煤矿井下排水控制系统设计与优化 郭建伟

0 引言

由于降水渗透和河流水的影响，在煤矿的开采过程中，煤层结构中极易出现水的涌出。当掘进机在开采过程中破坏掉岩石的堆积结构时，则容易发生突水事故[1-2]，危及矿井工人的生命安全，因此，设计可靠的矿井排水系统对于煤矿的安全生产具有重要的意义。据统计，每开采1吨煤要排出3～6吨积水，偶尔甚至要排出20～30吨水，对于井下的排水系统是一个巨大的考验。同时，由于井下排水系统控制策略的滞后，很多情况下，排水系统的启动和运行控制，需要依赖人为的操作，根据工人经验判断水泵运行情况和水位变化，存在临界真空度不明确、读数不准等问题。本文对现有排水系统进行分析和优化，设计可以远程监控的自动化排水系统。

1 控制系统方案设计

在传统的控制方法中，主要利用接触式的传感器和继电器进行排水系统的控制。现场采集到的数据包括：压力、水位、温度、真空度、电流以及开泵时间，在开泵时间的控制上，主要依靠人为的经验判断时长，存在工作效率低、可靠性差的问题。本系统在此基础上，进行了计算机控制、控制网络、检测传感器、可编程控制器等技术的优化，提高系统工作的可靠性。

1.1 系统结构

本套系统采用离心式水泵，该排水系统的主要组成部分包括：离心式水泵、流量计、出水闸阀、电磁阀、真空表、射流泵、真空泵等[3]。该系统中，各主要部件的功能如下。

（1）出水阀可以调节水泵的流量和扬程，一般安装在距离泵体1 m左右的位置，在水泵启动时，慢慢打开该阀门，减少水泵在启动时产生的电流，节省功耗；在水泵关闭时，关闭阀门，防止管道中的水逆流入电机。

（2）在泵体启动过程中，如果开泵失败，同时，出水阀没有关闭的情况下，可能导致管道中的水的逆流，这个时候，需要在管道中增加防止水逆流的、具有方向性的器件，这就是逆止阀，其可以保证水流的方向，保护泵体。

（3）射流泵、真空泵的作用主要是向泵体中注入水，在水泵启动之前需要排出泵体中的空气，射流泵通过吸走泵体中的空气，在泵体中形成真空的环境，利用大气压力，将泵体外的水注入到真空的泵体内，实现注水的目的。

1.2 控制原理

离心式水泵的工作过程主要包括四个方面：水位监测、泵体抽真空、操作阀门和电机、运行参数调节。

水位监测是排水系统的重要组成部分，排水系统根据水位监测的结果决定是否要开始排水，由此可见水位参数是排水系统的重要参数，为了使该参数稳定可靠，在排水系统中安装两套水位监测传感器，两者互为备用，保证监测水位的准确度；水泵腔内充满液体时，才能正常工作，若真空度不够，则会在气泵启动时，造成气浊，在水泵启动前需要检测泵体内真空度，保证泵体抽真空；水泵运行中的参数包括：水仓水位高度、出水压力、吸水管真空度、水泵温度、电机电流等。当水泵参数不正常时，需要立即停止工作，避免故障范围扩大。

水泵的启动和停止过程如图2所示。

图1 排水系统结构图

图2 启停过程流程图

1.3 控制系统结构

控制系统主要分为井下排水控制系统和地面监测站两个部分。现场的控制系统主要包括PLC控制柜、就地操作箱、传感器、出水闸阀、射流阀、真空阀、高压开关柜组成。地面监控系统包括一台工控机，光端机和工业电视系统。

现场控制器的主控机选型为S7-300，该PLC是由西门子公司生产，被广泛应用在煤矿控制系统中，具有良好的稳定性和可编程性，可以满足现场控制的需求。在PLC中又可以分为电源模块、数字量模块、模拟量模块、CPU。地面监测系统和PLC之间的通讯是通过工业以太网完成的。利用VB程序编写上位机软件，实现对现场参数的实时监测和动态显示。

2 系统硬件设计

2.1 硬件结构

以PLC为核心的控制系统是井下排水系统的核心，控制系统的硬件结构如图3所示，和CPU连接的扩展模块主要包括数字量输入、数字量输出、模拟量输入和以太网接口四个部分。其中，以数字量信号作为输入的包括控制方式选择、液位开关、水泵开关、急停、故障复位开关、水泵电机运行状态；以模拟量信号作为输入的包括水泵的真空度、压力，水泵的电机电流、电压和温度，排水的总量；以数字量信号作为输出的包括水泵电机开关控制、电磁阀开关控制、报警开关控制、运行指示灯、排水总量；以太网的数据传输给显示屏和上位机软件，并将排水系统的实时信息上传至企业环网。

