正壓給水礦井排水系統(tǒng)研究
時間：2022-08-03 08:33:36
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摘要：針對目前煤礦井下排水系統(tǒng)存在自動化程度低、設(shè)備運行能耗大、水泵啟停頻繁的問題，對礦井自動排水系統(tǒng)和控制策略進行研究，設(shè)計了正壓給水方式下以PLC控制為主、三維模糊控制為輔的煤礦排水系統(tǒng)，同時介紹了系統(tǒng)硬件組成以及三維模糊控制器的設(shè)計過程。在MATLAB中建立模型仿真驗證了三維模糊控制器的響應(yīng)速度優(yōu)于二維模糊控制器。井下試驗結(jié)果表明，使用新的控制策略后，水位變化呈現(xiàn)更加理想的W形，水泵啟停次數(shù)較改進前也有所減少，在節(jié)約電能的同時延長了水泵的使用壽命。
礦井排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)過程中十分重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的以繼電器控制、用人工檢測水倉水位及設(shè)備運行狀況的方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求。近年來，關(guān)于自動化煤礦排水系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得很大進展。自動化程度較高的排水系統(tǒng)可實現(xiàn)自動監(jiān)測井下水倉水位和涌水速率，并以此確定開啟幾臺水泵進行排水；根據(jù)水泵運行效率、當前電價計費時段，確定開啟哪臺水泵同時記錄這臺水泵的運行時間。因為排水系統(tǒng)非線性、時變的特性，所以很難通過建立準確的數(shù)學(xué)模型達到控制要求。與傳統(tǒng)控制不同，模糊控制不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型就可以做出控制決策。目前，控制系統(tǒng)中二維模糊控制器的使用最為廣泛。由于二維模糊控制在消除穩(wěn)態(tài)誤差方面存在一定限制，所以控制性能相對較差。相比于二維模糊控制，三維模糊控制增加了變量輸入，細化了模糊控制規(guī)則，能夠更好地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。本文使用三維模糊控制方法對礦井排水策略進行研究。
1礦井排水控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
（1）系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)以西門子S7-1200PLC為核心控制器，結(jié)合液位、溫度、流量、壓力、真空度等傳感器，對整體泵房內(nèi)各種設(shè)備的參數(shù)如水位、水泵和管路進出口壓力、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行實時監(jiān)測。PLC對采集的水位、涌水速度及各設(shè)備的運行參數(shù)進行運算處理，根據(jù)實際工況將控制指令傳送至電動閥門和水泵開關(guān)，控制相應(yīng)水泵的啟停、排水管路切換。排水系統(tǒng)采用正壓給水的方式進行排水，即在主排水泵前端串聯(lián)1臺等流量低揚程的潛水泵給主排水泵提供正向壓力水，串聯(lián)后水泵組的流量不變，總揚程提高。理論上，當泵的必須蝕余量遠小于泵的有效汽蝕余量時，水泵不會發(fā)生汽蝕，所以泵組啟動時先啟動潛水泵，待水流穩(wěn)定后，再啟動主排水泵。這樣，礦井水在進入主排水泵之前就具有了一定的壓力，從汽蝕產(chǎn)生原理上改善了主泵的汽蝕，延長水泵的壽命。（2）系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)硬件選擇是非常重要的，它不僅影響系統(tǒng)檢測精度，還影響系統(tǒng)的運行狀況。排水系統(tǒng)的硬件主要由礦用隔爆兼本安型PLC控制箱、礦用本安型溫度、壓力、液位、流量傳感器、電動閘閥等設(shè)備構(gòu)成。可編程控制器選擇S7-1200，CPU模塊選擇1241C。控制系統(tǒng)能夠同時采集開關(guān)量和模擬量信息，把采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給監(jiān)控上位機，同時按照監(jiān)控中心輸送來的控制命令，以開關(guān)量的形式控制水泵的運行工作。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2三維模糊控制策略
