基于井下排水最优控制理论的研究与应用

摘要：在开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司的井下205泵房安装了自动化排水控制系统，通过井下工业以太网将水泵房的数据上传至调度控制中心实现远程集中控制，并且根据公司井下三个排水水泵房水位、用电峰谷段时间、各台水泵效率编制控制程序，使得排水系统达到最优化，实现经济合理的最优排水控制系统。

关键词：井下排水；自动化控制；最优控制理论；水泵房；调度控制中心；远程集中控制 文献标识码：A

中图分类号：TP335 文章编号：1009-2374（2017）06-0215-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.107

1 概述

我公司205水泵房负责将二、三、四水平涌水排至地面，共有MD450-60×10多级耐磨离心泵12台。在205泵房安装集中控制柜和就地控制柜、攝像头、正压传感器、负压传感器、温度传感器、流量传感器、超声波液位计等控制设备，实现泵房自动化控制。

2 系统简介

2.1 205水泵集中控制柜

集中控制柜为矿用一般型，型号为：KXK10/380，生产厂家为：唐山东润自动化工程技术有限公司，PLC为西门子CPU 317-2 PN/DP，继电器选用施耐德品牌，断路器、按钮、指示灯等器件采用西门子品牌。集中控制柜具备低压配电和自动切换电源功能，具备过流、漏电等保护。内置UPS，集控柜面板上嵌入15寸触摸屏，型号为：PH24M（B），方便操作人员了解水泵房内设备运行状况。

集中控制柜作为排水自动化核心主要是根据水仓水位、峰谷时间、水泵效率等，实现水泵的合理启停调度，达到安全、节能和无人化运行。

集中控制柜PLC和就地控制柜PLC之间交换数据采用西门子工业专用Profibus-DP网络，保证稳定性，集中控制柜PLC和就地控制柜PLC之间由以太网连接，可从井上对各个PLC控制柜进行远程维护及编程，并且集中控制柜提供西门子以太网接口，将水泵房数据上传到地面全矿井自动化平台。

2.2 205水泵就地控制柜

每台水泵旁边安装一台矿用一般型就地控制柜，型号为：KXK10/380，生产厂家为：唐山东润自动化工程技术有限公司，PLC为西门子CPU 315-2 PN/DP，继电器选用施耐德品牌，断路器、按钮、指示灯等器件采用西门子品牌。在与主站通讯失败时，可以独立完成单台水泵控制过程。实现水泵的一键顺序启停、参数检测、故障保护等功能，就地控制柜面板上安装一块10寸真彩触摸屏，型号为：PH24M（B），方便显示电机供电回路状态、流量、水泵温度、电流、功率等，并且就地控制柜内集成射流泵、真空泵控制回路和各电动闸阀配电控制回路。就地柜通过硬接线检测闸阀状态和输出关启命令，并将闸阀配电控制功能集成在就地控制柜内。配电装置过流、过热等相应保护齐全。

就地柜集成PLC控制和继电器搭接的硬接线控制两种控制方式，就地柜面板除触摸屏外，还应具有手动操作各闸阀的按钮和指示灯。

就地柜的操作模式有三种，通过旋钮进行切换：

检修：检修模式下，完全脱离就地柜PLC，采用硬件继电器搭接回路控制各阀门、电机等设备，相互之间不存在闭锁关系，达到PLC出现故障可以就地开水泵的目的。

就地：该模式为每台水泵的一键启停，由就地柜检测各类参数，自动PLC控制阀门、电机，实现水泵的顺序启动和停止，启停命令由就地柜上的按钮输入。

远程：该模式与就地模式类似，不同的是正常启停命令由远程（集控PLC发出）。

就地和远程模式原则上由旋钮开关确定，但当远程系统采用应急授权时，可由软件切换为就地柜的模式，而不受旋钮的限制，确保在危急情况下的远程控制。

2.3 压力传感器

采用电容式压力传感器，实现传感器和变送器一体化设计。规格型号：GPD20（正压），GPD100F（负压），生产厂家为：唐山东润自动化工程技术有限公司，额定电源24VDC，输出信号为4～20mA，防护等级IP54，正压测量范围为0～10MPa，负压测量范围为

-100～0kPa。

在每台离心水泵的出水口、吸水口分别装设1只正压力传感器、1只负压力传感器。

2.4 水位传感器

超声波液位计可采用二线制技术，二线制为：供电与信号输出共用；规格型号：GUW10，生产厂家为：唐山东润自动化工程技术有限公司，超声波物位计工作原理是由超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波遇到被测物位（物料）表面被反射折回反射回波被换能器接收转换成电信号。声波的传播时间与声波的发出到物体表面的距离成正比。声波传输距离S与声速C和声传输时间T的关系可用公式表示：S=C×T/2。适合各种腐蚀性、化工类场合，精度高，远传信号输出，PLC系统监控。水位传感器额定电源24VDC，测量范围0～12m，输出信号4～20mA。

