張世楠

（晉城宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 排水控制系統(tǒng)存在的問題

目前，我國煤礦井下排水系統(tǒng)大多利用“高低水位法”對水位進(jìn)行控制，在煤礦井下現(xiàn)場應(yīng)用過程中，需要在現(xiàn)場積水位置按照需要進(jìn)行水位設(shè)定，分別劃分出低水位、報警水位以及高水位，根據(jù)水位線位置的不同進(jìn)行控制，雖然這種控制方法在一定程度上實現(xiàn)了水位的自動控制，但是其控制過程存在一些缺點，主要體現(xiàn)在如下方面：

1）系統(tǒng)排水過程的控制是以水位為控制對象，控制參考參數(shù)比較單一，對于現(xiàn)場出現(xiàn)的涌水情形沒有進(jìn)行參考，導(dǎo)致現(xiàn)場可能出現(xiàn)一定的危險。

2）在系統(tǒng)排水過程中，需要對其中一組排水系統(tǒng)進(jìn)行控制排水，排水期間需要對水位進(jìn)行實時監(jiān)測，根據(jù)水位的變化情況對其余的排水裝置進(jìn)行控制，一定程度上依賴于主觀判斷，導(dǎo)致控制精度不高，操作不靈活。

3）在原有的排水控制系統(tǒng)中，高水位、預(yù)警水位以及低水位三組水位線無法進(jìn)行實際計算，如果所設(shè)置的報警水位與高水位之間數(shù)值差距不大，很容易造成排水系統(tǒng)工作處于井下用電量大的問題，導(dǎo)致井下供電不足；如果高水位線設(shè)置的過低，導(dǎo)致積水區(qū)域水位始終無法形成有效高度，排水系統(tǒng)頻繁啟動，導(dǎo)致現(xiàn)場電能消耗增加，同時導(dǎo)致排水系統(tǒng)的應(yīng)用年限受到影響。

2 井下排水控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析的井下排水系統(tǒng)存在的主要不足之處，本文將對其進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計控制系統(tǒng)。按照現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行水位監(jiān)測系統(tǒng)的布置，通過水位監(jiān)測數(shù)據(jù)建立積水?dāng)?shù)據(jù)模型，根據(jù)模型計算得出系統(tǒng)涌水量。通過引入涌水量概念，統(tǒng)計井下用電負(fù)荷主要的工作時間，控制排水系統(tǒng)在用電非高峰期間進(jìn)行排水作業(yè)，使系統(tǒng)用電控制在用電低谷時間段，達(dá)成“避峰就谷”的控制策略[1]。

2.1 涌水量的計算

在井下生產(chǎn)過程中，井下的積水區(qū)域出現(xiàn)涌水現(xiàn)象是由不同影響條件共同作用下形成的，對某一時間段內(nèi)涌水估算是不能直接獲取的，而可以根據(jù)上一時間段的涌水情況進(jìn)行本時間段內(nèi)涌水量的估算。本文假設(shè)井下積水區(qū)域為圓柱體空間，可以通過利用水位監(jiān)測系統(tǒng)對固定時間段t 內(nèi)的涌水量進(jìn)行計算[2]，假設(shè)初始階段積水區(qū)的水位為Hx，而涌水結(jié)束之后的積水區(qū)水位為Hx+1，假設(shè)積水區(qū)的面積為S，那么對于該區(qū)域內(nèi)的涌水量可以利用公式Q=（Hx+1-Hx）S/t 進(jìn)行描述。

2.2 控制策略的優(yōu)化

在考慮現(xiàn)在應(yīng)用的“高低水位法”進(jìn)行現(xiàn)場水位控制的基礎(chǔ)上，通過對井下積水區(qū)發(fā)生涌水情況以及對井下設(shè)備出現(xiàn)用電高峰以及用電低谷的時間進(jìn)行分析，通過控制策略實現(xiàn)積水區(qū)的低水位出現(xiàn)在用電高峰之前，保證在井下設(shè)備出現(xiàn)用電高峰期間積水區(qū)能夠最大量地進(jìn)行積水存儲，確保排水系統(tǒng)不進(jìn)入排水運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)井下供電的穩(wěn)定。如圖1 所示為本文設(shè)計的“避峰就谷”控制策略示意圖[3]。

