礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)的分析

李啟山

（山煤集團(tuán)鹿臺(tái)山煤業(yè)有限公司， 山西 沁水 048200）

引言

隨著綜采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤礦井下綜采作業(yè)的深度不斷增加，綜采作業(yè)過(guò)程中發(fā)生透水事故的概率也不斷的加大，因此對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、對(duì)突發(fā)事故的反應(yīng)靈敏性等均提出了更高的要求。一般在礦井排水系統(tǒng)中每個(gè)泵房?jī)?nèi)一般設(shè)置6 組左右的排水泵，由一個(gè)控制系統(tǒng)集中控制，當(dāng)水位超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的高度時(shí)將開啟水泵同時(shí)進(jìn)行排水，由于排水系統(tǒng)水泵功率大，消耗的電能多，據(jù)統(tǒng)計(jì)排水系統(tǒng)所消耗的電能占據(jù)了礦井總消耗電量的15%以上[1]，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)由于僅具備簡(jiǎn)單的開關(guān)控制功能，因此導(dǎo)致無(wú)法適應(yīng)井下突發(fā)的涌水事故，而且也無(wú)法針對(duì)性地調(diào)整排水時(shí)間段，難以滿足井下排水經(jīng)濟(jì)性、靈活性和可靠性的需求。本文提出了一種新的礦井排水智能控制系統(tǒng)。

1 礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)煤礦井下排水系統(tǒng)的分布方式，所提出的煤礦井下排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)以分布控制理論為基礎(chǔ)[2]，采用容錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各個(gè)排水控制模塊能夠獨(dú)立地進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)，一個(gè)模塊的損壞不影響其他控制模塊的運(yùn)行，極大提升了控制系統(tǒng)的安全性。該排水設(shè)備控制系統(tǒng)主要包括地面監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸、交換系統(tǒng)和煤礦井下排水控制單元，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，該排水控制系統(tǒng)通過(guò)CAN 雙絞線屏蔽網(wǎng)絡(luò)線路[3]將各個(gè)排水單元進(jìn)行連接，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，由監(jiān)控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下排水泵房的監(jiān)控，調(diào)度單元負(fù)責(zé)對(duì)水泵組運(yùn)行模式的綜合調(diào)控，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)水泵運(yùn)行過(guò)程中的綜合保護(hù)，系統(tǒng)的控制單元用于直接接受監(jiān)控中心的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下水泵多種模式運(yùn)行的控制。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障無(wú)法和地面監(jiān)控中心聯(lián)通時(shí)，各控制中心將轉(zhuǎn)換為自主控制運(yùn)行模式，依靠預(yù)設(shè)的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)自主排水控制。

本系統(tǒng)采用了雙模排水控制模式，當(dāng)水位超過(guò)設(shè)定值或者水位變化速度超過(guò)設(shè)定值后均能激活控制系統(tǒng)進(jìn)行排水作業(yè)，滿足各種條件下的排水安全性需求。同時(shí)能夠根據(jù)水位情況和所處實(shí)際時(shí)間段決定是否啟動(dòng)排水和同時(shí)啟動(dòng)水泵的數(shù)量，確保排水的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 避峰就谷控制策略

采用傳統(tǒng)的避峰就谷控制方案[4]，主要是把積水區(qū)域的水位高度劃分為不同的警戒等級(jí)，當(dāng)在用電低谷期如果水位超過(guò)了設(shè)定的警戒水位系統(tǒng)就啟動(dòng)，當(dāng)在用電高峰期時(shí)則盡量不啟動(dòng)排水泵，通過(guò)簡(jiǎn)單的控制實(shí)現(xiàn)避峰就谷，但該類控制方案存在著在用電的低谷期無(wú)法將積水區(qū)的水持久維持在最低水位，也就無(wú)法為用電高峰期騰出更多的庫(kù)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(shè)備智能控制系統(tǒng)采用了改進(jìn)型的避峰就谷控制策略，在用電低谷的時(shí)候同時(shí)開啟多臺(tái)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(kù)容，從而降低用電高峰期的排水量。在排水控制的過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)根據(jù)水位下降的速度決定同時(shí)開啟的水泵數(shù)量，實(shí)現(xiàn)輪換運(yùn)行，增加排水泵的使用壽命，確保排水的經(jīng)濟(jì)性。假設(shè)某個(gè)積水區(qū)域的排水警戒水位為3.4 m，最低控制水位為1.5 m，則在該控制系統(tǒng)作用下水位變化和啟動(dòng)控制策略如圖2 所示。

圖2 積水區(qū)域水位變化和排水泵啟動(dòng)控制曲線

由圖2 可知，在該控制系統(tǒng)作用下，在用電低谷期（0 點(diǎn)～8 點(diǎn)）排水系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)的水泵數(shù)量逐漸降低，在8 點(diǎn)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(kù)容，從而有效降低了水泵在白天工作的時(shí)長(zhǎng)和數(shù)量，提高了排水的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用該系統(tǒng)后能夠?qū)⑴潘杀居?.78 元/m3降低到1.12 元/m3。

3 水倉(cāng)水位傳感器測(cè)量原理

該控制系統(tǒng)對(duì)排水控制的精確性取決于液位傳感器對(duì)水倉(cāng)水位監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，提出了一種超聲波液位傳感器，將該傳感器設(shè)置在積水區(qū)域的頂板，通過(guò)計(jì)算發(fā)射和接收的超聲波的時(shí)間差來(lái)對(duì)積水水位高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，假設(shè)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(shè)聲波的傳遞速度為v，假設(shè)發(fā)射、接收的時(shí)間為t，則h1=vt/2，則水位高度h=h1-h2，該超聲波傳感器測(cè)量原理如圖3 所示[5]。

圖3 超聲波傳感器測(cè)量原理

4 結(jié)論

本文研究的這種礦井排水設(shè)備智能控制系統(tǒng)，采用雙模排水控制模式，當(dāng)水位超過(guò)設(shè)定值或者水位變化速度超過(guò)設(shè)定值后均能激活控制系統(tǒng)進(jìn)行排水作業(yè)，同時(shí)能夠根據(jù)水位情況和所處實(shí)際時(shí)間段決定是否啟動(dòng)排水和同時(shí)啟動(dòng)的水泵數(shù)量，確保排水的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用該系統(tǒng)后能夠?qū)⑴潘杀居?.78元/m3降低到1.12 元/m3。