煤矿井下排水智能控制
新时期智能技术得到快速发展与普及，在各行各业均得到有效应用，煤矿井下排水智能控制是煤矿发展的方向，通过智能控制，能保证煤矿井下排水的可靠性。本文首先对系统整体架构进行介绍，其次分析了系统硬件设计与排水泵智能优化调度，最后对系统软件设计进行阐述，希望可以为我国煤矿行业的健康发展提供支持。
关键词:煤矿井;排水系统;智能控制
在开采煤炭时，会对地层结构造成一定的破坏，岩层可能会出现断裂现象，如果岩层断裂，开采区和储水层就会连接在一起，继而发生突水事故，涌水量就会迅速增加。在这种情况下，如果没有及时将积水向外排出的话，就会对煤矿生产工作造成影响，同时也会对井下的安全造成威胁，给人民的生命、国家的财产带来极大的威胁。因此，排水系统是煤矿生产过程中不可缺少的组成部分。随着矿井开采的不断深入和技术的不断进步，矿井生产对煤矿排水系统的自动化系统要求也越来越高，一套稳定可靠的智能排水系统不仅能够使井下水泵排水系统实现自动控制，使水泵排水系统安全可靠、节能高效、经济合理地运行，而且能够实现减人增效、安全生产。
1系统整体架构
泵房智能控制系统硬件构架示意图如图1所示，系统根据冯家塔矿业运营有限责任公司井下排水系统具体情况，应用智能控制、计算机监控、大数据分析等技术，研发一套泵房智能控制与能效优化系统。该系统主要由计算机监控平台、PLC控制系统、预警与通话装置、视频监控系统等组成。PLC控制系统采用西门子S7系列产品，上位机监控平台基于Wincc开发平台编程;视频系统配置海康高清机芯;预警与通话系统由数字语音报警器KXH127构成，具备开泵预警、故障语音提示、语音对讲等功能。视频和控制系统均具有网络发布接口，无论是集控室用户、矿调度用户、internet用户，都可以通过不同的用户权限登录访问视频数据和控制数据界面。
2系统硬件设计
系统硬件主要由两部分构成，即井下部分和地面部分。其中，井下部分的主要设备包括操作箱、控制箱、监测传感器以及相应的执行部分。执行部分主要是由就地控制箱及其控制对象共同构成，可直接控制水泵、真空泵以及电磁阀等设备。而地面设备的核心就是计算机和通信站，可通过工业环网和井下部分连接起来。
2.1矿用PLC控制箱
在井下泵房为每台水泵配置矿用可编程控制箱一台。PLC当中含有输入模块，控制柜可以利用这一模块监测传感器信号的采集，信号采集完成之后就可以按照程序的要求开启或者是停止水泵;然后再和井下工业网进行连接，将获得的信息传输给控制计算机;最后控制计算机和操作台会发出水泵启停的指令。PLC控制箱内选用西门子S7－1200系列产品。S7－1200系列PLC属于模块化结构设计，每一个模块都是独立的，可以进行多种组合［1］。
2.2操作箱
按照相关要求，需要为泵房当中的每一台水泵都装一台操作箱。操作箱的关键构成部分是控制面板和显示屏，可以直接对水泵、电磁阀等设备的操纵情况和运行情况进行监控。该操作箱可以通过趋势图、图形填充等方式同步显示水仓的实际水位，且可以发出预告信号和报警信号。比如说，如果水位过低或者过高的话会直接发出报警信号，以提醒工作人员，让工作人员及时发现和解决问题［2］。此外，该操作箱可以以动态形式模拟水泵、电磁阀等设备的运行情况，如果判断出问题会直接发出事故报警信号。
2.3主要监测传感器选型
PLC属于工业控制装置，其中含有传感器，可用于信号检测，因此无论是传感器的精度还是可靠性都会直接影响到控制系统的运行状态。当前市面上有很多类型的传感器，比如压力传感器、水位传感器等，不同类型的传感器具有不同的适用范围，因此应该根据传感器的性能合理地选择传感器。①测量范围:每一种传感器都有自己的测量范围，如果超出了测量范围就可能会导致测量结果误差较大，严重的可能会直接损坏传感器。在选择传感器时需要明确其测量范围，尽量让传感器的测量范围大于实际的测量范围，这样才能减小结果误差，降低传感器损坏的概率［3］。②线性度:一般情况下，当传感器的输出和输入呈线性关系时才能够更准确地标定、更快地处理数据。但基本上除了在理想状态下，两者都不会完全呈线性关系，因此在选择传感器时需要考虑其线性度，最好挑选线性度较好的。③灵敏度:灵敏度指的就是传感器系数，以线性传感器来说，其静态灵敏度就是校准线的斜率，在挑选传感器时要确保其灵敏度比较好。④分辨率:分辨率指的就是传感器是否能够从大量的输入信号当中分辨出最小变化量，在选择传感器时只要确保其分辨率达到标准就可以了，不用选择分辨率过高的传感器。
