矿井排水设备智能控制系统的分析

2020-12-20金鹏生王祥辰

中国金属通报 2020年16期

金鹏生，王祥辰

（山东黄金股份有限公司新城金矿，山东莱州 261400）

1 现有排水控制系统的研究状况及存在问题

随着国家研发能力的逐渐增强，为进一步解决矿井中排水问题，国家相关学者及研究机构也加大了对矿井排水系统的相关设计及优化升级设计，主要包括：排水泵的更换、排水系统控制的改进、排水巷道的合理布局、其他排水设备的改造等，并将当下更加先进的控制技术应用到排水系统中，如：神经网络技术、模糊算法等，通过这次硬件的优化与软件算法的改进，达到矿井排水系统的最优控制的目的。但矿井排水控制系统在实际应用中仍存在理论与实际无法有效匹配的应用问题，以某金矿中的排水系统存在问题为例进行分析，主要体现在如下几个方面：

（1）排水系统中的设备无法最大效率、最大功率地运转，部分设备处于静置或闲置状态，未实现设备的充分利用。

（2）排水系统中的排水设备，如排水泵、阀等，大部分仍采用手动方式进行控制，暂未实现设备的远程及自动化控制，即使部分设备实现了自动化控制，但在使用中仍存在系统运行不稳定、信号响应速度慢、信息易误报等问题。

（3）现有的排水控制系统对信号的采集种类相对较少，显示界面的功能也相当单一，控制中心的运行速度相对缓慢，部分信号仍需采用现场收集仪表信息，再输入至上机位控制软件中进行信息分析处理，造成了整个排水控制系统的自动化、远程化控制功能未得到有效实现。

2 智能控制系统结构设计

2.1 视频监控单元设计

视频监控单元的硬件主要包括光端机和防爆摄像机。监控摄像机能实时记录泵房的状态，并输入监控设备。

2.2 现场控制台设计

主要由触摸屏、指示灯和物理按钮组成。物理按钮主要用于现场操作，指示灯显示各设备的实时状态，触摸屏显示泵房的各种运行参数。

2.3 井下泵房PLC控制单元设计

智能排水系统核心控制器是以PLC为主。系统设置了2种控制策略：①动态规划的多水平协同策略；②“避峰填谷”的控制策略。经过逻辑运算,PLC输出相关指令,实现水泵的控制。

2.4 上位机监控单元设计

主要由光端机和矿用监控显示器组成,系统采用iFix组态进行的软件的编写。

3 避峰就谷控制策略

采用传统的避峰就谷控制方案，主要是把积水区域的水位高度划分为不同的警戒等级，当在用电低谷期如果水位超过了设定的警戒水位系统就启动，当在用电高峰期时则尽量不启动排水泵，通过简单的控制实现避峰就谷，但该类控制方案存在着在用电的低谷期无法将积水区的水持久维持在最低水位，也就无法为用电高峰期腾出更多的库容，提高了在用电高峰期开启水泵的次数，增加了电能消耗。因此本文所提出的矿井排水设备智能控制系统采用了改进型的避峰就谷控制策略，在用电低谷的时候同时开启多台排水泵，将水位持续维持在最低控制警戒线，为用电高峰期的积水腾出尽可能大的库容，从而降低用电高峰期的排水量。在排水控制的过程中系统会根据水位下降的速度决定同时开启的水泵数量，实现轮换运行，增加排水泵的使用寿命，确保排水的经济性。假设某个积水区域的排水警戒水位为3.4m，最低控制水位为1.5m。

在该控制系统作用下，在用电低谷期（0点～8点）排水系统同时启动的水泵数量逐渐降低，在8点前将水位控制在最低水位以下，在用电高峰期腾出了大量的库容，从而有效降低了水泵在白天工作的时长和数量，提高了排水的经济性，根据统计，应用该系统后能够将排水成本由1.78元/m3降低到1.12元/m3。

4 水仓水位传感器测量原理

该控制系统对排水控制的精确性取决于液位传感器对水仓水位监测结果的准确性，提出了一种超声波液位传感器，将该传感器设置在积水区域的顶板，通过计算发射和接收的超声波的时间差来对积水水位高度进行实时监测，假设h1表示超声波传感器发射头距离水面的距离，h2表示超声波传感器发射头距离水底的距离，设声波的传递速度为v，假设发射、接收的时间为t，则h1=vt/2，则水位高度h=h1-h2。

5 排水系统监测控制的设计

矿井排水监测控制系统要求能够实时对工作面水仓内各项参数、水泵运行状态及水泵电机轴承温度等参数进行实时监测，并根据监测结果基于PLC控制器进行控制，同时将监测结果通过上位机实时显示并存储于上位机。根据上述控制需求为排水监测系统配置地面监控主站、PLC控制层以及数据采集层三个层次。

