李松恩

【摘 要】 文章針對(duì)礦井排水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平不高、能耗高、控制策略不合理的問題，提出了采用PLC對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制，同時(shí)利用“避峰就谷”控制策略，根據(jù)時(shí)間和涌水量的大小對(duì)系統(tǒng)排水進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，排水系統(tǒng)的電費(fèi)成本大大降低，排水平均價(jià)格由1.66元/m3降至1.25元/m2，在滿足排水需求的同時(shí)有效降低排水系統(tǒng)的用電量，實(shí)現(xiàn)礦井排水系統(tǒng)自動(dòng)化及節(jié)能的目的。

【關(guān)鍵詞】 排水系統(tǒng);自動(dòng)化;水泵;PLC;優(yōu)化控制

【中圖分類號(hào)】 TP272 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）01-0020-02 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

煤炭開采過程中，地層巖層極易遭到破壞，使井下涌水量增加，若不及時(shí)排出，將影響礦井的正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)造成人員的傷亡。因此，井下排水系統(tǒng)就變得尤為重要。本文則利用PLC對(duì)礦井排水系統(tǒng)進(jìn)行了控制設(shè)計(jì)，同時(shí)利用“避峰就谷”控制策略，實(shí)現(xiàn)了礦井的自動(dòng)化及節(jié)能的目的。

1 井下排水系統(tǒng)工作原理

井下排水系統(tǒng)由信號(hào)采集部分、綜合控制器、操作臺(tái)和執(zhí)行設(shè)備四部分組成。中央水泵房是排水系統(tǒng)的核心部件，采用的核心控制器為西門子S7-300系列PLC，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集，通過操作臺(tái)完成對(duì)系統(tǒng)的集中控制。有三種設(shè)置方式：工作、備用、檢修。系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位的變化及水泵啟動(dòng)停止的設(shè)定時(shí)間，來確定正常工作的水泵數(shù)，其工作原理如圖1所示。

2井下自動(dòng)化排水系統(tǒng)的優(yōu)化

系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位的變化，在正常工作的水泵數(shù)量滿足要求的條件下，在不同時(shí)間段控制不同的水泵運(yùn)行數(shù)量，達(dá)到節(jié)能的目的。傳統(tǒng)的“避峰就谷”是在水位較高且處于用電低谷時(shí)間段或者水位進(jìn)入警戒線后，水泵開啟，當(dāng)水位較低時(shí)或者用電高峰期，水泵停止，這種方式僅依據(jù)水倉(cāng)內(nèi)的水位來作為水泵是否開啟的依據(jù)，風(fēng)險(xiǎn)較大且排水效率較低。利用PLC后將采集到的涌水量的預(yù)測(cè)加入水泵開啟的條件之一，通過涌水量計(jì)算，使系統(tǒng)始終保持在最適宜的水位，即用電低谷期開啟較多的水泵，使水倉(cāng)水位降到最低，增大水倉(cāng)的容量用以儲(chǔ)存更多的用電高峰期的礦井水，以減少用電高峰期水泵開啟的數(shù)量，同時(shí)開泵臺(tái)數(shù)可依據(jù)水位監(jiān)測(cè)進(jìn)行確定，使系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能的目的，水泵開啟數(shù)量計(jì)算流程圖見圖2。此外，利用最優(yōu)化原理，建立水位控制的數(shù)學(xué)模型，通過遞推算法可實(shí)現(xiàn)排水過程的優(yōu)化。

3井下排水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

可編程控制PLC已廣泛應(yīng)用于礦山設(shè)備中，在井下排水系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)的可靠性和靈活性，通過設(shè)計(jì)不同的控制程序，實(shí)現(xiàn)了不同的控制方式。在水泵正常運(yùn)行前，可選擇不同的控制方式。選擇本地手動(dòng)控制時(shí)，操作人員可通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的控制。當(dāng)點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕后，水泵開始工作，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的壓力值時(shí)，點(diǎn)擊水閘閥，水泵正常工作。當(dāng)采用自動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在水泵開啟前自動(dòng)檢測(cè)是否具備開泵條件，條件滿足后，信號(hào)輸送給PLC，PLC控制系統(tǒng)開啟水泵，并不斷監(jiān)測(cè)水泵內(nèi)的壓力值，當(dāng)壓力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉水泵并進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。如果出水處的壓力在一定時(shí)間內(nèi)未達(dá)到預(yù)定值，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)停泵流程，并發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)遇到意外或其他符合停泵的特殊情況時(shí)，同樣停泵流程開啟。自動(dòng)控制流程見圖3所示。

系統(tǒng)通過PLC程序控制實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化調(diào)度，采用“避峰就谷”控制策略，在用電低谷期多排水，在用電高峰期蓄水，較少啟動(dòng)水泵，其流程見圖4。通過現(xiàn)場(chǎng)不斷采集數(shù)據(jù)，將其預(yù)先寫入PLC。通過水位監(jiān)測(cè)信號(hào)的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的抗干擾處理。同時(shí)用電高峰期泵時(shí)明顯降低，排出1m3的廢水所需平均成本由1.66元降至1.25元，能達(dá)到節(jié)約電費(fèi)的目的。

4結(jié)論

本文分析了礦井排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其電氣控制工作原理，同時(shí)提出了排水系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略，利用PLC進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高了排水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，通過“避峰就谷”控制策略，在滿足排水需求的同時(shí)可有效降低排水系統(tǒng)的用電量，實(shí)現(xiàn)礦井排水系統(tǒng)節(jié)能的目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙磊.礦山建設(shè)中水文地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（20）：625.

[2]王大威.姚家山礦千米深井開采的突水災(zāi)害研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2016.

[3]張東偉.煤礦水災(zāi)事故的預(yù)防與治理[J].黑龍江科技信息，2013（3）：75.

[4]徐衛(wèi)峰，楊建旗，陳霈，等.煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化改造及控制策略優(yōu)化[J].煤炭技術(shù)，2017，36（2）：190-192.

[5]肖楠.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2018，39（11）：152-154.

[6]宋紹樓，姚凈千.基于模糊控制的礦井排水控制系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].控制工程，2017，24（10）：2022-2026.

[7]郝玉輝.基于PLC的井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，31（6）：20-22.