2.5 流量传感器

在每台水泵的出水管路安装一台插入式超声波流量计，产品型号：GLCS250/500，生产厂家为：唐山东润自动化工程技术有限公司，额定电压AC127V，输出为4～20mA，带数字显示。

2.6 温度传感器

每台水泵各安装两个插入式PT100型温度传感器，安装在每台水泵的前轴和后轴位置，检测水泵前后轴承温度。产品型号：GWP200-C，生产厂家为：北京威斯特中航机电技术有限公司，将电机内部已有的预埋PT100信号及水泵两个插入式PT100接入到就地控制柜PLC温度采集模板上，并在就地控制柜触摸屏上显示每个位置温度。

2.7 防爆网络摄像仪

目前甲方已有型号为KBA127防爆型摄像头5台，生产厂家为上海山源电气股份有限公司，防爆摄像头额定电压为AC127V。乙方负责防爆型摄像头的安装、接线、调试工作，所采用的视频监控软件必须与甲方已有的摄像头配套。对205水泵房水泵、电机、水尺等进行实时监控，并能准确监视水尺的变化情况，利用工业以太网进行传输。

2.8 视频监视

在地面集控室配置网络硬盘录像机，用于监视防爆网络摄像仪视频图像并存储。硬盘录像机为网络硬盘录像机，32个网络摄像机接口，配置21寸显示器，用于视频存储查询。

2.9 上位机

在地面集控室配置上位机，实现远程监视、控制。产品型号：IPC-610H，生产厂家为：研华股份有限公司，处理器为i7-2600，内存4G，硬盘500G，显卡1G独显，组态软件选用组态王无限点。显示器为三星22"显示器。

3 可实现功能简介

（1）實现高效自动控制排水，达到无人值守的目的。集控室实现对205泵房的远方监测和控制；（2）系统设置水泵的轮换运行功能，在满足运行效率优先的情况下，调整均衡每台设备的运行时间，实现水泵设备的轮换运行，延长设备使用寿命；在特定季节能够强制轮换运行；（3）研发基于最优控制理论的软件程序，根据305、405水仓水位、用电峰谷段时间，实现排水优化，合理调度各水泵运行时间，达到分时段用电，“躲峰填谷”，节省电费支出，降低排水能耗，实现经济运行；（4）检测水泵及其电机的工作参数。如水泵流量、压力、轴温、电机温度、工作电流、电压等参数；（5）根据水泵及电机的运行参数，精确测算水泵的运行效率及工况，并适时对其进行调节，为水泵的维护保养提供科学依据，具有参数越限报警、故障报警以及自动保护等功能；（6）控制方式具有远方控制（上位机监控控制）、现场手动（设备检修或者调试用）和现场自动（按单一启停按钮或液位传感器自动控制）控制三种方式的选择，三种控制方式互相闭锁；（7）生成各种生产报表及统计、故障信息、设备运行状况等信息，可人工修改投入设备的各种参数；（8）安全性的保证能实时监测涌水变化率、水位情况，从而进行突水情况下的应急措施，如联合开泵等，保证泵房及变电所的设备安全；（9）上位机界面，当设备出现故障时，无论处于任何画面，均应自动提示报警，显示报警信息（告警类型、位置、时间、历时等），可以汇总各种运行及故障信息，打印各类报表、事故记录、历史数据、统计报表等，实现智能化管理运行；（10）排水自动化具有开放性，可方便地将其他软件接入现有软件，也可将此软件方便接入其他软件，扩展能力强。同时能将排水自动化纳入公司综合自动化平台，实现远程操作、监测监视。

4 应用效果分析

基于井下排水最优控制理论的控制程序的研究与应用以后，一是井下泵房排水系统符合煤矿安全质量标准化的井下排水泵房宜采用集中控制的要求；二是实现了有人巡视、无人值守的管控模式，减掉值班人员6人，按照每人每年5万元的工资成本计算，每年可节约工资成本30万元；三是在躲峰填谷工作方面取得很大效益，目前205泵房每天平均开泵时间为40台时（其中，峰段开泵时间为4台时，平段开泵时间为17台时，低谷段开泵时间为19台时），6kV水泵电动机额定功率为1120kW，额定电流为130.1A。据统计，1#水泵电动机每天启动2次，9#水泵电动机每天启动2次，7#水泵电动机每天启动2次，每天205泵房水泵电动机启动次数共计6次，根据现场实际情况，205水泵电动机直接启动电流为额定电流的6倍，为780.6A，直接启动时间至少为20s。

205泵房“躲峰填谷”开泵，每年排水电费=1120×4×0.7739×365+1120×17×0.5407×365+1120×19×0.3250×365+1120×6×20×6÷3600×0.5407×365=759.17万元。在未实现自动化控制以前205泵房每年的电费成本867.04万元。应用自动化控制系统后，排水电力成本每年可节约成本107.87万元，因此具有很大的推广应用价值。

参考文献

[1] 开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司205泵房自动化改造设计说明书及技术要求[S].

[2] 煤矿安全规程[S].2016.

作者简介：姚福海（1962-），男，开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司机电经理，电气高级工程师。

（责任编辑：周 琼）