基于井下排水最優(yōu)控制理論的研究與應(yīng)用

摘要：在開(kāi)灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司的井下205泵房安裝了自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)，通過(guò)井下工業(yè)以太網(wǎng)將水泵房的數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，并且根據(jù)公司井下三個(gè)排水水泵房水位、用電峰谷段時(shí)間、各臺(tái)水泵效率編制控制程序，使得排水系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)排水控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：井下排水；自動(dòng)化控制；最優(yōu)控制理論；水泵房；調(diào)度控制中心；遠(yuǎn)程集中控制 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP335 文章編號(hào)：1009-2374（2017）06-0215-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.107

1 概述

我公司205水泵房負(fù)責(zé)將二、三、四水平涌水排至地面，共有MD450-60×10多級(jí)耐磨離心泵12臺(tái)。在205泵房安裝集中控制柜和就地控制柜、攝像頭、正壓傳感器、負(fù)壓傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、超聲波液位計(jì)等控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)泵房自動(dòng)化控制。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 205水泵集中控制柜

集中控制柜為礦用一般型，型號(hào)為：KXK10/380，生產(chǎn)廠家為：唐山東潤(rùn)自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司，PLC為西門子CPU 317-2 PN/DP，繼電器選用施耐德品牌，斷路器、按鈕、指示燈等器件采用西門子品牌。集中控制柜具備低壓配電和自動(dòng)切換電源功能，具備過(guò)流、漏電等保護(hù)。內(nèi)置UPS，集控柜面板上嵌入15寸觸摸屏，型號(hào)為：PH24M（B），方便操作人員了解水泵房?jī)?nèi)設(shè)備運(yùn)行狀況。

集中控制柜作為排水自動(dòng)化核心主要是根據(jù)水倉(cāng)水位、峰谷時(shí)間、水泵效率等，實(shí)現(xiàn)水泵的合理啟停調(diào)度，達(dá)到安全、節(jié)能和無(wú)人化運(yùn)行。

集中控制柜PLC和就地控制柜PLC之間交換數(shù)據(jù)采用西門子工業(yè)專用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，保證穩(wěn)定性，集中控制柜PLC和就地控制柜PLC之間由以太網(wǎng)連接，可從井上對(duì)各個(gè)PLC控制柜進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)及編程，并且集中控制柜提供西門子以太網(wǎng)接口，將水泵房數(shù)據(jù)上傳到地面全礦井自動(dòng)化平臺(tái)。

2.2 205水泵就地控制柜

每臺(tái)水泵旁邊安裝一臺(tái)礦用一般型就地控制柜，型號(hào)為：KXK10/380，生產(chǎn)廠家為：唐山東潤(rùn)自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司，PLC為西門子CPU 315-2 PN/DP，繼電器選用施耐德品牌，斷路器、按鈕、指示燈等器件采用西門子品牌。在與主站通訊失敗時(shí)，可以獨(dú)立完成單臺(tái)水泵控制過(guò)程。實(shí)現(xiàn)水泵的一鍵順序啟停、參數(shù)檢測(cè)、故障保護(hù)等功能，就地控制柜面板上安裝一塊10寸真彩觸摸屏，型號(hào)為：PH24M（B），方便顯示電機(jī)供電回路狀態(tài)、流量、水泵溫度、電流、功率等，并且就地控制柜內(nèi)集成射流泵、真空泵控制回路和各電動(dòng)閘閥配電控制回路。就地柜通過(guò)硬接線檢測(cè)閘閥狀態(tài)和輸出關(guān)啟命令，并將閘閥配電控制功能集成在就地控制柜內(nèi)。配電裝置過(guò)流、過(guò)熱等相應(yīng)保護(hù)齊全。

就地柜集成PLC控制和繼電器搭接的硬接線控制兩種控制方式，就地柜面板除觸摸屏外，還應(yīng)具有手動(dòng)操作各閘閥的按鈕和指示燈。

就地柜的操作模式有三種，通過(guò)旋鈕進(jìn)行切換：

檢修：檢修模式下，完全脫離就地柜PLC，采用硬件繼電器搭接回路控制各閥門、電機(jī)等設(shè)備，相互之間不存在閉鎖關(guān)系，達(dá)到PLC出現(xiàn)故障可以就地開(kāi)水泵的目的。

就地：該模式為每臺(tái)水泵的一鍵啟停，由就地柜檢測(cè)各類參數(shù)，自動(dòng)PLC控制閥門、電機(jī)，實(shí)現(xiàn)水泵的順序啟動(dòng)和停止，啟停命令由就地柜上的按鈕輸入。

