基于智能控制的井下排水系统的优化研究

范新凯

（中兴煤业防突区抽采队， 山西 交城 030500）

引言

当前，多数煤矿排水系统均采用的是“高低水位法”对排水系统的工作进行控制，在实际运行时，分别在积水区域设置初始水位线、高水位线及报警水位线。虽然该排水系统的方案初步实现了自动化，但其远没有达到自动运行的目的。在实际运行中存在着以下缺点[1]：

1）整个排水过程仅仅是简单依据当前积水区域的水位情况这一单一因素，并没有考虑突发的涌水情况，因此存在着较大的风险。

2）工作时，采取先运行一台排水装置进行排水，在排水过程中不断观察水位的变化情况，根据监测到的水位变化率决定是否需要增加排水装置，这种运行模式带有很强的试探性，灵活性差、排水效率低下。

3）该控制系统中，设定的三个水位线的高度很难通过计算得出，若将高水位线的数值定得高且与报警水位线之间的缓冲较少，则会导致经常在用电的峰值段进行排水作业；当高水位的数值定得较低，测试积水区域很难积存水，造成排水的装置频繁启动，增加电能的消耗，同时也严重降低了排水装置的使用寿命。

1 井下排水控制系统的优化方案

针对现有煤矿井下排水控制系统的缺点，采用优化设计的概念，对其进行优化。通过研究发现利用设置在积水区域的水位监测装置，建立积水水位模型，计算出发生涌水时的涌水量。在该控制系统中引入涌水量的预测概念，控制系统尽可能在用电的低谷时间段进行排水，在用电的高峰期进行积水，最大程度地实现“避峰就谷”的自动化控制。

1.1 涌水量的计算

在煤矿井下，积水区域的涌水情况会受到多种因素的影响，其单位时间内的涌水量无法直接计算，假设在某一单位时间内的涌水量可以用前一个单位时间的涌水量进行估算。将积水区域假设为一个圆柱体的水仓，在单位时间t内的涌水情况可通过设置在积水区域的液位计进行自动测量。将开始时刻的水位高度设为Hx，将结束时候的水位高度设为Hx+1，将圆柱底面积设为S，则该积水区域的涌水水量可表示为[2]：

1.2 “避峰就谷”控制策略的优化

在传统的“高低水位法”控制策略的基础上，综合考虑井下积水涌水及用电高峰和低谷的情况，在用电的低谷区段尽可能确保积水区域的水位保持在低水位线之下，确保其在用电高峰期能够尽可能多储水，从而确保在用电峰值排水装置处于非工作状态，实现节能。优化控制策略如图1所示。

图1 “避峰就谷”优化控制策略示意图

1.3 排水装置启动数量控制策略的优化

在积水区域根据水位的情况，分别设置低水位、高水位及报警水位，在进行控制时要求积水区域的水位严禁超出报警水位，而当水位超过高水位时系统便自动启动排水装置，开始进行排水并进行报警，在启动排水时同时开启的排水装置的控制流程如下页图2所示。

图2 排水装置启动数量控制策略流程

由图2可知，当在用电低谷区段时，若距离用电峰值开始的时间间隔为t，单位时间用水量为q，则其涌水量可表示为Q=qt，其超出低水位的积水体积为V，则需要排出的总水量为qt+V，若单个排水装置的额定流量为qe，则此时需开启的水泵数量n1可表示为[3]：

由式（2）可知，当n1≤2时，正常情况下需要开启n1个排水装置，在用电的高峰期到来之前将水位降到低水位以下，当n1＞2时，则系统控制开启全部的排水装置，确保在用电高峰期到来之前将水位降低到低水位以下。

当距离用电高峰期开始的时间间隔为t1时，则此时的涌水量可表示为Q1=qt1，在排水的过程中积水区域的水位增量可表示为VΔ=VH-Vx（VH表示为积水区域高水位的水量，Vx表示为当前的水量），此时如果Q1≤VΔ，则表明此时不增加水泵，在用电高峰到来前也不会达到高水位。当Q1≥VΔ时，这说明此时有溢仓的隐患，需要增加排水装置，此时需要开启的水泵数量为：

1.4 水位变化率计算方案的优化

对井下积水区域水位变化情况监测的准确性，是该自动化控制系统正常运行的基础，因此在现有井下积水区域水位监测方案的基础上，提出了一种新的水位自动监测方案。在该控制系统中分别设置投水位的变化率为Δh1，设置紧急水位变化率为Δh2，然后按优化后的排水装置启动数量控制方案，根据积水区域水位的变化情况进行合理调度。在工作中，若水位的实际变化率Δh1≤Δh，则依靠水泵轮换工作的控制流程，增加同时运行的排水装置的数量，直到Δh1≤Δh≤Δh2，当该区域的排水装置全部投入运行后依然无法确保水位下降，则系统发出报警，提醒相关区域的人员启动应急预案。当水位实际变化率大于紧急水位变化率为Δh2时，系统离开启动全部排水装置，启动应急排水[4]，优化后的积水区域水位判断及处理流程如图3所示。

图3 水位变化率优化处理流程

2 新型排水系统的总体结构设计

在对排水系统控制流程进行优化的基础上，针对现有煤井下排水系统的缺点，通过实际调查研究，提出了一种基于PLC控制、传感器及工业局域网为核心的新型智能化排水系统，其整个控制系统主要包括井下泵房控制中心、工业局域网、地面控制中心等，其总体结构如图4所示。

图4 新型井下自动排水系统结构总图

在该自动化排水控制系统中，处于核心地位的是井下泵房控制中心，其主要包括排水系统的控制主站及各类信息传感器设备。采用PLC作为系统的控制核心，主要用于对各传感器设备收集到的各类数据进行分析并完成与地面控制中心的通信，接收由地面控制中心传送过来的各种控制命令。通过井下泵房控制中心操作控制台可实现对该区域内排水装置的集中监测与控制。

地面控制中心主要利用工业局域网与井下泵房控制中心互联互通，利用iFix组态软件将各种信息以图表、曲线的形式在监控屏幕上进行显示，便于控制人员对井下排水系统的实时监测与控制，其具有故障报警、远程操控、记录查询等功能。

3 结语

煤矿井下排水系统用于将井下积水排出到地面上，保证井下的正常生产和作业人员的生命安全。优化后的煤矿井下自动化排水系统的应用，克服了原井下排水控制系统自动化程度低、控制流程繁琐、灵活性差、应急速度慢的缺点，大幅提高了井下排水系统的安全性和可靠性。