井下排水泵自动控制方式的改进

蒋伟

摘 要：针对深井排水泵自动控制系统在应用中出现的问题，对电动闸阀的控制方式进行研究和改进。应用结果表明，该改进方式能提高启泵的成功率，保证系统稳定运行。

关键词：矿井排水系统 水泵控制 电动闸阀

中图分类号：TD43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-02

随着采掘工艺和水平的提高，矿井深度不断增加，出现了越来越多的千米矿井。这些矿井有的采用多级泵房分成多个水平的方式进行排水，有的使用大功率电机直接将水排到地面。

淮沪煤电丁集煤矿井深900 m，采用一级排水将水排到地面。在排水泵自动控制过程中存在一些问题。该文对排水泵自动控制系统的电动闸阀控制方式进行了改进，取得了良好的应用效果。

1 排水系统概况

丁集煤矿泵房位于-890 m水平，内设5台矿用多级离心泵，担负全矿的主要排水任务。单台水泵排水流量为400 m3/h，电机功率为1980 kW，在没有较大水情时一般在凌晨用电低谷时段排水，白天停泵。由于矿井井深大，水压高，排水管路上的逆止阀不能严格地密闭，在白天停泵后管路中的水会逐渐泄漏，到下次启泵时逆止阀上方基本上是一段空管路。在电机启动开启电动闸阀时，出水口压力会发生巨大的跳变，严重时排水管路会抖动，不能正常排水。排水泵自动控制系统采用CAN总线通讯方式，主要包括1台KJD30Z矿用嵌入式本安型工业控制计算机、多台KDK8矿用多功能控制驱动器、多台KCC2智能I/O接口及各种本安传感器、地面监控计算机等，如图1所示。

图1 排水泵自动控制系统结构

井下KJD30Z本安型监控站安装在泵房控制室内，完成控制现场各传感器信息的采集与处理任务，通过高性能控制软件设定的自动控制流程实现自动控制功能。KDK8多功能控制驱动器串接在一根总线上与KJD30Z本安监控站通讯，可实现单台水泵的控制，在自动方式下接收KJD30Z本安监控站下发的控制命令实现多台水泵的自动控制。KCC2本安型智能I/O接口挂接在总线上，将现场的各种模拟量信号或开关量信号转换为总线信号发送给KJD30本安监控站。

2 系统控制方式的改进

2.1 人工控制经验

改进系统控制方式时首先借鉴人工控制经验。排水泵在人工控制时，水泵司机手动控制电动闸阀，发现压力产生跳变或者管路开始抖动时，及时停止开阀动作并等待。如果压力不能回到稳定状态，将闸阀向回关适当时间再等待，等到压力稳定后再继续开阀。这样就形成了一个比较简单的反馈控制系统，通过对压力和其他现场情况的判断来控制电动闸阀的开停。

2.2 初步改进

系统模拟人工控制的逻辑改进启泵时的控制方式，监测的输入参数主要是排水泵的出口压力。根据现场实际情况，将压力变动范围划分成几个不同的范围，执行不同的逻辑。启泵时压力调整逻辑如图2所示。

图2 压力调整逻辑

2.3 存在的问题

系统经过上述改进后，在现场使用时确实取得了一定效果，能够保证水泵正常启动。但运行几个月后发现水泵出水口电动闸阀的故障频率比改进之前大幅度增加。经过现场调查分析，发现改进后的系统虽然能对压力跳变进行调整，但调整过于频繁，压力变化产生震荡，电动闸阀在启泵过程中开关动作过多，容易引起器件的故障。引起压力震荡的原因：（1）系统采样间隔偏大。出水口压力用KCC2-2监测，采样周期为1 s，相对于压力跳动而言间隔偏大。（2）执行机构延时。执行机构延时包括KDK8的开出时间、闸阀控制箱控制电动闸阀的时间以及闸阀机械结构部分的响应时间，叠加在一起造成延时。（3）不能判断趋势。控制逻辑智能判断当前压力是否在正常范围之内，但不能对压力的变化趋势进行判断。

2.4 系统进一步改进

（1）缩短系统采样间隔。将KCC2-2的采样时间由原来的1 s缩短到250 ms，保证了采样数据实时可靠。该方式的副作用是增大了总线数据量。由于现场泵的数量不多，只配置了5个KCC2-2，在5 kbit/s的波特率下对系统不会产生大的影响。（2） 引入PID控制算法。为了减小系统震荡，引入PID控制算法，以改善系统的动态性能。模拟PID控制系统如图3所示。

图3 模拟PID控制系统原理

PID调节器将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。微分方程为

（1）

式中： 。

2.5 应用效果

系统经过再次改进后，应用情况有了明显改善。表1为系统改进前后的对比。

3 结语

该文分析了深井矿排水泵自动控制系统在应用遇到的问题并提出了改进方法，提高了排水泵启动成功率，减轻了对相关设备的损害。该控制方式已在丁集煤矿、平煤集团部分煤矿应用，取得了良好的效果。

表1 系统改进前后对比

闸阀开动作

次数 闸阀关动作

次数 闸阀开启

总时间/s 使用效果

人工操作 2 1 100

改进前 1 0 - 管路抖动

启泵成功率低

第一次改进后 5 4 150 电动闸阀故障率较高

第二次改进后 3 1 110

参考文献

[1] 李瑞.井下排水系统的监测与控制研究[D].太原：太原理工大学，2006.

[2] 李世煌.水泵设计教程[M].北京：机械工业出版社，1990.

[3] 魏泽国，黄章，唐景肃，等.自动控制系统[M].北京：煤炭工业出版社，1994.

[4] 陈子春，刘向昕.井下中央泵房水泵自动化控制系统的研究与应用[J].工矿自动化，2007（2）.

[5] 施阳.MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK[M].西安：西北工业大学出版社，1997.

[6] 刘春生，梁小明.万丰煤矿自动排水系统的控制策略[J].兰州理工大学学报，2011（1）.

[7] 钱宏琦，周洁.煤矿排水系统模糊控制设计[J].煤矿机电，2010（5）.

[8] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996：20-21.

[9] 李宁，魏传勇.煤矿井下排水自动控制系统关键技术分析[J].现代商贸工业，2010（3）.