渦北煤礦地面集中式降溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汪開松

（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(yán)重。在高溫環(huán)境下作業(yè)，會使勞動生產(chǎn)率下降，破壞人體熱平衡，嚴(yán)重?fù)p害工人身體健康，同時(shí)嚴(yán)重威脅井下安全，并易引發(fā)災(zāi)害和事故。渦北煤礦由于埋深大、工作面走向長、供風(fēng)距離遠(yuǎn)，工作面溫度達(dá)36～37 ℃，濕度達(dá)86%～95%，遠(yuǎn)超過我國《煤礦安全規(guī)程》[1]的規(guī)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(fā)生中暑現(xiàn)象，既危害了職工的身心健康，又影響了礦井的正常生產(chǎn)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(qū)東部，淮北平原西部。該井田為全隱蔽含煤區(qū)，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(gòu)造復(fù)雜程度為中等，局部中等偏復(fù)雜。全井田劃分為一個(gè)水平，水平標(biāo)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(shí)測數(shù)據(jù)：-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(jì)算地溫梯度2.55 ℃/hm，據(jù)此計(jì)算-640 m 處原始地溫34.74 ℃，已進(jìn)入一級高溫區(qū)。

由于該井田煤層埋藏深、井田范圍大、地溫較高、開采強(qiáng)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(guān)法律、法規(guī)的規(guī)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(chǎn)需要，渦北煤礦于2009 年建設(shè)了制冰降溫工程，總制冷量為5000 kW。

該制冰系統(tǒng)經(jīng)過十多年的運(yùn)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(tǒng)考慮服務(wù)于北翼的82 采區(qū)和南翼的81采區(qū)。該設(shè)計(jì)新建的地面集中制冷降溫系統(tǒng)主要服務(wù)于北翼的84 采區(qū)、標(biāo)高范圍為-780～-1000 m 和南翼的85 采區(qū)、標(biāo)高范圍為-500～-700 m。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研和可行性分析，決定對渦北煤礦進(jìn)行降溫系統(tǒng)改造，建設(shè)一套地面集中式礦井降溫系統(tǒng)，同時(shí)配套建設(shè)集中監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“管”“控”一體化，并為智能化礦井建設(shè)提供硬件、軟件基礎(chǔ)。

2 地面集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2-5]

2.1 工作面需冷量計(jì)算

根據(jù)等效溫度計(jì)算公式，井下采煤工作面風(fēng)速2.5 m/s 時(shí)，干球溫度30 ℃，濕度85%時(shí)，計(jì)算等效溫度為26 ℃。因此，該設(shè)計(jì)降溫標(biāo)準(zhǔn)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(guān)參數(shù)見表1。

表1 渦北煤礦-640 m 水平842 工作面相關(guān)參數(shù)

采掘工作面需冷量計(jì)算公式：

式中：Q為采掘面需冷量，kW；G為采掘面的質(zhì)量風(fēng)量，kg/s；i1為處理前采掘面的進(jìn)風(fēng)流焓值，kJ/kg；i2為處理后采掘面的進(jìn)風(fēng)流焓值，kJ/kg。

G=回采面風(fēng)量（2300 m3/min）/60×風(fēng)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(jì)算需冷量為2636 kW。

2.2 制冷量分析

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

根據(jù)-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(gè)時(shí)間段分別計(jì)算。供冷管道、設(shè)備冷損量分為一次供冷系統(tǒng)及二次供冷系統(tǒng)兩部分。其中二次供冷系統(tǒng)為由井下降溫硐室至工作面供冷管網(wǎng)及設(shè)備冷損；一次供冷系統(tǒng)為由井下降溫硐室到地面制冷機(jī)房供冷管網(wǎng)及設(shè)備冷損。根據(jù)井下采場規(guī)劃，二次供冷系統(tǒng)單程供冷最遠(yuǎn)距離為5218 m。根據(jù)總圖布置，井下降溫硐室至地面制冷機(jī)房一次供冷系統(tǒng)單程最遠(yuǎn)距離為825 m。一、二次供冷系統(tǒng)冷水母管管徑及壓力等級設(shè)計(jì)按系統(tǒng)終期規(guī)?？紤]。渦北煤礦地面制冷機(jī)房各時(shí)期制冷負(fù)荷估算詳見表2。

表2 渦北煤礦集中降溫系統(tǒng)各時(shí)期冷負(fù)荷計(jì)算 kW

根據(jù)不同時(shí)期井下負(fù)荷發(fā)展情況，同時(shí)結(jié)合礦井遠(yuǎn)期84 采區(qū)深部規(guī)劃（約15 年后）情況，礦井近期建設(shè)兩個(gè)制冷單元，每個(gè)制冷單元制冷量為5000 kW。結(jié)合兩淮礦區(qū)礦井使用經(jīng)驗(yàn)，降溫系統(tǒng)使用時(shí)間多集中在每年的5～10 月，年運(yùn)行時(shí)間將小于九個(gè)月，故該設(shè)計(jì)確定建設(shè)兩個(gè)制冷單元，形成10 MW 的總制冷規(guī)模。

