基于安全节能的矿井自动化排水控制系统设计.pdf

第4 8 卷 第1 期 煤炭工程 C 0AL EN GI NE ERI NG Vo 1 48， No 1 do i ： 1 01 1 7 99 c e 201 6 O1 0 09 基于安全节 能的矿井 自动化排水控 制系统设计 寇彦飞 ，杨 洁 明1 ,2 ，寇子 明 ( 1 太原理工 大学 机械电子工程研究所 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 3 太原理工大学 机械工程学院 山西省矿山流体控制工程( 实验室) 技术研究中心，山西 太原0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ：针对 目前排水系统在矿 井排水过程 中存在 自动化程度低 、耗 能高、应急能力差等 问 题 以 s 7 3 0 0及其扩展组件的控制体 系设计为基 点，提 出了一个基 于安全节能控制策略的煤矿 自动化排水 系统。详细地 阐述 了系统 自动化监控原理 ，通过微处理 器对泵房最大涌水量、水位变 化率 、水仓的容积、电力 负荷信息以及 系统其他的模拟量监测信号进行微积分运算，运 用多参数 模糊控制理论决策，实现对水泵的 自动轮流切换与排水。结合现场运用案例 ，验证 了系统具有安 全可靠、节能高效的 良好性能。 关键词 ：矿井安全 ；节能降耗 ；排水系统； 自动化控制；P L C 中图分类号 ：T D 7 4 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 3 1 0 4 De s i g n o f mi ne a ut o ma t i c dr a i na g e c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n s a f e t y a nd e n e r g y s a v i n g KOU Ya n -f e i 。 r ，YANG J i e - mi n g ，KOU Z i - mi n g ( 1 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Ma c h i n e r y a n d E l e c t r o n i c s ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ， Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a nc e d T r an s d u c e rs a n d I n t e l l i g e n t Co n t r o l S y s t e m o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a； 3 Mi n e F l u i d C o n t rol E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r( L a b o r a t o ry)i n S h a n x i P r o v i n c e ，S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ai mi n g a t t h e l o w d e g r e e o f a u t o ma t i o n ， h i g h e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d p o o r e me r g e n c y r e s p o n s e c a p a c i t y i n c o a l mi n e d r a i n a g e p r o c e s s ， t h i s p a p e r t o o k t h e c o n t r o l s y s t e m o f S 7 3 0 0 a n d i t s e x t e n d e d c o mp o n e n t s a s t h e b asi s p o i n t s ， p r o p o s e d a n a u t o ma t i c d r a i n a g e s y s t e m b a s e d o n t h e c o n t r