（1）数据采集层功能的实现。数据采集层的主要功能是工作面设备各项参数指标的实时监测。因此，需根据排水监测系统的监测项目，为其配置对应的传感器等器件。

（2）PLC控制层。根据节能排水系统的控制需求，要求PLC控制器能够实现与数据采集层和地面监控主站之间进行数据通信。因此，要求所选型PLC控制器具备模拟量输入模块（实现水泵及其电机各项运行参数的传输）、数字量输入模块（电动阀的启停控制、水泵启停反馈信号的传输）以及数字量输出模块（对水泵电机、电机轴承温度的过保护以及故障报警等）。

结合所需控制的数字量和模拟量，为节能排水系统配置S7-300系列的PLC315-2PN/DN的控制器，并为其扩展四个SM321数字量输入模块，两块SM322数字量输出模块和两块SM331模拟量输入模块。

（3）地面监控界面功能的实现。地面监控界面主要是对水泵及电机等运行参数的显示和存储，并对设备运行故障进行报警的功能。

6 排水控制系统主要分系统的设计

6.1 PLC控制器的匹配设计

PLC控制器是整个排水系统的控制核心，故结合排水系统的工作特点，选用了欧姆龙公司生产的CJ1系列PLC控制器，其结构包括模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、开关量输入/输出模块、通讯模块、CPU模块。其中，模拟量输入模块采用了24V电源设计，可直接通过CPU中的电压进行供电，且在其模块上设置了多个输入点，主要用于接收排水系统中的液位信号、温度信号、水泵信号、流量信号、负压信号等，并以电流形式进行信号输入；而开关量输入模块选用了IA201模块，其输入电压为AC100V～120V，电流为12mA，并设置了32个点数，主要用于接收真空泵的开关信号、液位开关信号、闸阀开关信号、球阀到位信号等，其内部的滤波电路，可对外部干扰信号进行有效隔离。整个PLC控制器具有较高的控制性能，能较好地满足井下排水系统的有效控制，保证井下作业环境的安全。

6.2 控制系统各类传感器的匹配设计

虽整个排水控制系统是排水系统的分系统，但其系统结构也相对复杂，需设计多种传感器来完成井下不同参数的信号采集与检测。故结构排水控制系统的功能特点，配备了流量检测器、压力传感器、温度传感器、液位传感器等，以分别实现对排水系统中不同信号参数的检测。其中，流量检测采用了西门子的MAG3100型，主要用于检测排水管道中的水流量情况，该元件可检测0.3m/s～20m/s范围内的流速，具有较强的抗干扰性及稳定性。温度传感器选用了ZN17-BKG-WD型，主要用于检测井下水泵电机的工作温度，以保证设备的安全运行；该设备中配备了Pt100的铂热电阻，具有较高的防爆性能。而液位传感器则采用了SI-TRANS型超声波液位计，其检测频率为50Hz～60Hz，可完成对井下水位的检测。另外，压力传感器则采用了GYD60型号，主要用于检测出水管道处的压力大小，其工作电压为24VDC，可准确地检测进水管和排水管处的压力变化。由此，完成了排水控制系统中关键检测设备的匹配选型。

6.3 控制系统监控界面的设计

监控界面是整套排水控制系统的重要组成部分，故采用MCSG组态软件，开展了排水控制系统的监控界面的设计。通过该界面可将井下水管、各处压力、各开关状态、各阀的启停等状态进行直观显示；同时，与传统界面相比，在新的显示界面上增设了记录显示功能，通过该按钮可将整个排水控制系统的运行时间、设备运行状态、故障累计情况等信息进行实时记录和直观显示。另外，整个显示界面显示更加流畅、报警功能更加全面，操作人员能直接通过显示界面，对整个排水系统的运行情况进行信息的实时掌握和设备运行状态的准确把控，并能及时发现系统故障的发生位置和采取相应的故障解决措施，由此大大提高了排水监控系统的智能化、远程化控制程度。

7 排水控制系统应用情况的分析

结合前文分析，完成了矿井中排水控制系统的改进设计。为进一步验证该系统的综合性能，将其在金矿中进行了应用验证，对金矿现有的排水监控系统进行优化造测试。测试结果表明，改进后的排水控制系统各项功能运行正常，与原来系统相比，能更加准确、全面地将井下排水中的压力、温度、流量、设备启停状态等信号进行检测，并通过显示界面进行直观显示，同时，操作人员也能在监控室对整个系统的运行状态进行实时监控。据现场人员介绍，改进后的控制系统稳定性和信号检测精度更高，预估可使排水系统的工作效率提高30%左右，排水系统故障检修时间缩短50%左右，效果良好。