正壓給水礦井排水系統研究

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摘要：針對目前煤礦井下排水系統存在自動化程度低、設備運行能耗大、水泵啟停頻繁的問題，對礦井自動排水系統和控制策略進行研究，設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，同時介紹了系統硬件組成以及三維模糊控制器的設計過程。在MATLAB中建立模型仿真驗證了三維模糊控制器的響應速度優于二維模糊控制器。井下試驗結果表明，使用新的控制策略后，水位變化呈現更加理想的W形，水泵啟停次數較改進前也有所減少，在節約電能的同時延長了水泵的使用壽命。

關鍵詞：礦井排水；自動控制；控制策略；正壓給水

礦井排水系統是煤礦生產過程中十分重要的環節。傳統的以繼電器控制、用人工檢測水倉水位及設備運行狀況的方式已不能適應現代化的生產要求。近年來，關于自動化煤礦排水系統的研究已經取得很大進展。自動化程度較高的排水系統可實現自動監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。因為排水系統非線性、時變的特性，所以很難通過建立準確的數學模型達到控制要求。與傳統控制不同，模糊控制不需要知道被控對象的數學模型就可以做出控制決策。目前，控制系統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態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，細化了模糊控制規則，能夠更好地反映系統的動態特性。本文使用三維模糊控制方法對礦井排水策略進行研究。

1礦井排水控制系統總體結構

（1）系統工作原理系統以西門子S7-1200PLC為核心控制器，結合液位、溫度、流量、壓力、真空度等傳感器，對整體泵房內各種設備的參數如水位、水泵和管路進出口壓力、電機轉子轉速等參數進行實時監測。PLC對采集的水位、涌水速度及各設備的運行參數進行運算處理，根據實際工況將控制指令傳送至電動閥門和水泵開關，控制相應水泵的啟停、排水管路切換。排水系統采用正壓給水的方式進行排水，即在主排水泵前端串聯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，水泵不會發生汽蝕，所以泵組啟動時先啟動潛水泵，待水流穩定后，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，從汽蝕產生原理上改善了主泵的汽蝕，延長水泵的壽命。（2）系統硬件控制系統硬件選擇是非常重要的，它不僅影響系統檢測精度，還影響系統的運行狀況。排水系統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、電動閘閥等設備構成?？删幊炭刂破鬟x擇S7-1200，CPU模塊選擇1241C?？刂葡到y能夠同時采集開關量和模擬量信息，把采集到的數據通過以太網傳輸給監控上位機，同時按照監控中心輸送來的控制命令，以開關量的形式控制水泵的運行工作?？刂葡到y的結構如圖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為一個循環周期，物理論域取值為[0,24]，模糊論域取值[-2,2]根據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為系統的輸出水泵開啟臺數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MATLAB中設有三角形、正態型、高斯型、鐘形、S形等11種隸屬度函數。隸屬度函數表征著物理論域U內任意一個的元素x屬于模糊集合A的程度大小。選擇的隸屬度函數不同系統產生的控制特性也不盡相同。隸屬度函數的斜率越大，模糊控制系統反應越靈敏；反之則系統的控制特性比較平緩，穩定性更好。在這里選擇三角形隸屬度函數，其斜率大小適中，既能夠快速產生控制信號，又能保證系統的穩定性。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Q的隸屬度函數，如圖2所示。（3）模糊控制規則排水系統的模糊控制規則是依據煤礦工作人員積累的實際經驗來編制的。在MATLAB的模糊規則編輯器中添加控制規則，共125條。以高水位、用電高峰期為例，編寫如下5條控制規則：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）為了提高系統的響應速度和控制效果，同時減小系統運算量，控制規則不宜設計太多。為此把谷段和平段設計為相同的控制規則，高峰段和尖峰段設計為相同的控制規則，得到模糊控制規則表如表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仿真模型，將前面設計好的模糊控制器加載到MATLAB工作區，設置采樣時間為200s進行仿真。得到如圖4所示仿真結果。系統輸入是幅值為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前后的變化，進而了解系統的某些特性。方波上升沿和下降沿變化等同于水倉水位的變化。仿真結果表明，三維模糊控制系統的響應速度優于二維模糊控制系統，而且系統可以很好地跟隨方波信號變化，則當水倉水位發生變化時，系統都能很好地適應。

4井下試驗

將上述模糊控制器以及排水控制系統和控制策略應用于邯鄲某煤礦進行井下試驗，統計了24h內水倉水位的變化和水泵開啟臺數隨時間的變化，如圖5、圖6所示。從測試結果可以看出，改進后水位變化曲線接近W形，比改進前更加穩定。從水泵開啟臺數曲線圖可以看到，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水倉水位確定水泵開啟臺數，使用新的控制策略確定水泵開啟臺數更為合理。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結語

本文使用S7-1200PLC取代傳統的繼電器控制，借助三維模糊控制方法，實現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的靈活性，能滿足不同工況的需求。應用新的排水策略緩解了水泵啟停頻繁的問題，不僅能提高系統可靠性、延長設備使用壽命，而且能為煤礦企業帶來一定的經濟效益。

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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 冀中能源峰峰集團有限公司