o l s t r a t e gy o f s afe a n d e n e r gy s a v i n g T h e p r i n c i p l e o f a u t o ma t i c mo n i t o ri n g s y s t e m wa s d e t a i l e d ， u s i n g t h e mi c r o p r o c e s s o r t o c a l c u l a t e t h e p u mp ma x i mu m d i s c h a r g e ， t h e r a t e o f c h an g e o f t h e w a t e r ，wa t e r s t o r a g e v o l u me，p o we r l o a d i n f o r ma t i o n a n d a n a l o g s i g n a l ， an d t h e a u t o ma t i c r o t a t i o n an d d r a i n a g e o f t h e p u mp wa s r e a l i z e d u s i n g t h e t h e o r y o f mu l t i p ara me t e r f u z z y c o n t r o 1 Ac c o r d i n g t o fil e d a p p l i c a t i o n，t h e s y s t e m wa s s a f e ， r e l i a b l e，e n e r gy s a v i n g a n d e f f i c i e n t Ke ywor d s：c o al mi ne s a f e t y； e n e r gy s a v i n g； d r a i na g e s y s t e m ；a u t o ma t i c c o n t r o l ； PLC 我国煤田地质条件十分复杂 ，9 5 的是地下作业受 水威胁的煤炭储量占探明储量的 2 7 ，水害已成为煤矿开 采的五大灾害之一_ 1 I 2 。随着开采深入，矿井加深，排水功 率加大，目前 最深 的 矿井 达 到 1 3 0 0 m，电 机功 率 可达 2 0 0 0 k W 以上，排水系统处于长期持续运转，高额功率和复 杂的管路不仅造成电耗居高不下，而且导致系统效率降低， 收稿 日期 ： 基金项 目： 作者简介 ： 引用格式 ： 缩短设备使用周期l 3 。此外，由于安全投人比例不足。影 响到生产设备更新缓慢，直接给矿井安全造成威胁。在一 些高瓦斯和透水严重的地方煤矿由于安全投入不足。监 控系统不完善、水泵房不正规 、排水能力不足或配置不齐 导致 抵抗灾害能力 弱 _ 4 。 因此 设计 一套 安全可 靠 、节 能降 耗的 自动化排水控制系统尤 为迫切 。 2 Ul 5一U 一l 2 国家 “ 十二五”科技支撑计划 “ 煤矿透水快速救援排水设备研究” ( S Q 2 0 1 2 B A J Y 3 5 0 4 ) 寇彦飞( 1 9 8 4 一) ，男，陕西吴堡人，博士研究生，主要从事机电液一体化方面的研究，E m a i l ： 1 6 3 c o m。 寇彦飞，杨洁明，寇子明基于安全节能的矿井 自动化排水控制系统设计 J 煤炭工程 ， 31 3 4 k o u y a n f e i 1 0 2 6 2 0 1 6 ，4 8 ( 1 ) ： 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 6 年第 1 期 目前，对矿井自动化排水相关的研究包括徐海 等人 对主排水泵进行了远程监控系统的研究，针对原有系统的 缺陷进行了改进；张海涛_ 6 等人提 出了矿井泵房远程监控 系统，实现了排水系统的集中控制和管理；车永军 等人 针对传统人工手动排水系统存在的问题，研究并设计了矿 井中央水泵房 自动化排水系统：刘润花_ 8 等人研制 了一种 矿井水泵自动控制方案的设计，达到有效节约能源、降低 劳动强度、延长设备使用寿命的 目的。但是国内多数矿井 水位检测精度不高，操作随意性大。无法实现涌水量的实 时监测及排水过程的科学调度。不能满足排水控制要求。 本文针对 目前排水 系统存 在 的问题 提 出基 于安全 节能 的 矿井自动化排水系统 ，对煤矿安全高效 的生产具有重要 意义 。 