井下排水智能控制系统的设计及应用

黄 伟

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西长治 047100）

0 前言

智能控制技术属于一种综合性技术，其把微电子技术、计算机技术、人工智能技术以及自动化技术等多种高新技术加以融合的一门学科[1]。通过应用智能控制技术能够确保产品生产的水平以及质量等均有所提升，另外，还能够降低人工作业强度，显著地节省成本投入，减少能源以及资源的消耗数量[2]。煤矿开采过程中，会涉及到非常多的机电设备，而且不同的机电设备要能够配合使用才可以确保开采作业能够顺利完成。所以，煤矿开采机电设备的控制系统也开始应用智能控制技术。在煤矿生产过程中，井下排水系统发挥着重要的作用，若是在生产过程中井下的积水无法有效排出，将会极大地影响到煤矿正常生产，而若是水仓发生溢水，将对煤矿开采造成极为不利的影响，严重时还可能会导致人员伤亡[3]。所以，保证井下排水系统稳定与可靠是确保煤矿开采安全的重要保障。

1 经坊煤业井下排水系统问题分析

经坊煤业热水仓泵房承担着热水蓄水池供水工作，不过，在对泵房的实际控制过程中所采用的方法相对而言较为传统，其是利用继电器设备完成水泵的启动与停运操作。在对水仓实时水位、水泵真空度、出水位置的压力值、水泵电压与电流大小和水温等进行测试与监控的过程中，全部需要人工进行测量。开泵的时间点以及时长等也是操作人员依照地面所反馈的蓄水池相关参数完成操作[4]。此种控制方法在很大程度上需要依赖于作业人员的实践经验，从而导致很多安全隐患的存在，系统运行的可靠性也相对差，不能对井下排水设备进行集中控制，也无法实现无人值守的目标，这与煤矿企业的现代化发展要求不相符[5]。另外，因为在实际排水环节，要求不同部门之间的人员参与，而且所需流程也相对复杂，这样对于管理造成不利影响，若是其中某个环节存在问题，就会使得热水仓发生溢流问题，而热水会流至大巷之中，导致排水降压不够及时，而且会使得作业面的温度升高，作业人员的作业环境变得更为恶劣，因此，要求应当尽快针对井下排水系统进行智能控制改造。

2 经坊煤业井下排水智能控制系统整体方案

2.1 井下泵房现场情况

从泵房到热水蓄水池设置有主要排水管道，管道的直径大小为ϕ250 mm，泵房排水的高度值是850 m，在排水管道的地面出后位置，还和分水仓相互连接，正常情况下分水仓与排水管道之间的阀门处在关闭状态，所排水均会注入之蓄水池之中。在水泵房之中设置有2台水泵设备，水泵的型号均为YB-5604型号，水泵扬程为930 m，额定排水量为420 m3∕h，工作效率为76%。两个水泵均使用相同的射流水源进行引水，目前排水系统采用人工控制的方式，主要是借助于继电器装置加以控制，实际操作过程中非常的繁琐，而且水泵的启动时间也相对长，很多设备的运行参数唯有依靠人工方式进行测量，不能达到集中控制的目标，系统的运行效率相对较低，而且可靠性相对差，调度室人员也无法直接获取到水泵方的具体运行情况。

2.2 智能控制系统总体结构

就目前经坊煤业水泵房排水系统在实际控制过程中所出现的问题，在全面的调研与分析之后，充分利用工业以太网、计算机以及传感器装置等，对控制系统加以改造，确保井下排水系统能够实现智能控制。

所构建的智能监控值整体结构示意图如图1所示，在该智能控制系统之中，包含有地面控制室、蓄水池检测站点、工业以太网络以及泵房监控站等。

图1 热水仓泵房排水系统总体结构

（1）井下水泵房监测站。井下水泵房监测站是智能控制系统之中最为重要的部分，其包含有井下监控主站、信息收集装置以及信号传感装置等共同构成。监测站的核心控制元件为PLC装置，型号为S7-300型，该装置能够接受来自于就地操作系统以及上位机装置所发出的控制指令，同时还能够实时地收集信号传输装置所输送的各种参数信息，并且还会实时地与地面监控点进行信息交流。借助于就地操作系统之中的控制开关以及触摸屏等设备，能够对整个排水系统各个设备加以集中管理与控制，还可以实现在线实时监测。

