供更加友好的人機交互界面，通過通信技術將整個降溫系統的子系統全部納入集中監控系統，提高了降溫系統的生產效率，達到減員增效的效果，并預留與礦井調度通信接口，為礦井綜合自動化系統提供相關基礎數據。