1 安全节能控制策略 矿井排水系统伴随矿井生产是矿井安全生产必不可 少的一项重要装置，这就要求排水系统能够安全可靠的运 行。此外 ，在煤矿安全运行的前提下，排水系统的用电量 占全 矿耗 电量 比重 非常大 ，这 要求 排水 系统能 够节 能经 济 的运 行。该系统分别采 用多级 防护策 略及 “ 避峰 就谷 ” 策 略实现矿井排水系统的安全节能控制。 多级防护策略：即分别从电源、控制器、软件等多层 次对控制系统进行安全防护。控制方式如下：采用相互独 立的双 C P U冗余控制器，通过双总线数据传输 ，当其中一 个控制器发生故障时，自动切入另一台控制器进行运行， 保证系统运算可靠高效 ，同时采用 E P S应急电源，防止水 泵运行时突然断电，保证控制系统能正常运行；根据水位 变化率和水仓安全容纳时间，通过系统软件动态实现水仓 水位始终适应涌水量变化，并按照设定的程序启停水泵。 “ 避峰就谷”策略：即把一天的用电时间划分为峰段和 谷段 ，在峰段时间尽可能的启动较少的泵，避免对电网产 生冲击，充分利用水仓的有效容积使矿井处于储水阶段； 在谷段时间统筹排水 ，启动多台泵进行集中排水，使水仓 水位降到最低点。具体控制如下：根据水仓水位变化率来 判断泵房的涌水量，结合实时运算水仓的剩余容纳量及水 泵的排水量同时判断电量负荷，系统通过记忆水泵的运 行时间，在谷段时实现轮流启动水泵排水。根据水位及程 序计算排 水量停 止水 泵。当系 统处 于用 电峰段 时 ，通过 程 序运算确保泵房安全的情况下，尽量避免频繁启停水泵 ， 造成水泵寿命的缩短及电能的浪费。 2 控制系统总体结构设计 2 1 系统结 构组 成 整个系统主要由 P L C控制柜、水泵系统及各种相应的 传感器组成，系统结构组成如 图 1所示。P L C控制柜是井 下控制的核心设备，主要完成井下信息的收集 、整理与控 制，同时实现与地面监控设备进行信息通信，将井下数据 传递到地面显示屏。 3 2 图 1 控制 系统结构组成 2 2系统硬 件 连接 该系统选用西 门子 S I M A T I C ( 西 门子 ) S 7 3 0 0系列 P L C 作为中央处理单元。s 7 3 0 0系列 P L C是模块化 的设计方 式 ，配置有接 口模块 ( I M) 、信号模块 ( S M) 、功能模 块 ( F M) 和通讯模块( C P) 等，通过各个模块的 自由组合可以 实现各类功能扩展。硬件连接图如图2所示。 图 2 硬 件连 接图 1 )P L C模块处理单元。主要完成对传感器及电机综保 的监测量进行运算与处理并且根据其运算结果 来实现 对 执行 部分的控制 ，达到水泵在有保护的前提下 自动启停 。 2 )高压启动综合保护单元。实时监测电动机的三相电 压、运行电流、功率及故障等信息，通过通讯接口传输 电 动机的各种参数到 P L C处理单元 实现对电动机进行故障 保护。 3 )受控件执行部分 。控制单元 由系统 控制柜 、阀门控 制柜、就地按钮箱组成 ，主要对射流泵的启停控制、装置 电动球阀、管路电动液控闸阀、放水闸阀、配水阀及水泵 近控进行按钮控制 。 4 )监测部分。负责监测水泵的真空度、排水管路的压 力、电动机保护装置的信息 、流量及所有阀的开关量，与 系统柜的 P L C处理单元相结合 。通过读取监测部分的信息， 实现对所有设备 的运行情况进行 了解 。 5 )声光报警 。控制 系统监 测设 备运行 出现故 障或者水 位发生突变 时 ，报警装 置发 出声光 报警 ，提示水 泵 司机进 行及时维护处理 。同时通过地面调度上位机发出短信报警， 领导能及时了解信息 ，避免事件的发生与扩大影响。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6 年第 1 期 煤炭工程 3系统监控原理 煤矿自动排水控制系统的控制体制分三级 。即操作人 员可在就地按钮箱、井下防爆操作台、调度 中心三点对煤 矿 自动排水控制系统进行监测与控制。系统根据现场所采 集的数据包括矿井涌水量 、供 电电源、排水系统参数等以 及编制的程序 ，对矿井排水泵、各类 阀等进行控制并 自 动调整泵组的运行数量 ，完成矿井排水闭环控制。 排水系统对单台设备的控制方式设有近控 、远控两种 方式，便于系统的配套和单独使用；同时系统具有检修与 远控模式。检修时，水泵脱离控制体系，通过就地按钮箱 进行控制；远控时，通过井下防爆操作台控制水泵启停。 3 1 检修 原理 检修时水泵完全脱离 自动控制系统 ，通过就地按钮操 作箱控制水泵的启停。