（2）地面监测分站。地面监测分站同样属于智能控制系统之中的监控单元，其所应用的监控装置为PLC装置，型号为S7-200，可以实现对蓄水池水位、水温以及进水流量等参数的全面监测，并且可以将所监测到的数据及时输送到监测主站，为水泵的开启与停运操作提供信息参考。

（3）地面监控室。在井下以及地面所收集的各种数据信息，能够利用基于iFix组态软件所研发的上位机系统，将相关数据采取动态方式进行加以展示，同时还能够实现远程监控的目标[6]。在上位机系统之中，会将相关的操作信息以及故障信息等全部记录于数据库之中，能够供管理人员以及维修人员等实时查询。在调度中心还设置有工业电视设备，能够在线地现实水泵房监控画面，确保煤矿生产管理水平得以进一步提升。

图2 数据访问原理图

2.3 通讯方案

本系统所采用的KEPServer EX软件属于世界范围内工业领域中非常先进的一种OPC服务器，其拥有极其强大以及优良的工业通讯性能。在该智能控制系统之中，借助于OPC与煤矿安全自动化工业网络相连，并实现和PLC装置之间的通讯功能。依照PLC实际设计要求，需要在KEP⁃Server EX软件之中添加上Channel和Device，并利用Excel软件事先编辑好所对应的驱动器地址，然后进行批量导入。在系统之中PLC装置负责收集排水系统中现场设备实时运行参数，并实现对现场设备的控制工作，KEPServer EX服务器之中还安装有PLC控制装置的驱动，从而能够确保服务器可以实时地获得PLC装置之中储存区域内的相关数据信息，然后，iFix组态软件便能够经过OPC服务器客户端而得到服务器之中各种数据信息，在经过特定的分析与处理之后能够提供给不同的功能模块应用。图2为数据访问原理图。

3 经坊煤业井下排水智能控制系统智能控制目标的实现

当处于智能控制状态下，依照水泵的不同编号以及计算得到的水泵开启数量，PLC装置能够自动控制水泵运行。排水系统水泵智能控制流程示意图如图3所示。

图3 水泵智能运行控制流程图

在智能控制系统接收到了开泵的指令之后，PLC装置便会采取自动控制的方式，首先对开泵的具体条件加以判断，若是能够达到条件，则事先预警30秒以对井下作业人员进行提升。然后进行抽真空作业以及注水作业，在满足系统设定参数最后，便将出水阀门关闭，此时便启动水泵装置，并对出水口的压力进行检测，在达到设定压力值时便将出水阀门打开。

水泵进行启动时，要是水泵装置之中的注水高度值，或者是出水口位置的压力值，在相应时间范围内不能满足系统实现设定的参数要求，系统便会自动发出声光报警信号，然后PLC装置便会发出停泵指令，自动完成水泵停运操作。进行排水过程中，要是达到了水泵停运的条件，或者是其中一些设备出现了故障问题，则依旧会启动自动停泵操作。

依照智能优化方案，结合“避峰就谷”的智能控制原则，更好地利用水仓自身容积，处在电能使用谷段期间，应当尽量进行排水作业，在电能使用的峰段区间，应当尽可能少地启动水泵[7]。不过，应当注意的是，无论何种情况首先均应当确保井下排水作业能够保障煤矿生产的安全性。

4 井下排水智能控制系统在经坊煤业实际应用的意义

（1）可以实现不同的控制方式。在采用智能控制系统之后，能够实现就地控制以及远程控制等两种不同的控制方式。在采用就地控制时，不仅能够进行手动控制，同时还能够进行自动控制。而采用远程控制方式时，能够实现地面控制中心远程的对水泵系统进行控制，从而能够达到无人值守的目的。

（2）可以实现智能控制。在系统之中构建了相应的数学模型，能够自动计算用水量数据，依照供电系统的复合情况，结合不同负荷下的实际电价，确保排水系统能够更加科学与智能地调度，达到“避峰就谷”的控制目标，确保煤矿企业井下排水作业的成本能够进一步降低[8]。

5 结语

以往所采用的控制方式以及策略等和企业的现代化管理要求不再适宜，而煤矿目前排水系统控制方式也和低碳环保理念不符，无法确保煤矿实现可持续的发展。因此，利用智能控制技术构建智能控制系统对于煤矿企业现代化管理目标的实现具有重大意义。