遠(yuǎn)程：該模式與就地模式類似，不同的是正常啟停命令由遠(yuǎn)程（集控PLC發(fā)出）。

就地和遠(yuǎn)程模式原則上由旋鈕開(kāi)關(guān)確定，但當(dāng)遠(yuǎn)程系統(tǒng)采用應(yīng)急授權(quán)時(shí)，可由軟件切換為就地柜的模式，而不受旋鈕的限制，確保在危急情況下的遠(yuǎn)程控制。

2.3 壓力傳感器

采用電容式壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)傳感器和變送器一體化設(shè)計(jì)。規(guī)格型號(hào)：GPD20（正壓），GPD100F（負(fù)壓），生產(chǎn)廠家為：唐山東潤(rùn)自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司，額定電源24VDC，輸出信號(hào)為4～20mA，防護(hù)等級(jí)IP54，正壓測(cè)量范圍為0～10MPa，負(fù)壓測(cè)量范圍為

-100～0kPa。

在每臺(tái)離心水泵的出水口、吸水口分別裝設(shè)1只正壓力傳感器、1只負(fù)壓力傳感器。

2.4 水位傳感器

超聲波液位計(jì)可采用二線制技術(shù)，二線制為：供電與信號(hào)輸出共用；規(guī)格型號(hào)：GUW10，生產(chǎn)廠家為：唐山東潤(rùn)自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司，超聲波物位計(jì)工作原理是由超聲波換能器（探頭）發(fā)出高頻脈沖聲波遇到被測(cè)物位（物料）表面被反射折回反射回波被換能器接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。聲波的傳播時(shí)間與聲波的發(fā)出到物體表面的距離成正比。聲波傳輸距離S與聲速C和聲傳輸時(shí)間T的關(guān)系可用公式表示：S=C×T/2。適合各種腐蝕性、化工類場(chǎng)合，精度高，遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出，PLC系統(tǒng)監(jiān)控。水位傳感器額定電源24VDC，測(cè)量范圍0～12m，輸出信號(hào)4～20mA。

2.5 流量傳感器

在每臺(tái)水泵的出水管路安裝一臺(tái)插入式超聲波流量計(jì)，產(chǎn)品型號(hào)：GLCS250/500，生產(chǎn)廠家為：唐山東潤(rùn)自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司，額定電壓AC127V，輸出為4～20mA，帶數(shù)字顯示。

2.6 溫度傳感器

每臺(tái)水泵各安裝兩個(gè)插入式PT100型溫度傳感器，安裝在每臺(tái)水泵的前軸和后軸位置，檢測(cè)水泵前后軸承溫度。產(chǎn)品型號(hào)：GWP200-C，生產(chǎn)廠家為：北京威斯特中航機(jī)電技術(shù)有限公司，將電機(jī)內(nèi)部已有的預(yù)埋PT100信號(hào)及水泵兩個(gè)插入式PT100接入到就地控制柜PLC溫度采集模板上，并在就地控制柜觸摸屏上顯示每個(gè)位置溫度。

2.7 防爆網(wǎng)絡(luò)攝像儀

目前甲方已有型號(hào)為KBA127防爆型攝像頭5臺(tái)，生產(chǎn)廠家為上海山源電氣股份有限公司，防爆攝像頭額定電壓為AC127V。乙方負(fù)責(zé)防爆型攝像頭的安裝、接線、調(diào)試工作，所采用的視頻監(jiān)控軟件必須與甲方已有的攝像頭配套。對(duì)205水泵房水泵、電機(jī)、水尺等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能準(zhǔn)確監(jiān)視水尺的變化情況，利用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

2.8 視頻監(jiān)視

在地面集控室配置網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)，用于監(jiān)視防爆網(wǎng)絡(luò)攝像儀視頻圖像并存儲(chǔ)。硬盤錄像機(jī)為網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)，32個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接口，配置21寸顯示器，用于視頻存儲(chǔ)查詢。

2.9 上位機(jī)

在地面集控室配置上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制。產(chǎn)品型號(hào)：IPC-610H，生產(chǎn)廠家為：研華股份有限公司，處理器為i7-2600，內(nèi)存4G，硬盤500G，顯卡1G獨(dú)顯，組態(tài)軟件選用組態(tài)王無(wú)限點(diǎn)。顯示器為三星22"顯示器。