主要职能表现为 ：调度监控台和 井下防爆操作台只能对设备进行监测，无法控制 ，用户根 据系统报警信息可及时对控制机构进行维护升级；没有 连锁控制，对系统的单个设备进行操作维护 ，如射流泵球 阀、电动液控闸阀、水泵进行具体操作，保障维护设备的 高效性及人身的安全：系统的所有控制线缆都通过就地 按钮操作箱连接到终端，避免线缆的凌乱放置，起到就地 分线箱的作用。 3 2远程 控 制原理 系统的远控分为手动、半 自动、全 自动三种模式，通 过以太网把 P L C控制柜的数据传输到井下防爆电脑操作台， 运用三维组态软件模拟现场画面，使得操作者不仅能灵活 操作，而且能实时观察到水泵运行的各种参数及开关量的 信 号。远程控制原理流程如 图 3所示 。 远程控制模式 全自动 根据均匀磨损 调用启动泵号 ， i Y 半自 动l J手动 调用启动多 l f 同台水泵程 I l 序( 报警并给l l 强排启动信 1 号) i I 一 键操 一I 作按钮 、 Y 盒 J 器高 l 鑫 泵 J象 霾 否谷 段 调用启 动水泵 程序 依据 指示 进行相应 处 理 读取操 作水泵 排气注水 调用启l广 _ 生 - 泵程序 f i启泵 图 3远 程 控 制原 理 流 程 图 1 )手动模式。设备操作人员可以在井下防爆电脑操作 台或者调度操作平台上互锁进行操作 ，通过控制仿真界面 上的模拟按钮将操作命令传达到中央处理单元，由P L C驱 动继电器吸合执行动作，逐步实现射流泵抽真空、启动水 泵、打开阀门等，同时能监测各种运行参数及开关到位信 号。 2 )半自动模式。操作人员根据观察监测水位情况 ，通 过水泵启动、停止一键操作按钮发出脉冲信号到中央处理 单元 C P U。P L C根据预先设定程序流程，自动执行水泵的 启停。 3 )全 自动控制。系统完全脱离人为操作，设备的动作 受控于 P L C的控制单元，运用比例微分( P D ) 控制方案 ，通 过模糊控制理论决策，根据水位变化率和水仓安全容纳时 间动态实现水仓水位始终适应涌水量变化的安全原则 ，以 节约电能为水泵的运行原则，通过实时监测电量负荷 ，采 取用电 “ 避峰就谷” 的控制策略 ，统筹调度泵房水泵的启 停。为了确保安全 ，系统通过对水位值的实时微分处理， 分段计算出水仓水位 的平均变化率，来判断水仓的涌水情 况，及时采取相应措施，保障泵房的安全。 3 3突发情况控制原理 煤矿自动化控制系统对井下的突发事件处理有以下两 种情况：系统突然断电，系统通过实时监测供电系统， 当监测到系统断电时 ，在停电瞬间自动切换到 E P S应急电 源供电，使监测设备不会停机；涌水量过大或透水 ，由 于煤矿井下具有地质情况的特殊性，时常发生涌水量大甚 至透水事件，所以矿井 自动排水控制系统的应急反应 、处 理能力，也是权衡控制系统是否安全与稳定的重要条件。 如发生涌水事故，则同时启动泵房正常使用和备用的离心 泵排水通过系统监测排水量 如果排水量还是小于涌水 量，则自动化控制系统应立刻向上级水泵控制系统发出警 示信息，给地面强排系统发出启动信号，运用强排水泵和 泵房离心泵联合排水 ，同时发出紧急透水报警及短信 以 便让井下人员及时撤离，让领导实时了解井下信息，对泵 房情况进行紧急处理 ，从而将事故的影响降到最小。突发 情况控制原理流程如 图 4所示 。 图 4 突发情况控 制原理流 程图 3 3 Y 一 读位一 一 算水一 独 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 6 年第 1 期 3 4故 障防护原 理 矿井自动化排水装置可实现对水泵启停及运行过程进 行实时监测及故障保护。在水泵工作的过程中，控制系统 对水仓水位、电压 、电流、压力、功率、流量、温度 、真 空度、各种阀门的状态及高开综保信息、故障等参数在线 监测 ，通过微积分运算，对多参数数据进行融合，运用模 糊控制理论得出结论 ，从而对设备进行可靠保护。 4 应用实例 运 用基于安全节能 的矿井 自动化 排水 控制 系统 的设计 原理 ，对汾西集团、离柳集团、大土河等水泵房进行了 自 动 化改造 ，对现场 7台水泵 改造 后 ，实现 自动 化排 水 。经 过长时间运用，系统出现故障或监测到异常时，不仅能在 报警的同时有效保护排水设备及突发事件的应急处置。而 且能带来可观的经济效益。煤矿 电网的用电一般按天分为 三个 时间段 ：峰段 时间 ( 6 ：3 0 1 1 ：3 0 ，7 ：O 0 2 1 ：3 0电 价为 0 7 5元 k w h ) ，谷 段 时间 ( 2 2 ：0 0 5 ：0 0电价 为 0 2 5 k W h ) ，平均电价为 0 5 k W h 。