2.3 地面集中監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

集中監(jiān)控管理層（主干網(wǎng)）采用1000 M 光纖工業(yè)以太網(wǎng)單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場控制層采用PROFIBUS DP 總線通信。現(xiàn)場控制層按照控制對象的結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)，分為地面控制系統(tǒng)和井下控制系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.4 地面集中監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

渦北煤礦降溫集中監(jiān)控系統(tǒng)控制設(shè)備主要包括地面控制主站、井下控制主站、監(jiān)控管理工控機(jī)、控制網(wǎng)絡(luò)交換傳輸系統(tǒng)等。地面制冷機(jī)房數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場，井下系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、離心機(jī)組數(shù)據(jù)均來源于子系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)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(xié)議總線橋。地面主站通過I/O 模塊可采集地面制冷機(jī)房溫度、壓力、流量等模擬量信號以及現(xiàn)場制冷機(jī)組、水泵、閥門的狀態(tài)信號，遠(yuǎn)端控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停。通過PB-B-MOSBUS 協(xié)議總線橋?qū)⒌孛骐x心式制冷機(jī)組的故障信息及設(shè)備運(yùn)行信息采集至PLC，可根據(jù)冷凍水回水溫度實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)組的負(fù)荷控制、冷凍水泵與制冷機(jī)組聯(lián)動、冷卻水泵與冷卻塔水位的聯(lián)鎖控制，溫度與冷卻塔風(fēng)機(jī)聯(lián)動，電動閥與機(jī)組、水泵的聯(lián)動，系統(tǒng)一鍵啟動等功能。

2）工業(yè)交換機(jī)，可為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備提供更多的連接端口。本次設(shè)計(jì)采用的交換機(jī)具有4 個(gè)千兆SFP、24 個(gè)1000BASE-T 以太網(wǎng)口、支持POE 供電等特點(diǎn)，為數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定的信息交換。

3）工控機(jī)，主機(jī)采用Dell 工作站，考慮到工控軟件的兼容性，系統(tǒng)采用win10 專業(yè)版，顯示器采用27 寸2K 分辨率，通過以太網(wǎng)與地面制冷主站及專業(yè)工業(yè)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(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄、畫面展示、報(bào)警、自動生成報(bào)表等功能。

2.5 地面集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

渦北煤礦集中降溫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：上位機(jī)組態(tài)軟件和PLC 可編程邏輯控制器編程軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用WINCC7.4SP1 組態(tài)編程，包含系統(tǒng)的總覽、地面系統(tǒng)、井下系統(tǒng)、化水車間、高壓配電系統(tǒng)、離心機(jī)系統(tǒng)、報(bào)警頁面及報(bào)表查詢畫面等；上位組態(tài)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(xiàng)目進(jìn)行集中管理。STEP 7 具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測試、運(yùn)行和診斷功能等。

3 地面集中監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)策略

渦北降溫集中監(jiān)控系統(tǒng)對溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在降溫系統(tǒng)井下二次側(cè)冷量分配對于制冷效果及節(jié)能減排方面有著重要意義。井下二次側(cè)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(dá)到預(yù)期設(shè)定值，調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)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(yùn)用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)。考慮到末端往各個(gè)分站供冷，調(diào)節(jié)閥數(shù)量不止一個(gè)，各個(gè)調(diào)節(jié)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(jīng)過多年的研究與改進(jìn)，在傳統(tǒng)PID 算法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法應(yīng)用廣泛，控制精準(zhǔn)，針對性強(qiáng)，所以本項(xiàng)目可采用基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法對系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)冷量的精準(zhǔn)控制。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 地面集中監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)的主要功能界面

在該設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)控制工藝的需要實(shí)現(xiàn)以下主要功能界面：

1）登錄權(quán)限設(shè)置及用戶管理功能；2）設(shè)置3D 地面制冷機(jī)房系統(tǒng)總覽；3）設(shè)置地面制冷機(jī)房工藝流程圖、井下工藝流程圖；4）設(shè)置現(xiàn)場設(shè)備控制界面；5）設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢圖；6）設(shè)置報(bào)警界面并對報(bào)警界面匯總；7）設(shè)置報(bào)表生成功能并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Excel。

為保證本降溫系統(tǒng)有序、高效運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對整個(gè)降溫系統(tǒng)的監(jiān)控，SCADA 系統(tǒng)組成框圖及功能框架如圖3。

圖3 系統(tǒng)組成框圖及功能框架

3.3 地面集中監(jiān)控系統(tǒng)的接入子系統(tǒng)

