一种井下水泵智能控制及节能优化算法
【专利摘要】本发明专利涉及一种井下水泵智能控制及节能优化算法，特别适用于煤矿井下水泵排水。其特征在于，包括：PLC控制柜、现场传感器、上位机、就地操作箱、变频器、检测仪表等。PLC控制柜和上位机是智能控制系统的核心部分，与就地控制箱的显示屏通信、负责控制水泵开停的流程控制、观测相关参数和设定水泵的工作方式；现场传感器和检测仪表构成了系统的检测单元，用来采集的现场的数据。
【专利说明】
一种井下水泵智能控制及节能优化算法
技术领域
[0001] 本发明专利涉及一种井下水栗智能控制及节能优化算法，特别适用于煤矿井下水 栗排水。
【背景技术】
[0002] 在矿井建设和生产运行中，会有大量的积水集中在井下。这些水大多是来自于地 表降雨和河流水的渗透，煤层结构中水的涌出以及开采煤炭中的必要的供水;此外，井下挖 掘煤炭可能造成岩层断裂，地下储水层结构遭到破坏，发生极为危险的突水事故。所以矿井 排水系统不仅要排出正常情况的矿井涌水，同时在遭到突水袭击的情况下有能力完成抢险 排水。
[0003] 水栗是一种输送液体或使液体增压的机械，它通过叶轮的旋转，把叶轮旋转的机 械能变成液体的势能和动能，使液体能量增加，用来输送液体。一般水栗由电动机驱动，能 连续不断地工作，水栗是排水系统的核心部分。按照严格的相关规定和具体要求，正确地使 用和操作水栗，是矿井实现安全排水的前提。据统计，每开采1吨煤要排出3~6吨积水，偶尔 甚至要排出20~30吨水，这对井下排水系统是一个严峻的考验。井下栗房一般配置3~5台 水栗，每台水栗电机的功率一般在几百千瓦左右，耗电量巨大。在一般的煤矿系统中，井下 排水系统的用电量大约占到总用电量的20%。如果通过合理的优化调度策略提高井下排水 系统的生产效率，便可实现节能。
【发明内容】
[0004] 发明目的： 本装置实现水栗智能控制，其关键在于，包括:PLC控制柜、现场传感器、上位机、就地操 作箱、变频器、检测仪表等。
[0005] 所述PLC控制柜包括:CPU、输入模块、输出模块、模拟量模块，用于信息的输入与输 出，它们负责对设备的各种信号采集和控制指令的发出，协调各设备工作运行。
[0006] 所述现场传感器，包括：电流传感器、压力传感器、水位传感器、流量传感器和温度 传感器，其作用是检测现场的数据并将其传送到PLC。
[0007] 所述上位机，其作用是实时动态显示现场状况，并能远程控制水栗的起停。
[0008] 所述就地操作箱，其作用是控制方式的转换、在PLC出现故障的情况下可以进行手 动控制水栗的启停。
[0009] 所述变频器，起作用是控制水栗电机启停，并会对电机进行保护。
[0010] 所述检测仪表，主要是将现场的信息实时的显示，便于观察以及故障检查。
[0011] 本发明还公开一种对井下水栗节能优化的算法，其关键在于，包括如下步骤： 步骤1，模型建立，假设井下栗房有η台水栗并联工作，根据要求，水位最高允许上升至 极限水位Η2，水位Η1为每次排水停栗水位； 步骤2,模型求解，动态规划的研究对象是多阶段决策过程的最优化问题，依据的是最 优性原理:无论初始状态和初始决策怎么样，其余决策对于第一次决策所造成的状态来说， 必须构成一个最优策略。
[0012] 所述一种井下水栗智能控制及节能优化算法，所述步骤1包括： 步骤11，建立最小优化问题为
步骤12，以水仓水位H (k)为系统状态变量，则水仓水位方程可表述为
所以，系统的状态方程可以描述为
步骤13,约束条件为：/.f rUn A' } // ; 对于安装相同型号的排水栗房，可以将问题简化为^ ^ 1 ： - ,1 ， 每台水栗的流量，:，每台水栗单位时间耗电量，则目标函数为：
问题转化为求取最优控制策略為黎~!|，使得：
，令Λ?々:.Η?ν/?丸S，则系统的状态方程为：
约束条件为:沒續，根据排水要求，排水周期内需将水位排至停栗水栗，所 以可得到系统的边界条件为H(0)=0，H(T-1)=0。