朱家店矿提 供的用电参数见表 1 。 表 1 泵房改造前后用电参数 谷 电量 =( 月总 电量 一 平电量 ) ( 峰谷 比+ 1 ) ；峰电量 =峰谷 比 谷 电量 按照提供的用电参数计算泵房改造后，在基于水位 率与水仓容积 自适 应的基 础上 运 用避 峰就谷 的原 则进行 自动化排水 ，一年节约的电费为 8 2 9 7 4 4元，同时能减少改 造前水泵房的司机 2人，由变电所的值班人员维护即可完 ( 上接 第 3 0页) 提出了应对措施对今后类似大型矿井的罐道选型具有积 极 的参考价值 。 展望未来 ，重载 条件下 玻璃 钢复 合罐道 选 型 问题 ，还 有大量的工作需要继续 ：开展 已建成大型矿井的水平力 测试与原设计水平力相对照，并逐步完善水平力计算方 法。指导今后井筒装备的设计及矿井生产时期井筒装备的 安全评价；随着井简装备和其它研究工作的开展 ，在进 一 步掌握井简装备( 罐道、罐道梁等) 受力状况的前提下， 采用新材料 、新工艺 。推动井筒装备技术的全面革新。 参 考文 献 ： 1 张荣立 ，何 国纬 ，李铎 采矿工程 设计手册 M 北京 ： 3 4 成，按节约 2名司机工资计算 ，节约工资 a =司机人数 司 机工资 月 1 2 =2 x 4 0 0 0 x 1 2 9 6 0 0 0 f r _, a ，所以改造后泵房一 年至少节约 9 2 5 7 4 4元 。 通过上述案例证明。本文提出的基于安全节能 的自动 化排水控制 系统具有较好 的安全 、节 能性 能。 5 结语 本文运用通讯网络与 S 7 3 0 0 P L C控制体系设计了以 安全节能为控制策略的矿井 自动化排水系统，对井下水泵 的运行能实现自动控制，具有完整的保护及预警措施，在 突发事件中，能与强排系统关联排水，为实现矿井 自动化 排水打下较 为扎实 的基础 。同时 ，系统 的控 制体 系具 有 良 好的扩展性、灵活性 ，设备都具有远程和就地两种接 口， 能够同时满足各种不同工况的现场需要 。不仅提高矿井 自 动排水的可靠性，而且能为矿方节能方面产生较为可观的 经济效益。 参考 文献 ： 1 武 强 ，刘 伏 昌，李 铎矿 山环 境 研 究 理 论 与 实践 M 北京 ：地质出版社 ，2 0 0 5 2 孙继平 煤矿 自动化与信息 化技术 回顾与展 望 J 工矿 自动化 ，2 0 1 0 ( 6 ) ：2 6 3 0 3 张成 春矿 井排 水节 能对 策研 究 J 科 技 创新 与应用 ， 2 0 1 5 ( 1 7 ) ：1 2 0 4 史丽 萍 ，刘 志远 ，梁经 宛 ，等矿井 排 水 智能 控 制 方法 J 煤矿安全 ，2 0 1 0 ( 4 ) ：8 3 8 6 5 徐海 ，刘波基于 P L C的主排水泵 远程监 控系统 的研 究与应用 J 煤矿安全 ，2 0 1 2 ( 1 ) ：7 3 7 6 6 张海涛 ，孟 国营 ，翟宇 ，等矿 井泵房 远程监控 系统 的 设计 J 煤炭工程 ，2 0 1 2 ( 8 ) ：1 2 8 - 1 2 9 ，1 3 3 7 车永军 ，王成真 ，杜利宏 煤矿 井下 中央水泵房 自动 化排 水系统研 究 与应 用 J 煤 矿 开采 ，2 0 1 3( 5 ) ：2 8 3 1 ， 3 7 f 8 刘润花 ，李敬涛 ，朱全 印节能 型矿井水 泵 自动 控制 系统 的研制 J 煤炭工程 ，2 0 0 7 ( 8 ) ：1 0 0 1 0 1 ( 责任编辑赵巧芝) 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 3 2 G B 5 0 3 8 -2 0 0 7，煤 矿立井井筒及硐 室设计规范 s 3 史天生 ，田建胜 ，郭晋蒲 ，等刚性井简装备水平作 用力 的 工程计算法 J 中国矿业大学学报 ，1 9 9 5 ，2 4 ( 1 ) ：卜7 4 王汝珙竖井井简装备计算 J 煤炭学报，1 9 9 4 ，1 9 ( 2 ) ： 1 61 1 6 9 5 王东权 ，史天生 ，刘志强 ，等深立井刚性井简 装备结构 的 计算方法 J 中国矿业大学学报 ，1 9 9 7，2 6 ( 1 ) ：5 8 6 王东权 ，史天生 ，郭晋蒲 ，等立井刚性井简装 备与提升容 器相互作用模拟 实验 研究 J 煤 炭学 报 ，1 9 9 8 ，2 3 ( 2 )： 1 7 0 -1 7 3 ( 责任编辑赵巧 芝) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m