煤矿井下排水智能控制系统研究

张兆军

（山西煤炭运销集团掌石沟煤业有限公司 山西省晋城市 048404）

1 煤矿井水排放方式

水平矿井涌水量、纵向掘进深度、横向开拓宽度以及水平矿井的用水量组成了煤矿井下排水系统，当前国内外排水系统的排水方式主要有以下三种（如图1 所示）：一是多水平独立式；二是多水平集中式；三是多水平逐级式。

1.1 多水平独立式

在多水平独立式排水系统中，在煤矿的每一个水平面都有泵房建设，泵房的主要作用在于矿井水的排放。同时每个水平泵房的排水管道都是独立的，每个独立的管道互相不产生影响。多水平独立式排水系统优势在于在水泵的投入过程中，在数量上只需要考虑泵房各自的排水需求，非常的安全。劣势在于消耗较大导致成本大，因为其需要较多的管道和较大的水泵功率需求。

1.2 多水平集中式

当涌水水平相差较大的时候，水平集中式排水方式就显得非常必要了。通过高低落差的方式，将高水平泵房向低水平泵房排放，进而低水平泵房再进行统一的排放，对于这种水平高低存在差异的煤矿而言，这种排水方式较为适合。多水平集中式排水方式的优势在于管道铺陈较为简单，成本消耗相对低；劣势在于仅仅适合与高低水平差异的煤矿，对于涌水分布均匀的煤矿而言并不适合。

1.3 多水平逐级式

多水平逐级式排水方式是目前多数煤矿采取的排水方式，其受欢迎的原因主要源自于它较为综合，是独立式排水方式与集中式排水方式的折中与综合。其工作方式为低水平的涌水经该水平的泵房将排至高一级水平泵房，并最终将矿水逐级排放出去。

2 煤矿井下智能排水系统的功能设计

如图2 所示，多种运行模式切换、可视化控制等构成了煤矿井下排水智能控制系统，智能排水系统以为煤矿井下排水系统的框架为依托开展具体的设计，其主要功能包括多样运行模式切换、可视化控制、水泵启停自动化等，如图2。

图2： 排水系统功能框图

(a)独立式 (b)集中式 (c)逐级式

2.1 可视化控制

动画模拟的呈现，让井下数据可以及时且清晰地显现出来，数据显现的平台为组态软件。在这样的前提下，工作人员不必下井，而是通过监控中心就可以对排水系统的具体情况予以较为清晰地了解，从而提高了工作效率，也让工作人员的工作负担得以减轻，工作安全得到保障。

2.2 系统保护

流量保护、超温保护、电机故障保护以及电动阀门故障保护组成了系统保护的四个保护层面。

（1）流量保护；指的是当生产过程中出现水泵排水量过多或者过少的时候，流量保护装置会通过相关功能的启动，最终达到流量正常的目的。

（2）超温保护；超温保护是当水泵轴承出现异常高温的时候，可以通过声光报警的方式提醒工作人员注意，从而保障生产安全。

（3）电机故障保护；当水泵低电压、漏电、电流过大等异常情况发生的时候，系统可以及时地发现并提醒，让安全隐患得以解决。

（1）电动阀门故障保护；指的是该系统会对电动阀门的开关状况进行实时的检测，从而避免因为开关问题引起的事故以及影响生产任务的现象发生。

2.3 多种运行模式切换

第一种是自动运行模式，该种模式是以智能控制策略为基础的。自动运行模式的工作原理为由水泵调度单元发出水泵启停。第二种模式为人井下控制台现场控制下的运营模式；第三种为和地面监控中心远程下的运营模式，第二种和第三种为人工手动的模式。纵观以上三种模式，是互相独立存在的，同时也可以在运营中互相切换，但是切忌切换过于频繁，会导致系统错误的发生。与此同时，在现场生产操作过程中，现场控制要优先于远程控制，手动控制优先于自动控制。系统优先级的设置是为了让水泵在维修中更加的方便与快捷，减少因为水泵维修耽误生产的发生。

2.4 排水系统的自动化

井下水泵调度单元对排水系统开展自动化的控制，自动化控制的载体为系统的自动调度功能，从而让排水系统自动化正常运行。自动化运营模式会在保证水仓水位正常，以及考虑节省电力成本因素的前提下开展水泵的优化调度，从而让生产实现安全与节能的双保证。