[0013] 所述一种井下水栗智能控制及节能优化算法，所述步骤2包括： 步骤21，将一个排水周期分为T个时间段，给每一段做出一个决策输入u(k)，即投入的 水栗台数； 步骤22,其中任意一段k+Ι做出相应的决策后，才能确定该段输入状态与输出状态之间 的关系，即从水位H(k)到敎_^|__幾_|，__的状态转移规律。在每一段决策都做 出后，整个过程的状态转移规律从H(0)经H(k)到Η(Τ)α=1，2，···，η)也就完全被确定了。全 部"决策"u(k)的总体称为策略魏电费支出最小的目标模型是策 略U(k)和电价c(k)的函数。而最优控制的要求是选择一种组合
是电价目标函数最小； 步骤23,4
，定义J(k)为后N-k段的子目标函数，则具有如下 递推关系：
用递推法求出最优控制策略 下。
[0014]综上所述，由于采用上述的创新技术方案，本发明的有益效果是： 1、 可方便的对现有排水系统进行改造，实现排水智能化； 2、 该系统可以实现无人值守，可以智能化的控制水栗的起停，从而达到节省排水费用 的目的； 3、 系统以PLC为控制核心，通过现场传感器所采集到的数据进行实时的监控与控制，系 统运行可靠。
[0015]
【附图说明】： 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中： 图1是控制系统结构图； 图2是排水系统示意图； 图3是排水系统组成示意图； 图4是水栗水栗优化调度流程图； 图5是水栗自动启停流程图。 具体实施方案
[0016]下面结合附图和实例，对本发明作进一步详述。
[0017]图1是本发明控制系统结构图。PLC控制柜、现场传感器、上位机、就地操作箱、变频 器、检测仪表等。控制单元主要是由PLC控制柜和上位机组成，是智能控制系统的核心部分。 操作人员可在集控中心可通过上位机计算机远程控制水栗的启停。PLC控制柜除与就地控 制箱的显示屏通信外，还负责控制水栗开停的流程控制，并能观测相关参数和设定水栗的 工作方式。PLC控制柜的核心为PLC可编程控制器，它采集各个传感器的信号;设置系统的工 作方式;显示系统工作状态和参数;根据预设逻辑对水栗进行手动或自动控制。继电器作为 PLC的输出执行单元，按照PLC程序处理结果接通或断开电路，达到启动或停止电动机的目 的。
[0018]电流传感器、压力传感器、水位传感器、流量传感器和温度传感器构成了系统的检 测单元。主要是采集的现场的数据，并将其传送至PLC，供PLC内部程序处理。
[0019]就地操作箱上有自动、远程、近控、检修、纯手动等多种选择。自动模式下，程序自 动根据传感器信号按设定程序合理选择启停设备。远程模式，为通过远程控制主机对设备 进行启停。近控模式，按程序设定就地对设备进行启停。检修模式，用于现场检修人员检修 时使用。手动模式，不通过PLC直接控制电机的接触器对水栗开停，用于PLC故障或检修PLC 时应急使用。
[0020]图2是本发明的排水系统示意图。当水位达到停栗限位时，系统就会自动把水关 闭，在水位逐渐上升的过程中，系统会智能的控制各个水栗的启停，当水位达到极限水位 时，系统会把所有的水栗都开启。
[0021] 图3是本发明的排水系统组成示意图。将水位传感器安装在排水配水仓内，用来实 时监测水位的高度；电流传感器与温度传感器安装在电机上，采集到的信息用来监测电机 的运行状况;压力传感器装在安装在出水闸阀6和栗体1之间并与压力表相连，用来监测水 栗出口处的压力，并通过压力表来显示压力值;流量传感器装在水管管路上，用来检测每个 水栗的排水流量。这些数据都会传送到PLC，经过PLC处理之后来控制水栗的启停。
[0022] 图4是本发明的水栗优化调度流程图。水仓水位设有极限水位，高水位和低水位。 规定水仓的水不准超过极限水位，当超过高水位时系统立即排水并发生报警，每次排水的 目标都要达到低水位，使得水仓在用电谷段时间内腾出尽可能大的空间，供用电峰段储水 使用，最大可能的避免用电高峰启动水栗。
