正压给水矿井排水系统研究

摘要：针对目前煤矿井下排水系统存在自动化程度低、设备运行能耗大、水泵启停频繁的问题，对矿井自动排水系统和控制策略进行研究，设计了正压给水方式下以PLC控制为主、三维模糊控制为辅的煤矿排水系统，同时介绍了系统硬件组成以及三维模糊控制器的设计过程。在MATLAB中建立模型仿真验证了三维模糊控制器的响应速度优于二维模糊控制器。井下试验结果表明，使用新的控制策略后，水位变化呈现更加理想的W形，水泵启停次数较改进前也有所减少，在节约电能的同时延长了水泵的使用寿命。

关键词：矿井排水；自动控制；控制策略；正压给水

矿井排水系统是煤矿生产过程中十分重要的环节。传统的以继电器控制、用人工检测水仓水位及设备运行状况的方式已不能适应现代化的生产要求。近年来，关于自动化煤矿排水系统的研究已经取得很大进展。自动化程度较高的排水系统可实现自动监测井下水仓水位和涌水速率，并以此确定开启几台水泵进行排水；根据水泵运行效率、当前电价计费时段，确定开启哪台水泵同时记录这台水泵的运行时间。因为排水系统非线性、时变的特性，所以很难通过建立准确的数学模型达到控制要求。与传统控制不同，模糊控制不需要知道被控对象的数学模型就可以做出控制决策。目前，控制系统中二维模糊控制器的使用最为广泛。由于二维模糊控制在消除稳态误差方面存在一定限制，所以控制性能相对较差。相比于二维模糊控制，三维模糊控制增加了变量输入，细化了模糊控制规则，能够更好地反映系统的动态特性。本文使用三维模糊控制方法对矿井排水策略进行研究。

1矿井排水控制系统总体结构

（1）系统工作原理系统以西门子S7-1200PLC为核心控制器，结合液位、温度、流量、压力、真空度等传感器，对整体泵房内各种设备的参数如水位、水泵和管路进出口压力、电机转子转速等参数进行实时监测。PLC对采集的水位、涌水速度及各设备的运行参数进行运算处理，根据实际工况将控制指令传送至电动阀门和水泵开关，控制相应水泵的启停、排水管路切换。排水系统采用正压给水的方式进行排水，即在主排水泵前端串联1台等流量低扬程的潜水泵给主排水泵提供正向压力水，串联后水泵组的流量不变，总扬程提高。理论上，当泵的必须蚀余量远小于泵的有效汽蚀余量时，水泵不会发生汽蚀，所以泵组启动时先启动潜水泵，待水流稳定后，再启动主排水泵。这样，矿井水在进入主排水泵之前就具有了一定的压力，从汽蚀产生原理上改善了主泵的汽蚀，延长水泵的寿命。（2）系统硬件控制系统硬件选择是非常重要的，它不仅影响系统检测精度，还影响系统的运行状况。排水系统的硬件主要由矿用隔爆兼本安型PLC控制箱、矿用本安型温度、压力、液位、流量传感器、电动闸阀等设备构成。可编程控制器选择S7-1200，CPU模块选择1241C。控制系统能够同时采集开关量和模拟量信息，把采集到的数据通过以太网传输给监控上位机，同时按照监控中心输送来的控制命令，以开关量的形式控制水泵的运行工作。控制系统的结构如图1所示。

