井下排水智能控制系統的設計及應用

黃 偉

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西長治 047100）

0 前言

智能控制技術屬于一種綜合性技術，其把微電子技術、計算機技術、人工智能技術以及自動化技術等多種高新技術加以融合的一門學科[1]。通過應用智能控制技術能夠確保產品生產的水平以及質量等均有所提升，另外，還能夠降低人工作業強度，顯著地節省成本投入，減少能源以及資源的消耗數量[2]。煤礦開采過程中，會涉及到非常多的機電設備，而且不同的機電設備要能夠配合使用才可以確保開采作業能夠順利完成。所以，煤礦開采機電設備的控制系統也開始應用智能控制技術。在煤礦生產過程中，井下排水系統發揮著重要的作用，若是在生產過程中井下的積水無法有效排出，將會極大地影響到煤礦正常生產，而若是水倉發生溢水，將對煤礦開采造成極為不利的影響，嚴重時還可能會導致人員傷亡[3]。所以，保證井下排水系統穩定與可靠是確保煤礦開采安全的重要保障。

1 經坊煤業井下排水系統問題分析

經坊煤業熱水倉泵房承擔著熱水蓄水池供水工作，不過，在對泵房的實際控制過程中所采用的方法相對而言較為傳統，其是利用繼電器設備完成水泵的啟動與停運操作。在對水倉實時水位、水泵真空度、出水位置的壓力值、水泵電壓與電流大小和水溫等進行測試與監控的過程中，全部需要人工進行測量。開泵的時間點以及時長等也是操作人員依照地面所反饋的蓄水池相關參數完成操作[4]。此種控制方法在很大程度上需要依賴于作業人員的實踐經驗，從而導致很多安全隱患的存在，系統運行的可靠性也相對差，不能對井下排水設備進行集中控制，也無法實現無人值守的目標，這與煤礦企業的現代化發展要求不相符[5]。另外，因為在實際排水環節，要求不同部門之間的人員參與，而且所需流程也相對復雜，這樣對于管理造成不利影響，若是其中某個環節存在問題，就會使得熱水倉發生溢流問題，而熱水會流至大巷之中，導致排水降壓不夠及時，而且會使得作業面的溫度升高，作業人員的作業環境變得更為惡劣，因此，要求應當盡快針對井下排水系統進行智能控制改造。

2 經坊煤業井下排水智能控制系統整體方案

2.1 井下泵房現場情況

從泵房到熱水蓄水池設置有主要排水管道，管道的直徑大小為?250 mm，泵房排水的高度值是850 m，在排水管道的地面出后位置，還和分水倉相互連接，正常情況下分水倉與排水管道之間的閥門處在關閉狀態，所排水均會注入之蓄水池之中。在水泵房之中設置有2臺水泵設備，水泵的型號均為YB-5604型號，水泵揚程為930 m，額定排水量為420 m3∕h，工作效率為76%。兩個水泵均使用相同的射流水源進行引水，目前排水系統采用人工控制的方式，主要是借助于繼電器裝置加以控制，實際操作過程中非常的繁瑣，而且水泵的啟動時間也相對長，很多設備的運行參數唯有依靠人工方式進行測量，不能達到集中控制的目標，系統的運行效率相對較低，而且可靠性相對差，調度室人員也無法直接獲取到水泵方的具體運行情況。

2.2 智能控制系統總體結構

就目前經坊煤業水泵房排水系統在實際控制過程中所出現的問題，在全面的調研與分析之后，充分利用工業以太網、計算機以及傳感器裝置等，對控制系統加以改造，確保井下排水系統能夠實現智能控制。

所構建的智能監控值整體結構示意圖如圖1所示，在該智能控制系統之中，包含有地面控制室、蓄水池檢測站點、工業以太網絡以及泵房監控站等。

圖1 熱水倉泵房排水系統總體結構

（1）井下水泵房監測站。井下水泵房監測站是智能控制系統之中最為重要的部分，其包含有井下監控主站、信息收集裝置以及信號傳感裝置等共同構成。監測站的核心控制元件為PLC裝置，型號為S7-300型，該裝置能夠接受來自于就地操作系統以及上位機裝置所發出的控制指令，同時還能夠實時地收集信號傳輸裝置所輸送的各種參數信息，并且還會實時地與地面監控點進行信息交流。借助于就地操作系統之中的控制開關以及觸摸屏等設備，能夠對整個排水系統各個設備加以集中管理與控制，還可以實現在線實時監測。