[0023]图5是本发明的水栗自动启停流程图。在系统收到开栗命令后，判断是否满足开栗 条件，其中包括阀门的关到位信号，系统是否存在报警等情况。在满足开栗条件时，系统进 入自动运行的控制。首先要经过10S预警，之后开启真空射流阀进行抽真空过程。通过真空 传感器的监测，达到系统设定值时，进入下一步操作，即开启水栗电机，同时关闭电磁阀。接 着不断监测水栗出水口的压力，当压力达到设定值时，开启出水闸阀，完成自动开栗流程。 开栗过程中，如果检测真空度和出口压力在规定时间之内不能达到要求，则声光报警，进入 停栗环节。此外，在运行过程中，若水栗出现故障或者满足停栗条件，则进入停栗阶段。
【主权项】
1. 一种井下水栗智能控制及节能优化算法由PLC控制柜、现场传感器、上位机、就地操 作箱、变频器、检测仪表等组成。2. 根据权利要求1所述的一种井下水栗智能控制及节能优化算法，其特征在于:在地面 集控室里通过上位机就可以进行水栗的开启与关闭，实现了无人值守。3. 根据权利要求1所述的一种井下水栗智能控制及节能优化算法，其特征在于:根据实 际工作中的安全，控制方式设置为自动、远控、近控、手动和检修等五种工作方式，根据不同 的情况选择不同的控制方式。4. 根据权利要求1所述的一种井下水栗智能控制及节能优化算法，其特征在于:位机系 统集中显示了系统关键数据，如水仓水位，真空度，出口压力，电机电流及水栗电机、真空 阀、射流阀、出水闸阀的各种工作状态，出现异常时发出报警信号并及时记录。5. 根据权利要求1所述的一种井下水栗智能控制及节能优化算法，其特征在于:系统通 过程序编写设计了水栗自动轮换功能，根据每台水栗的运行时间以及运行次数的记录和分 析，建立合理的逻辑模型，按照一定的顺序自动选择启停哪台水栗和相应的管路，确保每台 正常的工作水栗运行时间分配均匀，启停次数合理;通过高低水位的判断，系统根据实际情 况对水栗发出启停命令，确保排水顺利，利用不同时间段有不同电价的规则，使之尽可能在 电价谷段工作，尽量避免电价峰段启动;这样，可以节约电费的同时，减少用电峰段对电网 的负担。6. 根据权利要求5所述的一种井下水栗智能控制及节能优化算法，其特征在于:根据涌 水量和水位变化合理的确定开启水栗的台数和时间，包括如下步骤： 步骤1，模型建立，假设井下栗房有η台水栗并联工作，根据要求，水位最高允许上升至 极限水位Η2，水位Η1为每次排水停栗水位； 步骤2,模型求解，动态规划的研究对象是多阶段决策过程的最优化问题，依据的是最 优性原理:无论初始状态和初始决策怎么样，其余决策对于第一次决策所造成的状态来说， 必须构成一个最优策略。7. 根据权利要求6所述一种井下水栗智能控制及节能优化算法，其特征在于，所述步骤 1包括： 步骤11，建立最小优化问题为步骤12，以水仓水位H(k)为系统状态变量，则水仓水位方程可表述为所以，系统的状态方程可以描述为步骤13,约束条件为对于安装相同型号的排水栗房，可以将问题简化为每台水栗的流量，，每台水栗单位时间耗电量，则目标函数为：，问题转化为求取最优控制策略使得：，则系统的状态方程为：约束条件为:.:? ，根据排水要求，排水周期内需将水位排至停栗水栗，所 以可得到系统的边界条件为//(0) =0，//0--1) =0。8.根据权利要求6所述一种井下水栗智能控制及节能优化算法，其特征在于，所述步骤 2包括： 步骤21，将一个排水周期分为T个时间段，给每一段做出一个决策输入u(k)，即投入的 水栗台数； 步骤22,其中任意一段k+Ι做出相应的决策后，才能确定该段输入状态与输出状态之间 的关系，即从水位H(k)到的状态转移规律;在每一段决策都做 出后，整个过程的状态转移规律从M0)经到Μ Γ) (A=l，2，…，/0也就完全被确定了；全 部"决策" t/U)的总体称为策略电费支出最小的目标模型是策 略t/U)和电价cU)的函数;而最优控制的要求是选择一种组合是电价目标函数最小； 步骤23，令定义JU)为后ΛΗτ段的子目标函数，则具有如下递 推关系：用递推法求出最优控制策略. ..I .最优性能泛函/的过程如下。
【文档编号】G06Q10/04GK105952660SQ201610332058
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】高娇, 张震, 李倩钰, 刘庆豪, 郭彩翔, 王艳兄
【申请人】中国矿业大学