（1）三維模糊變量排水控制策略是根據(jù)當前時段電價、水倉水位以及水位變化率來制定，選用三維模糊控制器，其輸入變量分別為水倉水位e、水位變化率ec、當前時間t輸出變量為水泵開啟臺數(shù)q。E是水倉水位e的模糊語言變量，其物理論域取[0,2]，模糊論域取值[-2,2]，劃分為5個模糊子集verylow（很低）、low（較低）、medium（適中）、high（較高）、veryhigh（很高）。EC為水位偏差變化率ec的模糊語言變量，其基本域取值為[-0.5,0.5]，模糊論域和物理論域取相同值，劃分為5個模糊子集：NB（下降很快）、NS（下降較快），ZE（水位穩(wěn)定）、PS（上漲較快）、PB（上漲很快）。T為時間t的模糊語言變量，以1d為一個循環(huán)周期，物理論域取值為[0,24]，模糊論域取值[-2,2]根據(jù)煤礦用電各時段電價劃分為5個模糊子集vale（低谷時期）、peak（高峰時期）、average1（平時段）、spike（尖峰時期）、average2（平時段）。Q為系統(tǒng)的輸出水泵開啟臺數(shù)q的模糊語言變量，基本論域取值為[0，4]，模糊論域取值為[-1，1]劃分5個模糊子集：NB（水泵全停）、NS（啟動1臺）ZE（啟動2臺）、PS（啟動3臺）、PB（水泵全開）。（2）選擇隸屬度函數(shù)MATLAB中設(shè)有三角形、正態(tài)型、高斯型、鐘形、S形等11種隸屬度函數(shù)。隸屬度函數(shù)表征著物理論域U內(nèi)任意一個的元素x屬于模糊集合A的程度大小。選擇的隸屬度函數(shù)不同系統(tǒng)產(chǎn)生的控制特性也不盡相同。隸屬度函數(shù)的斜率越大，模糊控制系統(tǒng)反應(yīng)越靈敏；反之則系統(tǒng)的控制特性比較平緩，穩(wěn)定性更好。在這里選擇三角形隸屬度函數(shù)，其斜率大小適中，既能夠快速產(chǎn)生控制信號，又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在MATLAB的FISEditor（模糊推理編輯器）中分別建立水位E、水位變化率EC、時間T、水泵開啟臺數(shù)Q的隸屬度函數(shù)，如圖2所示。（3）模糊控制規(guī)則排水系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則是依據(jù)煤礦工作人員積累的實際經(jīng)驗來編制的。在MATLAB的模糊規(guī)則編輯器中添加控制規(guī)則，共125條。以高水位、用電高峰期為例，編寫如下5條控制規(guī)則：①if（水位高）and（水位下降很快）and（時間為高峰期）then（開啟0臺）②if（水位高）and（水位下降較快）and（時間為高峰期）then（開啟1臺）③if（水位高）and（水位穩(wěn)定）and（時間為高峰期）then（開啟2臺）④if（水位高）and（水位上升較快）and（時間為高峰期）then（開啟3臺）⑤if（水位高）and（水位上升很快）and（時間為高峰期）then（開啟4臺）為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制效果，同時減小系統(tǒng)運算量，控制規(guī)則不宜設(shè)計太多。為此把谷段和平段設(shè)計為相同的控制規(guī)則，高峰段和尖峰段設(shè)計為相同的控制規(guī)則，得到模糊控制規(guī)則表如表1所示。
3仿真實驗
在MATLAB/Simulink中建立如圖3所示的礦井排水系統(tǒng)仿真模型，將前面設(shè)計好的模糊控制器加載到MATLAB工作區(qū)，設(shè)置采樣時間為200s進行仿真。得到如圖4所示仿真結(jié)果。系統(tǒng)輸入是幅值為1、頻率為0.05Hz的方波信號，仿真主要觀測方波信號輸入系統(tǒng)前后的變化，進而了解系統(tǒng)的某些特性。方波上升沿和下降沿變化等同于水倉水位的變化。仿真結(jié)果表明，三維模糊控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度優(yōu)于二維模糊控制系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以很好地跟隨方波信號變化，則當水倉水位發(fā)生變化時，系統(tǒng)都能很好地適應(yīng)。
4井下試驗
將上述模糊控制器以及排水控制系統(tǒng)和控制策略應(yīng)用于邯鄲某煤礦進行井下試驗，統(tǒng)計了24h內(nèi)水倉水位的變化和水泵開啟臺數(shù)隨時間的變化，如圖5、圖6所示。從測試結(jié)果可以看出，改進后水位變化曲線接近W形，比改進前更加穩(wěn)定。從水泵開啟臺數(shù)曲線圖可以看到，在用電高峰段沒有水泵開啟或開啟1臺水泵。相比之前由人工根據(jù)水倉水位確定水泵開啟臺數(shù)，使用新的控制策略確定水泵開啟臺數(shù)更為合理。在用電谷段開啟水泵快速進行排水，在用電峰段充分利用水倉的儲水能力，不開啟水泵或開啟1臺水泵維持水位，待時間進入電價較低的時段后再進行排水。
5結(jié)語
本文使用S7-1200PLC取代傳統(tǒng)的繼電器控制，借助三維模糊控制方法，實現(xiàn)了對礦井下排水泵啟停的智能化管理，同時，遠程和就地的控制方式大大提高了系統(tǒng)的靈活性，能滿足不同工況的需求。應(yīng)用新的排水策略緩解了水泵啟停頻繁的問題，不僅能提高系統(tǒng)可靠性、延長設(shè)備使用壽命，而且能為煤礦企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益。
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作者：孫春勇 潘越 張步勤 宋佳佳 單位：河北工程大學(xué) 冀中能源峰峰集團有限公司