張澤厚

（西山煤電（集團(tuán)）山西清洗科技有限公司，山西太原030053）

引言

排水系統(tǒng)能否可靠、高效地運(yùn)行關(guān)系著煤礦能否安全生產(chǎn)，國(guó)外在此方面起步較早，加拿大和芬蘭分別提出了數(shù)字化煤礦和智能化煤礦的概念，并利用PLC技術(shù)對(duì)現(xiàn)有煤礦機(jī)械設(shè)備做了改進(jìn)和整合，使其更符合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。而在國(guó)內(nèi)，自動(dòng)化排水系統(tǒng)依然沒有得到全面的推廣，21世紀(jì)初，張豐敏和王孝穎設(shè)計(jì)了智能化排水系統(tǒng)，并通過(guò)考慮水位變化和耗電量來(lái)達(dá)到節(jié)約用電的目的，但是很多煤礦依然采用人工操作模式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制，同時(shí)現(xiàn)有的自動(dòng)排水系統(tǒng)的控制策略依然存在著比較明顯的缺陷，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)“避峰填谷”，并且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)排水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水泵房的無(wú)人值守，具有完善故障處理措施，同時(shí)將涌水量作為是否開啟水泵以及水泵臺(tái)數(shù)的重要判據(jù)，從而達(dá)到節(jié)約電費(fèi)的目的，實(shí)現(xiàn)真正的“避峰填谷”[1]。

1 排水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能排水系統(tǒng)（見圖1）主要由地面集控上位機(jī)和井下控制系統(tǒng)組成。其中地面上位機(jī)與井下PLC控制柜通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)完成通信，上位機(jī)接收到井下排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)后通過(guò)組態(tài)界面顯示出來(lái)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水倉(cāng)水位、泵腔真空度、電機(jī)繞組溫度等，當(dāng)井下系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，上位機(jī)也會(huì)有警報(bào)顯示。

井下控制系統(tǒng)以PLC控制柜為核心，其不僅要接收各個(gè)傳感器以及設(shè)備反饋回來(lái)的信息，還要根據(jù)事先編寫好的程序分析處理這些數(shù)據(jù)，并做出合理動(dòng)作。井下控制系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分是就地控制箱，該裝置主要是由觸摸屏、按鈕和指示燈組成，工人通過(guò)控制箱可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，切換控制模式以及控制水泵的開啟和關(guān)閉[2]。

圖1 排水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC是硬件系統(tǒng)的核心，選用西門子的S7-300系列PLC，其中模擬量輸入信號(hào)有：排水總流量信號(hào)、電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)、電機(jī)的電流和電壓信號(hào)、水倉(cāng)的水位信號(hào)、水泵真空度信號(hào)等；數(shù)字量輸入信號(hào)有：急停信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)，水泵開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、電機(jī)故障信號(hào)、電磁閥開關(guān)返回信號(hào)、電動(dòng)閘閥開關(guān)返回信號(hào)、控制方式選擇信號(hào)等；需要PLC輸出的數(shù)字量信號(hào)有：水泵電機(jī)的開關(guān)、電動(dòng)閘（磁）開閉以及各種指示燈的開閉?？刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如下頁(yè)圖2所示。

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性，本課題給每個(gè)水泵各配置了一臺(tái)PLC控制柜和一臺(tái)就地控制箱，每一臺(tái)PLC控制柜都可以獨(dú)立的控制泵的啟停以及采集數(shù)據(jù)，工人可以通過(guò)控制箱得到水泵運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息并可切換模式就地控制泵的啟停，當(dāng)其他PLC控制柜發(fā)生故障無(wú)法工作時(shí)，也不會(huì)影響其他控制柜以及水泵的工作。正常情況下，選擇三臺(tái)PLC控制柜中的一臺(tái)作為主站，其他兩臺(tái)作為分站，這樣的話，就可以實(shí)現(xiàn)三臺(tái)水泵的集中控制，可以根據(jù)水位的高低選擇開泵臺(tái)數(shù)[3-4]。