2.5 自动轮换工作

水泵的使用年限与水泵长时间的闲置与运行都有直接的关系。因此在设计中，通过设计水泵自动转轮功能，对水泵的运行时间进行及时检测的方式去了解水泵的运行时间，从而达到了解每一台水泵使用状况、累计使用时间的清晰了解，同时会对水泵的累计使用时间给予记录，对于工作过长的水泵及时地更换，从而避免因为水泵的损坏而影响生产的效率的发生。

2.6 数据信息采集与显示

足量的传感器配置是实现数据信息采集的前提，包括水泵的启动时间与频率，用水量与水仓水位等。工业以太网会将采集到的数据传送到地面控制中心，工作人员从组态软件显示的数据中对系统的运行状态给予准确的了解，从而更好地开展工作。与此同时，该系统还会自动保存采集到的数据，这些数据对系统的维护与稳定都具有较大的帮助。

2.7 水泵启停自动化

水泵启停命令需要井下调度单元、井下控制台以及地面监控单元多个平台的配合，多种要素缺一不可。与此同时，水泵启停工作的完成，需要电机信息、出水口压力、阀渣开度等信息在水泵控制单元收到启停命令之后得到采集。

3 排水智能控制系统的硬件设计

检测单元、水泵控制单元、水泵组调度单元构成了排水智能控制系统的主要组成部分，系统的硬件结构如图3 所示。

图3： 系统硬件结构

智能控制的关键与前提在于检测单元对水仓水位以及水泵参数的采集，同时也是水泵自动化控制的载体所在。水泵的运营状况、水泵运行时间等实时数据以及历史数据等都可以通过水泵组调度单元得以呈现，从而更好地实现水泵组的调度最优，让系统得到科学的保护，实现排水系统自动化科学运行。与此同时，还可以实现地面监控中心与井下工作开展有效的而工作联系。让水泵自动启停在传感器数据和水泵状态检测前提下完成，继而通过以太网将数据传输到地面控制中心，同时配合地面监控中心工作要求完成各项工作，这是智能控制系统的根基。

3.1 水泵组调度控制单元的设计

以控制系统的设计功能与结构图，对I/O 端口的需求开展具体的分析，对其所需要的输出相关数据和信息进行统计：数字量输入模块的两种控制策略服务，自动和人工的运动模式服务，急停和复位信号服务，综上共需6 个点。4 个点为模拟量输入模块、水仓水位服务，2 个点为排水管流量服务，以上共计4 个点。1 个点为数字量输出模块、报警信号服务，8 个点为故障指示服务，2 个点为模式显示服务，各1 个点为急停指示、报警信号、数字量输入模块服务，以上供给14 个点。

点数统计完毕后，对输出与输入模型分别进行选型，选型过程中要把安全、稳定性强作为首要的位置，同时要保证未来升级改造余量充足。以上述原则与I/O 点数为根基，指示灯、电机启动器等通过SM322 数字量输出模块进行有效的连接，从而成功地将对输出不同外部信号电平转换出来，PLC与数字量过程信号通过SM321数字输入模块实现连接，并支持不同控制信号连接以及支持多种输入电压。PLC 与模拟过程信号连接通过SM331 模拟量输入模块实现，从而实现电压、电流以及热电阻等传感器的连接。PS307-5a 和PS307-10a 是PLC 模块的电源模块选择的PLC 供电系统，其采用双电源供电，并运营过程中充分地将排水系统的重要作用融入进去，防爆型式采用Exd[ib]I。

3.2 数据采集单元的设计

数据采集单元的设计非常重要，是实现智能控制的根本与前提，该设计的目的在于对排水过程中的状况进行实时的检测，对排水设备关键部位参数及时地进行采集。传感器数据的精准采集对系统的性能以及对系统的判断都具有至关重要的作用。所以说，传感器在选型过程中要充分考虑到煤矿的具体情况，要将煤矿湿度与温度较高抖动大以及信号传输具体远的特点都考虑进去。检测频率以及传感器精度等参数需要满足系统的需要，同时也要将成本考虑进去，避免成本过高。

3.3 水泵控制单元的实现

水泵PLC 控制柜、电控排水阀、电控排水阀以及操作台是水泵控制单元的主要组成部分，其主要功能为水泵自动启停的实现。下边对电控排水阀进行选型以及对PLC 控制柜进行设计。