图3 控制系统硬件结构

2.2 PLC模块选型

根据PLC采集参数的数量可以对PLC的各个模块进行选择，主站模块的选型见表1。中央处理单元选择为CPU315-2PN∕DP，该模块具有以太网接口和PROFIBUS-DP接口可以扩展变频器，具有速度快、扩展能力强的优点；电源模块采取双电源供电的工作方式，选择为PS307-5A和PS307-10A，根据电流型号的不同可以选择接入的模块数量，在井下排水系统中作为一主一备，保证控制系统供电可靠性；数字量的输入选择SM321模块、数字量的输出选择SM322模块，模拟量的输出选择SM331。通过SM321、SM322模块进行传感器和PLC输入、输出电平的转换。

表1 PLC模块选型统计表

2.3 传感器选型

2.3.1 流量传感器

本系统的流量传感器采用超声波传感器，安装位置在距离泵体1 m左右的管道的两侧，通过统计泵体排除水的体积来决定排水系统的参数是否需要调整。

在液体流动过程中，超声波顺流向和逆流向的传播速度不同，超声波传感器利用流体的流速和正反向超声波的速度差计算通过管道中的液体体积，工作原理如图4所示。

图4 流量计工作原理

管道的直径为D，在管道两端安装的超声波传感器探头分别为A、B，A、B互为彼此的发射端和接收端，供电电源为交流127 V，输出信号为标准的4-20 m A信号。t1为逆流向超声波从B发送到A所用的时间，t2为顺流向超声波从A发送到B所用的时间，t2大于t1，两者做差可以得到如下公式：

式中，L为A、B之间的距离；V为流体的流速；C为超声波的传播速度。

流量计算公式为：

2.3.2 真空度传感器

真空度传感器是用来测量泵体内真空度的传感器，通过传感器采集的数据，判断是否具有开泵的条件。

真空度传感器的工作原理类似压力传感器，当被测物理量接触传感器时，传感器内部的敏感元件产生形变，这种形变在电路中表现为阻值的变化，通过判断敏感元件的电阻阻值，可以判断真空度。其工作原理图如图5所示，外部采用12VDC供电，具有体积小，功耗低等特点。

图5 真空度传感器工作原理

3 排水系统优化策略

3.1 “避峰就谷”策略模型及弊端

在大多数的煤矿排水系统的控制策略都选择为“避峰就谷”模型，通过设置一个高水位、一个低水位和一个水位的极限值[4-5]，这种控制方法简单地根据水位的变化情况对排水系统进行控制，可以实现自动排水的额目标。

但是，“避峰就谷”的控制策略只是通过人为的经验给出水位的最高值、最低值和极限值，不能根据环境的变化情况进行策略调整，具有非常大的局限性。当水位变化很快时，不能灵活调整，表现出滞后性[6]。

3.2 控制策略优化设计

针对传统控制策略的弊端，设计考虑水位变化率的优化策略，根据水位的变化快慢实时调整水泵投入的个数，提高排水系统的工作效率。

控制策略如图6所示，在排水系统中安装有三个水泵，可以随时工作。根据水位变化的快慢，可以设定三个和水位变化率相关的参数：（1）Δh1：紧急水位变化率；（2）Δh：水位变化率；（3）Δh2：投入水位变化率。

当Δh2≤Δh≤Δh1时，水位变化率的数值正常，不用开启水泵；当Δh1≤Δh时，水位变化率较高，容易引发事故，这时，启动三个排水水泵，同时发出警报，提示工作人员撤离；当Δh≤Δh1时，水位变化率较慢，处于安全情况，可以根据“避峰就谷”的控制策略进行排水；

图6 控制策略流程图

4 总结

井下排水系统是煤矿开采中的重要环节，本文以S7-300为核心，设计井下排水系统的硬件系统。对井下主控站的CPU，电源模块，数字量输入、输出，模拟量输入、输出模块进行选型，阐述相关传感器的测量原理，针对传统排水系统的单一控制策略进行优化，提出基于水位变化率的排水系统控制策略，提高排水系统工作效率。