通信方面，本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及觸摸屏通信，這樣上位機(jī)也可以遠(yuǎn)程修改觸摸屏組態(tài)界面。

圖2 井下排水系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 智能控制策略

3.1 傳統(tǒng)控制

由于水泵電機(jī)的功率普遍較大，所以排水系統(tǒng)的電費(fèi)支出一直在煤礦生產(chǎn)中占有比較大的比重，所以煤礦多采用“避峰填谷”的原則設(shè)計(jì)控制策略傳統(tǒng)的“避峰填谷”的控制策略多采用的是“高低水位”法，即在水倉(cāng)中劃分出三條線，分別是低水位、高水位和警戒水位，系統(tǒng)根據(jù)水位到達(dá)哪個(gè)線來(lái)判斷是否開泵以及開泵臺(tái)數(shù)，傳統(tǒng)排水策略流程如圖3所示[5]。

圖3 傳統(tǒng)排水策略流程圖

當(dāng)水倉(cāng)水位處于高水位時(shí)，如果此時(shí)不屬于峰段則開啟一臺(tái)水泵，如果屬于峰段時(shí)間則暫緩開泵，但是當(dāng)水倉(cāng)水位到達(dá)極限水位后，則無(wú)論是否處于峰段都會(huì)開啟一臺(tái)水泵。當(dāng)水倉(cāng)水位低于低水位時(shí)，則系統(tǒng)停泵。其中開泵臺(tái)數(shù)取決于水位下降的速度，如果水位下降速率較低，則選擇增開水泵。

但是這種控制策略本身存在著比較明顯的缺陷，比如其水位線的劃分主要是根據(jù)工人經(jīng)驗(yàn)，缺少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)計(jì)算；其依靠水位下降速率來(lái)決定開泵臺(tái)數(shù)，沒有考慮到涌水量的變化，如果涌水量較大時(shí)，這種控制策略就存在比較嚴(yán)重的滯后性，容易造成安全事故[6-7]。

3.2 改進(jìn)后的控制策略

本文引入涌水量作為開啟水泵臺(tái)數(shù)的重要判據(jù)，從而使水泵在電價(jià)谷段盡量多排水，減少電費(fèi)支出，同時(shí)將水倉(cāng)水位維持在一個(gè)比較低的水位，在電價(jià)峰段盡量少開水泵，充分利用水倉(cāng)容量。

“避峰就谷”優(yōu)化調(diào)度策略原理圖如圖4所示。

圖4 “避峰就谷”優(yōu)化控制策略原理圖

1）計(jì)算涌水量。我們?cè)O(shè)水倉(cāng)的底面積為S，則一段時(shí)間t內(nèi)涌水量即為S·ΔH，假設(shè)一段時(shí)間t開始時(shí)水倉(cāng)液位是Hx-1，而結(jié)束時(shí)為Hx，那么單位時(shí)間的涌水量公式即為：

2）開泵臺(tái)數(shù)確定（見圖5）方法。本系統(tǒng)也對(duì)水倉(cāng)水位設(shè)置了高低水位線以及警戒水位線，但不同的是，本系統(tǒng)在水位超過(guò)高水位時(shí)就啟動(dòng)水泵排水，從而確保水位不會(huì)高過(guò)警戒水位。

當(dāng)排水系統(tǒng)處于谷段時(shí)間且距電價(jià)峰段還有t1的時(shí)間，那么預(yù)計(jì)這段時(shí)間涌水量為Q1=qt1，而水倉(cāng)內(nèi)低水位線以上的水量為V，那么在谷段總的有qt1+V需要排出，假設(shè)泵的流量qe，那么需要開泵的臺(tái)數(shù)n1公式為：