集中控制系統(tǒng)總貌是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備布置利用3Dmax 軟件建立模型后導(dǎo)入Wincc 項(xiàng)目中，使工作人員更直觀地掌控項(xiàng)目供回水溫度及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

1）總覽

總覽界面設(shè)計(jì)目的是打破傳統(tǒng)二維界面粗糙、不友好的人機(jī)交互界面，利用建模技術(shù)，將三維界面引入到工業(yè)控制系統(tǒng)中，具有生動、直觀等特點(diǎn)。

2）制冷機(jī)房

地面集中控制制冷機(jī)房系統(tǒng)，地面制冷機(jī)房的PLC 為主控PLC，上位機(jī)通過TCP/IP 通信協(xié)議PLC 建立連接，由CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理等，用于顯示地面制冷機(jī)房工藝流程及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)，并具備對設(shè)備遠(yuǎn)程控制，智能邏輯處理等功能。

3）井下系統(tǒng)

井下系統(tǒng)具有兩個(gè)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(diào)節(jié)井下二次冷水泵頻率，達(dá)到節(jié)能減排的功效。地面控制主站由礦井環(huán)網(wǎng)通過S7 通信協(xié)議采集井下控制主站數(shù)據(jù)，供工控機(jī)顯示，并對地面一次供冷水泵變頻調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)來源。

4）高壓配電系統(tǒng)

電氣后臺設(shè)通信管理機(jī)IEC60807-5-103 規(guī)約采集變電所電氣綜保裝置信號，集中控制系統(tǒng)通過OPC[6]協(xié)議讀取信息，工控機(jī)上組態(tài)顯示電氣高壓系統(tǒng)的一次系統(tǒng)圖，監(jiān)控電氣系統(tǒng)的分合閘及電氣參數(shù)。

5）化水系統(tǒng)

化水系統(tǒng)是集成系統(tǒng)內(nèi)軟化水的生產(chǎn)及輸送工藝流程，地面控制主站根據(jù)冷卻塔水池及膨脹水箱水位高低變化自動啟動化水系統(tǒng)除鹽水泵補(bǔ)水等。

6）報(bào)表系統(tǒng)

報(bào)表系統(tǒng)將對生產(chǎn)過程中重要的壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)進(jìn)行記錄，每分鐘記錄一次，數(shù)據(jù)輸出到Excel 中，同時(shí)生成日報(bào)表，方便生產(chǎn)記錄及日后故障診斷分析。

7）趨勢圖系統(tǒng)

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

4 降溫系統(tǒng)冷量建模及仿真結(jié)果分析

4.1 井下二次冷凍水流量控制系統(tǒng)建模

系統(tǒng)仿真選用MATLAB 軟件，通過Simulink搭建流量控制仿真數(shù)學(xué)模型。由于井下二次冷凍水末端輸冷管路具有大時(shí)滯，各個(gè)管路分站之間具有壓力耦合關(guān)系，經(jīng)研究文獻(xiàn)以及工業(yè)自動化控制實(shí)例后，本次設(shè)計(jì)選用二階系統(tǒng)對流量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模。其傳遞函數(shù)具體如式（2）。

4.2 控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

通過MATLAB/Simulink 軟件，對基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法設(shè)計(jì)的降溫冷量控制進(jìn)行仿真分析。冷量控制系統(tǒng)在MATLAB 中仿真模型如圖4。

圖4 流量控制系統(tǒng)仿真模型

整定PID 各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，經(jīng)過多次調(diào)試和查閱資料，確定Kp=0.8，Ki=0.23，Kd=0.4 時(shí)，仿真結(jié)果較好。圖5 為采用BP 算法的PID 控制系統(tǒng)仿真曲線與傳統(tǒng)整定PID 參數(shù)對比。由圖可得兩種方式都可以使得系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，但基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制算法超調(diào)同比傳統(tǒng)PID 縮小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較傳統(tǒng)PID 要短，且穩(wěn)態(tài)誤差比傳統(tǒng)PID 要小。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法和傳統(tǒng)PID 控制算法性能對比數(shù)據(jù)見表3。

表3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法和傳統(tǒng)PID 控制算法性能對比

圖5 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 與傳統(tǒng)PID 仿真曲線對比圖

5 結(jié)論

渦北煤礦礦井集中降溫控制系統(tǒng)自投入使用以來，除實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備超溫保護(hù)、過載保護(hù)等功能外，可采用基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制算法對系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)二次冷量的精準(zhǔn)分配，以達(dá)到節(jié)能減排的效果。引入3D 建模技術(shù)，提供更加友好的人機(jī)交互界面，通過通信技術(shù)將整個(gè)降溫系統(tǒng)的子系統(tǒng)全部納入集中監(jiān)控系統(tǒng)，提高了降溫系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，達(dá)到減員增效的效果，并預(yù)留與礦井調(diào)度通信接口，為礦井綜合自動化系統(tǒng)提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。