（2）地面監測分站。地面監測分站同樣屬于智能控制系統之中的監控單元，其所應用的監控裝置為PLC裝置，型號為S7-200，可以實現對蓄水池水位、水溫以及進水流量等參數的全面監測，并且可以將所監測到的數據及時輸送到監測主站，為水泵的開啟與停運操作提供信息參考。

（3）地面監控室。在井下以及地面所收集的各種數據信息，能夠利用基于iFix組態軟件所研發的上位機系統，將相關數據采取動態方式進行加以展示，同時還能夠實現遠程監控的目標[6]。在上位機系統之中，會將相關的操作信息以及故障信息等全部記錄于數據庫之中，能夠供管理人員以及維修人員等實時查詢。在調度中心還設置有工業電視設備，能夠在線地現實水泵房監控畫面，確保煤礦生產管理水平得以進一步提升。

圖2 數據訪問原理圖

2.3 通訊方案

本系統所采用的KEPServer EX軟件屬于世界范圍內工業領域中非常先進的一種OPC服務器，其擁有極其強大以及優良的工業通訊性能。在該智能控制系統之中，借助于OPC與煤礦安全自動化工業網絡相連，并實現和PLC裝置之間的通訊功能。依照PLC實際設計要求，需要在KEP?Server EX軟件之中添加上Channel和Device，并利用Excel軟件事先編輯好所對應的驅動器地址，然后進行批量導入。在系統之中PLC裝置負責收集排水系統中現場設備實時運行參數，并實現對現場設備的控制工作，KEPServer EX服務器之中還安裝有PLC控制裝置的驅動，從而能夠確保服務器可以實時地獲得PLC裝置之中儲存區域內的相關數據信息，然后，iFix組態軟件便能夠經過OPC服務器客戶端而得到服務器之中各種數據信息，在經過特定的分析與處理之后能夠提供給不同的功能模塊應用。圖2為數據訪問原理圖。

3 經坊煤業井下排水智能控制系統智能控制目標的實現

當處于智能控制狀態下，依照水泵的不同編號以及計算得到的水泵開啟數量，PLC裝置能夠自動控制水泵運行。排水系統水泵智能控制流程示意圖如圖3所示。

圖3 水泵智能運行控制流程圖

在智能控制系統接收到了開泵的指令之后，PLC裝置便會采取自動控制的方式，首先對開泵的具體條件加以判斷，若是能夠達到條件，則事先預警30秒以對井下作業人員進行提升。然后進行抽真空作業以及注水作業，在滿足系統設定參數最后，便將出水閥門關閉，此時便啟動水泵裝置，并對出水口的壓力進行檢測，在達到設定壓力值時便將出水閥門打開。

水泵進行啟動時，要是水泵裝置之中的注水高度值，或者是出水口位置的壓力值，在相應時間范圍內不能滿足系統實現設定的參數要求，系統便會自動發出聲光報警信號，然后PLC裝置便會發出停泵指令，自動完成水泵停運操作。進行排水過程中，要是達到了水泵停運的條件，或者是其中一些設備出現了故障問題，則依舊會啟動自動停泵操作。

依照智能優化方案，結合“避峰就谷”的智能控制原則，更好地利用水倉自身容積，處在電能使用谷段期間，應當盡量進行排水作業，在電能使用的峰段區間，應當盡可能少地啟動水泵[7]。不過，應當注意的是，無論何種情況首先均應當確保井下排水作業能夠保障煤礦生產的安全性。

4 井下排水智能控制系統在經坊煤業實際應用的意義

（1）可以實現不同的控制方式。在采用智能控制系統之后，能夠實現就地控制以及遠程控制等兩種不同的控制方式。在采用就地控制時，不僅能夠進行手動控制，同時還能夠進行自動控制。而采用遠程控制方式時，能夠實現地面控制中心遠程的對水泵系統進行控制，從而能夠達到無人值守的目的。

（2）可以實現智能控制。在系統之中構建了相應的數學模型，能夠自動計算用水量數據，依照供電系統的復合情況，結合不同負荷下的實際電價，確保排水系統能夠更加科學與智能地調度，達到“避峰就谷”的控制目標，確保煤礦企業井下排水作業的成本能夠進一步降低[8]。

5 結語

以往所采用的控制方式以及策略等和企業的現代化管理要求不再適宜，而煤礦目前排水系統控制方式也和低碳環保理念不符，無法確保煤礦實現可持續的發展。因此，利用智能控制技術構建智能控制系統對于煤礦企業現代化管理目標的實現具有重大意義。