圖5 確定開泵臺(tái)數(shù)流程圖

若得到的n1≤2，那么就開啟n1臺(tái)水泵進(jìn)行排水，盡量將水倉(cāng)水位維持在低水位。

若得到的n1＞2，那么就開啟所有水泵，盡量在峰段來(lái)臨之前多排一些水。

當(dāng)排水系統(tǒng)處于電價(jià)峰段時(shí)，設(shè)還有t2時(shí)間到電價(jià)谷段來(lái)臨，那么預(yù)計(jì)涌水量為Q2=qt2，這段時(shí)間水倉(cāng)還有的容量為VΔ+VH-Vx(VH為高水位的水量；Vx為當(dāng)前水量)，當(dāng)Q2≤VΔ時(shí)，那么就不用開泵，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候即使不開泵，剩余時(shí)間的涌水也充不滿水倉(cāng)。當(dāng)Q2＞VΔ時(shí)，就需要開啟水泵，確保水位在高水位一下，需要開啟水泵臺(tái)數(shù)n2公式為：

3）水位變化率。設(shè)某段時(shí)間內(nèi)的水位變化率為Δh，同時(shí)用Δh1表示開泵水位變化率，用Δh2表示警戒水位變化率，根據(jù)前面所介紹的規(guī)則確定開泵臺(tái)數(shù)后，如果Δh＞Δh2，那么就開啟兩臺(tái)水泵，直到Δh1＜Δh＜Δh2，如果開啟兩臺(tái)水泵仍無(wú)法將水位變化率降低到合理的范圍內(nèi)，就響鈴報(bào)警。

4 PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能排水系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能比較多，本文重點(diǎn)介紹系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行程序和控制策略實(shí)現(xiàn)程序。

系統(tǒng)在開始啟泵需要先預(yù)警10 s，查看是否有故障預(yù)警，各個(gè)閥門是否開關(guān)到位，當(dāng)這些條件都滿足之后，就要開啟射流閥開始抽真空；同時(shí)利用真空傳感器檢測(cè)真空度是否達(dá)到要求，如果達(dá)到要求就開啟電機(jī)，然后關(guān)閉真空閥和射流閥；這之后就要開始檢測(cè)水泵出水口壓力，當(dāng)壓力達(dá)到要求后就開啟電動(dòng)閘閥開始正式排水。如果抽真空時(shí)遲遲達(dá)不到想要的真空度，開啟水泵后，出水口達(dá)不到預(yù)期的壓力，那么就要進(jìn)行故障報(bào)警，并關(guān)閉出水閘閥以及電機(jī)。自動(dòng)啟停泵流程圖如圖6所示。

圖7為基于“避峰就谷”的優(yōu)化調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)流程。計(jì)算過(guò)程中需要的一些參數(shù)包括水倉(cāng)的底面積、容量，管道直徑，水泵排水量等，可以通過(guò)企業(yè)獲得，而其他一些參數(shù)包括峰段和谷段的時(shí)間，工作人員可以直接通過(guò)上位機(jī)或者觸摸屏輸入。優(yōu)化調(diào)度策略軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示。

5 上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)上位機(jī)組態(tài)界面，工人可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的控制模式，同時(shí)還可以查閱系統(tǒng)的歷史故障記錄，上位機(jī)主界面如下頁(yè)圖8所示。

6 結(jié)語(yǔ)

圖6 水泵自動(dòng)啟停泵流程圖

圖7 “避峰就谷”優(yōu)化調(diào)度策略的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

以PLC控制器為核心設(shè)計(jì)的這套可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能排水系統(tǒng)可以全面監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)，包括電機(jī)電流、繞阻溫度、水倉(cāng)水位、離心泵真空度等，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)能夠迅速報(bào)警并可靠動(dòng)作。在此基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，節(jié)省了電費(fèi)開支，也降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試能夠滿足“智慧礦山”的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]譚一川.煤礦工業(yè)水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

圖8 上位機(jī)主界面

[2]植海深，盧德明，張應(yīng)紅，等.礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)綜述[J].大眾科技，2012（6）：12-15.

[3]劉玉英，邢泉水，姜裕慶.水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].2008（4）：51-53.

[4]李杰.煤礦井下排水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性研究與控制系統(tǒng)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[5]杜桂遷.煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化的研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2013.

[6]臧其亮.煤礦井下排水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度與智能控制[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010.

[7]程倫新.井下自動(dòng)排水系統(tǒng)控制策略的研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.