2三维模糊控制策略

（1）三维模糊变量排水控制策略是根据当前时段电价、水仓水位以及水位变化率来制定，选用三维模糊控制器，其输入变量分别为水仓水位e、水位变化率ec、当前时间t输出变量为水泵开启台数q。E是水仓水位e的模糊语言变量，其物理论域取[0,2]，模糊论域取值[-2,2]，划分为5个模糊子集verylow（很低）、low（较低）、medium（适中）、high（较高）、veryhigh（很高）。EC为水位偏差变化率ec的模糊语言变量，其基本域取值为[-0.5,0.5]，模糊论域和物理论域取相同值，划分为5个模糊子集：NB（下降很快）、NS（下降较快），ZE（水位稳定）、PS（上涨较快）、PB（上涨很快）。T为时间t的模糊语言变量，以1d为一个循环周期，物理论域取值为[0,24]，模糊论域取值[-2,2]根据煤矿用电各时段电价划分为5个模糊子集vale（低谷时期）、peak（高峰时期）、average1（平时段）、spike（尖峰时期）、average2（平时段）。Q为系统的输出水泵开启台数q的模糊语言变量，基本论域取值为[0，4]，模糊论域取值为[-1，1]划分5个模糊子集：NB（水泵全停）、NS（启动1台）ZE（启动2台）、PS（启动3台）、PB（水泵全开）。（2）选择隶属度函数MATLAB中设有三角形、正态型、高斯型、钟形、S形等11种隶属度函数。隶属度函数表征着物理论域U内任意一个的元素x属于模糊集合A的程度大小。选择的隶属度函数不同系统产生的控制特性也不尽相同。隶属度函数的斜率越大，模糊控制系统反应越灵敏；反之则系统的控制特性比较平缓，稳定性更好。在这里选择三角形隶属度函数，其斜率大小适中，既能够快速产生控制信号，又能保证系统的稳定性。在MATLAB的FISEditor（模糊推理编辑器）中分别建立水位E、水位变化率EC、时间T、水泵开启台数Q的隶属度函数，如图2所示。（3）模糊控制规则排水系统的模糊控制规则是依据煤矿工作人员积累的实际经验来编制的。在MATLAB的模糊规则编辑器中添加控制规则，共125条。以高水位、用电高峰期为例，编写如下5条控制规则：①if（水位高）and（水位下降很快）and（时间为高峰期）then（开启0台）②if（水位高）and（水位下降较快）and（时间为高峰期）then（开启1台）③if（水位高）and（水位稳定）and（时间为高峰期）then（开启2台）④if（水位高）and（水位上升较快）and（时间为高峰期）then（开启3台）⑤if（水位高）and（水位上升很快）and（时间为高峰期）then（开启4台）为了提高系统的响应速度和控制效果，同时减小系统运算量，控制规则不宜设计太多。为此把谷段和平段设计为相同的控制规则，高峰段和尖峰段设计为相同的控制规则，得到模糊控制规则表如表1所示。

3仿真实验

在MATLAB/Simulink中建立如图3所示的矿井排水系统仿真模型，将前面设计好的模糊控制器加载到MATLAB工作区，设置采样时间为200s进行仿真。得到如图4所示仿真结果。系统输入是幅值为1、频率为0.05Hz的方波信号，仿真主要观测方波信号输入系统前后的变化，进而了解系统的某些特性。方波上升沿和下降沿变化等同于水仓水位的变化。仿真结果表明，三维模糊控制系统的响应速度优于二维模糊控制系统，而且系统可以很好地跟随方波信号变化，则当水仓水位发生变化时，系统都能很好地适应。

4井下试验

将上述模糊控制器以及排水控制系统和控制策略应用于邯郸某煤矿进行井下试验，统计了24h内水仓水位的变化和水泵开启台数随时间的变化，如图5、图6所示。从测试结果可以看出，改进后水位变化曲线接近W形，比改进前更加稳定。从水泵开启台数曲线图可以看到，在用电高峰段没有水泵开启或开启1台水泵。相比之前由人工根据水仓水位确定水泵开启台数，使用新的控制策略确定水泵开启台数更为合理。在用电谷段开启水泵快速进行排水，在用电峰段充分利用水仓的储水能力，不开启水泵或开启1台水泵维持水位，待时间进入电价较低的时段后再进行排水。

5结语

本文使用S7-1200PLC取代传统的继电器控制，借助三维模糊控制方法，实现了对矿井下排水泵启停的智能化管理，同时，远程和就地的控制方式大大提高了系统的灵活性，能满足不同工况的需求。应用新的排水策略缓解了水泵启停频繁的问题，不仅能提高系统可靠性、延长设备使用寿命，而且能为煤矿企业带来一定的经济效益。

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作者：孙春勇 潘越 张步勤 宋佳佳 单位：河北工程大学 冀中能源峰峰集团有限公司