控制系统核心组成零件为S7-300KE 可编程控制器，其品牌名称为西门子。作为数据采集单元的基础硬件，KXJ660 矿用防爆本安型可编程控制器一是通过运行过程中对数据的采集与处理、水泵和电机状态检测，二是结合相应的传感器、电控闸阀、网络等组件完成对水泵的启停，从而实现水泵调度单元与地面监控单元数据的交替。电控闸阀代替机械闸阀是为了实现排水系统的自动运行。人工控制闸阀是当前井下排水系统最主要、最常见的井下排水系统工作方式，这种工作方式对工作效率的提升、工作人员安全的保障都继续改进，所以说排水阀智能化操作势在必行。Z941H-16P-DN300 矿用防爆电动闸阀让智能化操作更进一步，其220V AC 电源供电，实现水泵控制单元生产工作更高效。

为每台水泵控制单元设置对应的控制台，是水泵现场控制实现的根本途径。实现水泵控制模式与运营模式的切换，并手动控制排水系统的开关。显示器、开关按键和指示灯是控制台面的主要内容。显示器的作用在于让系统运营状态得以显示；开关按键主要由于运营模式、控制方式的切换以及闸阀和电机开关组成，实现对设备的启动和暂停控制；指示灯可以对设备运营状况通过闪烁的方式呈现系统运营情况。

4 排水智能控制系统的软件设计

4.1 系统保护功能

在系统出现故障的前提下，仍然不影响生产的进行，这是系统保护功能的主要作用。系统保护主要包括故障检测和水泵切换。故障检测通过水泵控制单元对投入使用的水泵进行检测，当发现故障，则将故障信息上传到水泵调度单元和地面控制中心，同时将水泵停止运营。当故障信号发出之后，水泵调度单元需要检测是否有备用水泵可以用，此时空闲的、功能正常的水泵将故障水泵取代，实现系统继续正常运行。

4.2 智能控制策略的实现

如图4，是“避峰就谷”优化调度软件实现流程图，在计算的过程中，以为水仓水位等数据作为对照参数。当信号存在的时候，对水位范围和时间段进行判断，并计算出需要开启水泵的数量，计算可按照第三章方法进行。继而对水位变化率并进行计算，同时以水位变化率为参考对水泵开启数量进行调整，并与事故的发生进行提前的预估。

图4： 基于“避峰就谷”的优化调度流程图

图5： 自动启泵控制程序流程

本系统的备选控制策略为基于模型预测控制策略，基于此，本系统对控制序列求解方法进行了创新，通过与模型预测控制的结合，将在线滚动得到优化，从而在快速得到调度序列的同时，让控制策略更加科学与高效。

4.3 水泵的自动控制的实现

自动启泵控制程序流程在自动控制模式下的运行状态如图6 所示。预警延迟会在启泵前10 秒进行，从而让工作人员有足够的时间远离工作状态下的水泵，避免因为水泵带来的危险。紧接着射流阀将气体排出，对真空传感器通过真空度进行检测，标准符合之后，在真空阀与射流阀关闭的同时将水泵电机开启。继而对出水口压力进行检测，检测合规之后，电动闸阀开启并排水。当真空度或者排水口压力不达标的时候，系统会进行故障报警，同时关闭电机与出水阀达到停泵的目的。

4.4 水泵自动轮转功能的实现

水泵自动轮换功能设计的主要目的在于让水泵的使用寿命延长，启泵命令发出之后，第一步要对各水泵的累计运行时间进行统计，并根据运行时间的长短进行排序，并根据要求选取水泵开启，并对选中的水泵进行运行时间与频次的记录。当水泵运行停止，再次记录其运行时间。水泵走动转轮对水泵运行过程中的各种数据进行及时的记录。同时针对这样的需求，在每台水泵上设置三个存储单元，在数据记录的前提下，让存储数据更加清晰可见，功能发挥也达到最好的效果。

4.5 排水智能控制系统监控单元设计

对井下泵房开展远程画面监控是监控单元的主要功能，该功能能够让人机交互界面对泵房实施情况检测更具时效性和直观性。本系统设计采用的软件为GE 公司研发的iFix，该监控软件可以让监控设备的状态实时的呈现。以太网PLC控制器或其它工业设备进行连接，工作人员对监控界面进行及时的检测和控制，对相关信息清楚了解，对被监控设备进行远程控制。远程控制与检测、历史曲线查询是监控单元的主要作用，系统管理、实时监控、报表和历史数据查询是地面监控中心的四个主要组成部分。

5 结论

综上所述，本设计系统将煤矿排水系统当先存在的问题和难题为研究对象，同时结合平煤排水系统的当前所处的状况，对水泵控制策略以及井下排水系统开展具体的研究。本研究共设计了两种不同的控制策略，在节能省电的同时，让排水系统更加的稳定与创新。在控制系统的架构和水泵智能控制策略的前提下，对煤矿井下排水智能控制的软件与硬件进行设计。