3 可實(shí)現(xiàn)功能簡(jiǎn)介

（1）實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)控制排水，達(dá)到無(wú)人值守的目的。集控室實(shí)現(xiàn)對(duì)205泵房的遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)和控制；（2）系統(tǒng)設(shè)置水泵的輪換運(yùn)行功能，在滿足運(yùn)行效率優(yōu)先的情況下，調(diào)整均衡每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水泵設(shè)備的輪換運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；在特定季節(jié)能夠強(qiáng)制輪換運(yùn)行；（3）研發(fā)基于最優(yōu)控制理論的軟件程序，根據(jù)305、405水倉(cāng)水位、用電峰谷段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)排水優(yōu)化，合理調(diào)度各水泵運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到分時(shí)段用電，“躲峰填谷”，節(jié)省電費(fèi)支出，降低排水能耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；（4）檢測(cè)水泵及其電機(jī)的工作參數(shù)。如水泵流量、壓力、軸溫、電機(jī)溫度、工作電流、電壓等參數(shù)；（5）根據(jù)水泵及電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，精確測(cè)算水泵的運(yùn)行效率及工況，并適時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，為水泵的維護(hù)保養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)，具有參數(shù)越限報(bào)警、故障報(bào)警以及自動(dòng)保護(hù)等功能；（6）控制方式具有遠(yuǎn)方控制（上位機(jī)監(jiān)控控制）、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)（設(shè)備檢修或者調(diào)試用）和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)（按單一啟停按鈕或液位傳感器自動(dòng)控制）控制三種方式的選擇，三種控制方式互相閉鎖；（7）生成各種生產(chǎn)報(bào)表及統(tǒng)計(jì)、故障信息、設(shè)備運(yùn)行狀況等信息，可人工修改投入設(shè)備的各種參數(shù)；（8）安全性的保證能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)涌水變化率、水位情況，從而進(jìn)行突水情況下的應(yīng)急措施，如聯(lián)合開(kāi)泵等，保證泵房及變電所的設(shè)備安全；（9）上位機(jī)界面，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)論處于任何畫(huà)面，均應(yīng)自動(dòng)提示報(bào)警，顯示報(bào)警信息（告警類型、位置、時(shí)間、歷時(shí)等），可以匯總各種運(yùn)行及故障信息，打印各類報(bào)表、事故記錄、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，實(shí)現(xiàn)智能化管理運(yùn)行；（10）排水自動(dòng)化具有開(kāi)放性，可方便地將其他軟件接入現(xiàn)有軟件，也可將此軟件方便接入其他軟件，擴(kuò)展能力強(qiáng)。同時(shí)能將排水自動(dòng)化納入公司綜合自動(dòng)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、監(jiān)測(cè)監(jiān)視。

4 應(yīng)用效果分析

基于井下排水最優(yōu)控制理論的控制程序的研究與應(yīng)用以后，一是井下泵房排水系統(tǒng)符合煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的井下排水泵房宜采用集中控制的要求；二是實(shí)現(xiàn)了有人巡視、無(wú)人值守的管控模式，減掉值班人員6人，按照每人每年5萬(wàn)元的工資成本計(jì)算，每年可節(jié)約工資成本30萬(wàn)元；三是在躲峰填谷工作方面取得很大效益，目前205泵房每天平均開(kāi)泵時(shí)間為40臺(tái)時(shí)（其中，峰段開(kāi)泵時(shí)間為4臺(tái)時(shí)，平段開(kāi)泵時(shí)間為17臺(tái)時(shí)，低谷段開(kāi)泵時(shí)間為19臺(tái)時(shí)），6kV水泵電動(dòng)機(jī)額定功率為1120kW，額定電流為130.1A。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1#水泵電動(dòng)機(jī)每天啟動(dòng)2次，9#水泵電動(dòng)機(jī)每天啟動(dòng)2次，7#水泵電動(dòng)機(jī)每天啟動(dòng)2次，每天205泵房水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)次數(shù)共計(jì)6次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，205水泵電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)電流為額定電流的6倍，為780.6A，直接啟動(dòng)時(shí)間至少為20s。

205泵房“躲峰填谷”開(kāi)泵，每年排水電費(fèi)=1120×4×0.7739×365+1120×17×0.5407×365+1120×19×0.3250×365+1120×6×20×6÷3600×0.5407×365=759.17萬(wàn)元。在未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制以前205泵房每年的電費(fèi)成本867.04萬(wàn)元。應(yīng)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，排水電力成本每年可節(jié)約成本107.87萬(wàn)元，因此具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 開(kāi)灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司205泵房自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及技術(shù)要求[S].

[2] 煤礦安全規(guī)程[S].2016.

作者簡(jiǎn)介：姚福海（1962-），男，開(kāi)灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司機(jī)電經(jīng)理，電氣高級(jí)工程師。

（責(zé)任編輯：周 瓊）