圖1 “避峰就谷”排水控制方案示意圖

2.3 排水裝置啟動數(shù)量控制策略的優(yōu)化

在井下積水區(qū)域內(nèi)根據(jù)水位的位置分別設(shè)定了三組水位線，分別是低水位、報警水位以及高水位，在對水位進(jìn)行控制過程需要保證水位在報警水位之下，而當(dāng)現(xiàn)場積水達(dá)到高水位的時候，就需要啟動排水裝置進(jìn)行排水作業(yè)，并進(jìn)行報警。在井下用電沒有達(dá)到高峰，假設(shè)所處的時間與達(dá)到用電高峰的間隔為t1，并且井下出現(xiàn)的在單位時間內(nèi)涌水為q，那么到達(dá)用電高峰的時間t1內(nèi)將會出現(xiàn)總涌水量為Q1=qt1，同時假設(shè)此時積水量超出了最低水位達(dá)到了V，那么就需要在用電高峰之前實現(xiàn)對全部水量進(jìn)行排出，也就是需要排出qt1+V 的水量。假設(shè)在運行的水泵額定流量為qe，那么如果滿足在時間t1內(nèi)實現(xiàn)全部水量排出需要的水泵數(shù)量為n1=（Q1+V）/qet，通過公式可以看出：在計算得到n1≤2 的情況下，需要啟動n1個水泵進(jìn)行排水作業(yè)；在計算得出n1＞2 的情況下，需要將水泵全部開啟，以保證在時間t 內(nèi)將所用積水排出，避免造成用電高峰排水工作。在進(jìn)行排水過程中可以利用公式VΔ=VH-Vx表示積水量的變化情況，其中VH表示的是高水位的積水量，Vx表示的是當(dāng)前水位積水量，根據(jù)所計算的結(jié)果對排水量與積水增加量進(jìn)行對比，如果Q1＜VΔ，表明排水量較涌水量多；而如果計算得到Q1≥VΔ的情況時，說明此事涌水量大于排水量，存在溢倉的風(fēng)險，需要增加運行水泵水量，這時需要增加的水泵數(shù)量可以利用公式n2=（Q1+VΔ）/qet1計算得出。

2.4 水位變化率計算方案的優(yōu)化

為了實現(xiàn)本文設(shè)計的自動控制水位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確運行，需要對水位的變化進(jìn)行實時準(zhǔn)確檢測，根據(jù)現(xiàn)有水位檢測方法對其進(jìn)行優(yōu)化，得出新型水位檢測手段。在水位監(jiān)測期間分別設(shè)定兩組變化率參數(shù)，分別為投水位變化率以及緊急水位變化率，其中投水位變化率用Δh1表示，而緊急水位變化率用Δh2表示，在進(jìn)行水位自動控制過程中，優(yōu)化后的控制方案是按照水位的變化率對排水系統(tǒng)啟動數(shù)量進(jìn)行控制。在需要進(jìn)行排水作業(yè)期間，如果水位的實際排水變化率Δh≥Δh1，說明當(dāng)前水位變化較慢，需要增加排水水泵數(shù)量，當(dāng)檢測到實際水位的變化率滿足Δh1≤Δh≤Δh2時，積水區(qū)域全部水泵投入運行都不能保證水位下降，就會發(fā)出水位報警信號，提示相關(guān)人員開啟緊急預(yù)案。當(dāng)檢測到系統(tǒng)實際排水變化率符合Δh≥Δh2時，排水系統(tǒng)裝置全部開啟進(jìn)行緊急排水。

3 新型排水系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對現(xiàn)有井下排水系統(tǒng)進(jìn)行實地分析，并結(jié)合改進(jìn)之后的井下排水控制策略設(shè)計了本文新型排水系統(tǒng)控制方案。在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上采用的是利用PLC 作為控制核心，并利用各類傳感器對信號進(jìn)行檢測獲取實時信號，同時利用局域網(wǎng)實現(xiàn)整體控制的智能化，將最終控制顯示部分設(shè)置在井下泵房控制中心，同時設(shè)有井上控制部分。在整套系統(tǒng)中，處于核心控制地位的是井下泵房，通過對各類信息的收集按照上述設(shè)計的水位控制自動控制策略實現(xiàn)對水位的自動調(diào)控，同時將信號利用局域網(wǎng)發(fā)送到井上系統(tǒng)進(jìn)行顯示。井上系統(tǒng)可以對井下實現(xiàn)控制，將控制信號利用局域網(wǎng)發(fā)送到井下控制中心，井下控制中心實現(xiàn)對排水系統(tǒng)的直接控制。本文設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)中，信號檢測主要是水位信號的檢測，通過水位傳感器信號進(jìn)入PLC 系統(tǒng)，PLC 對其進(jìn)行信號分析，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)做出排水系統(tǒng)的控制信號輸出。地面系統(tǒng)主要是對井下信息的實時顯示，包括當(dāng)前水位、故障情況、歷史數(shù)據(jù)以及實時畫面等信息。其顯示是通過組態(tài)軟件編寫，利用觸摸屏顯示并操作。

4 結(jié)語

在煤礦生產(chǎn)中，需要對井下積水進(jìn)行實時檢測并排出地面，以保證能夠在安全狀況下進(jìn)行井下生產(chǎn)。通過對當(dāng)前井下排水系統(tǒng)的分析，對存在的主要缺點進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)總結(jié)的缺點制定了優(yōu)化后的自動排水系統(tǒng)方案，同時提出了“避峰就谷”以及排水系統(tǒng)控制策略，對于及時準(zhǔn)確地實現(xiàn)井下水位控制以及實現(xiàn)用電低峰進(jìn)行排水作業(yè)具有現(xiàn)實作用，可以保證井下生產(chǎn)安全可靠。