3排水泵智能优化调度
煤矿井下排水泵是煤矿安全生产的关键设备，也是能耗设备。有效地优化调度排水设备的运行，使其高效低耗、经济可靠地运行，对煤矿安全、高效生产具有十分重要的意义。水泵的合理调度包括很多方面，其中最关键的是以下几个方面:①根据水仓的实际水位启停水泵;②根据矿井的具体涌水量合理调整水泵运行台数;③控制每一台水泵，使其按顺序轮流工作，且要保证各台水泵的磨损程度相同;④要做到“避峰填谷”，也就是要合理安排水泵在相关部门要求的谷段时间和平段时间运行，及时避免峰段。
4基于变频调速的排水压力PID控制
4.1排水压力控制原理
按照流体力学基本原理来看的话，水泵流量和转速这两者之间一直都是成正比的关系，而压力和转速的平方是成反比的关系，水泵消耗功率和转速的三次方是成正比的关系，也就是N=kn3(n指的是水泵转速;k指的是比例系数;N指的是水泵消耗功率)。所以，只要降低转速就能够有效减小水泵消耗功率。从电动机的原理来看，电源频率和电动机的转速之间成正比，只要降低频率就能够降低转速。水泵主要是根据工频运行时来设计的，一般情况下除了高峰之外流量都比较小，但即使流量较小也仍然处于工频运行，所以会浪费一些能源。该系统可以通过闭环调速这一系统对水泵的转速进行自动控制，继而完成排水压力的闭环控制，当管网流量出现改变的时候可以进行恒压排水。从理论上来说，如果水泵转速降低10%，水泵消耗功率会随之下降27.1%;如果水泵转速降低20%，水泵消耗功率会随之下降48.8%;如果水泵的平均流量属于额定流量的50%左右时，变频调速泵的节能效果可达到理想状态的70%，这种效果是非常明显的。近年来，随着社会经济和科学技术的发展，以PLC和PID控制算法为基础的变频调速恒压供水技术水平不断提升，应用范围也越来越广泛，是一种较为理想的供水方式。PID技术当中有一个优势较为显著，也就是在无法全面掌握控制对象的结构和参数、无法制作精准数学模型的情况下，可以根据经验进行控制器比例、微积分等参数的现场调试。但是，如果确定PID参数之后就无法进行在线自调整，这一点有待提升。
5系统软件设计
5.1井下PLC监控程序设计
主要是根据STEP7V5.5软件编制的井下PLC监控程序，使用的是模块化结构编程，大致包括通信模块、显示模块、控制模块、监测模块等。使用这种编程方法的原因在于可以保障系统稳定运行，修改和调试起来也比较方便。
5.2井下PLC监控程序设计
上位机采用的是组态软件WINCC7.4进行开发的，通过该软件用户可以直接获取数据并进行监视控制。主要的开发方法是面向目标，这样可以直接按照操作人员的具体设计展现相关数据。采用客户/服务器体系结构，可以实现数据集成和共享，为企业实时提供数据。此外，使用该组态软件可以按照煤矿生产系统和工艺流程的具体情况修改界面上设备的形状、大小等参数。该系统可以通过动画图形描述设备状态，如果图形是静态的，就说明设备处于关停状态;如果显示的是动态的，就说明设备处于开启状态，效果比较逼真。同时，动态图形也可以通过颜色展现设备运行状态，如果出现红色就说明设备出现了故障。
6结束语
本文对煤矿井下排水智能控制进行了研究，对硬件与软件的设计进行了介绍，通过分析可知煤矿井下排水的安全性与可靠性，确保煤矿生产的有序进行。在未来智能化、自动化是一个发展方向，需要不断加强对智能控制的研究，为煤矿行业的可持续发展提供保障。
参考文献:
［1］王瑄．煤矿井下排水智能化控制系统设计分析［J］．电子世界，2018(13):183－184．
［2］范新凯．基于智能控制的井下排水系统的优化研究［J］．机械管理开发，2018，33(07):214－216．
［3］黄伟．井下排水智能控制系统的设计及应用［J］．机电工程技术，2018，47(10):64－66．
作者：高小川
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