一種井下水泵智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法
【專利摘要】本發(fā)明專利涉及一種井下水泵智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，特別適用于煤礦井下水泵排水。其特征在于，包括：PLC控制柜、現(xiàn)場傳感器、上位機、就地操作箱、變頻器、檢測儀表等。PLC控制柜和上位機是智能控制系統(tǒng)的核心部分，與就地控制箱的顯示屏通信、負責控制水泵開停的流程控制、觀測相關參數(shù)和設定水泵的工作方式；現(xiàn)場傳感器和檢測儀表構成了系統(tǒng)的檢測單元，用來采集的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。
【專利說明】
一種井下水泵智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法
技術領域
[0001] 本發(fā)明專利涉及一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，特別適用于煤礦井下水 栗排水。
【背景技術】
[0002] 在礦井建設和生產(chǎn)運行中，會有大量的積水集中在井下。這些水大多是來自于地 表降雨和河流水的滲透，煤層結構中水的涌出以及開采煤炭中的必要的供水;此外，井下挖 掘煤炭可能造成巖層斷裂，地下儲水層結構遭到破壞，發(fā)生極為危險的突水事故。所以礦井 排水系統(tǒng)不僅要排出正常情況的礦井涌水，同時在遭到突水襲擊的情況下有能力完成搶險 排水。
[0003] 水栗是一種輸送液體或使液體增壓的機械，它通過葉輪的旋轉，把葉輪旋轉的機 械能變成液體的勢能和動能，使液體能量增加，用來輸送液體。一般水栗由電動機驅(qū)動，能 連續(xù)不斷地工作，水栗是排水系統(tǒng)的核心部分。按照嚴格的相關規(guī)定和具體要求，正確地使 用和操作水栗，是礦井實現(xiàn)安全排水的前提。據(jù)統(tǒng)計，每開采1噸煤要排出3~6噸積水，偶爾 甚至要排出20~30噸水，這對井下排水系統(tǒng)是一個嚴峻的考驗。井下栗房一般配置3~5臺 水栗，每臺水栗電機的功率一般在幾百千瓦左右，耗電量巨大。在一般的煤礦系統(tǒng)中，井下 排水系統(tǒng)的用電量大約占到總用電量的20%。如果通過合理的優(yōu)化調(diào)度策略提高井下排水 系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，便可實現(xiàn)節(jié)能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的： 本裝置實現(xiàn)水栗智能控制，其關鍵在于，包括:PLC控制柜、現(xiàn)場傳感器、上位機、就地操 作箱、變頻器、檢測儀表等。
[0005] 所述PLC控制柜包括:CPU、輸入模塊、輸出模塊、模擬量模塊，用于信息的輸入與輸 出，它們負責對設備的各種信號采集和控制指令的發(fā)出，協(xié)調(diào)各設備工作運行。
[0006] 所述現(xiàn)場傳感器，包括：電流傳感器、壓力傳感器、水位傳感器、流量傳感器和溫度 傳感器，其作用是檢測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并將其傳送到PLC。
[0007] 所述上位機，其作用是實時動態(tài)顯示現(xiàn)場狀況，并能遠程控制水栗的起停。
[0008] 所述就地操作箱，其作用是控制方式的轉換、在PLC出現(xiàn)故障的情況下可以進行手 動控制水栗的啟停。
[0009] 所述變頻器，起作用是控制水栗電機啟停，并會對電機進行保護。
[0010] 所述檢測儀表，主要是將現(xiàn)場的信息實時的顯示，便于觀察以及故障檢查。
[0011] 本發(fā)明還公開一種對井下水栗節(jié)能優(yōu)化的算法，其關鍵在于，包括如下步驟： 步驟1，模型建立，假設井下栗房有η臺水栗并聯(lián)工作，根據(jù)要求，水位最高允許上升至 極限水位Η2，水位Η1為每次排水停栗水位； 步驟2,模型求解，動態(tài)規(guī)劃的研究對象是多階段決策過程的最優(yōu)化問題，依據(jù)的是最 優(yōu)性原理:無論初始狀態(tài)和初始決策怎么樣，其余決策對于第一次決策所造成的狀態(tài)來說， 必須構成一個最優(yōu)策略。
[0012] 所述一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，所述步驟1包括： 步驟11，建立最小優(yōu)化問題為
步驟12，以水倉水位H (k)為系統(tǒng)狀態(tài)變量，則水倉水位方程可表述為
所以，系統(tǒng)的狀態(tài)方程可以描述為
步驟13,約束條件為：/.f rUn A' } // ; 對于安裝相同型號的排水栗房，可以將問題簡化為^ ^ 1 ： - ,1 ， 每臺水栗的流量，:，每臺水栗單位時間耗電量，則目標函數(shù)為：
問題轉化為求取最優(yōu)控制策略為黎~!|，使得：
，令Λ?々:.Η?ν/?丸S，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
約束條件為:沒續(xù)，根據(jù)排水要求，排水周期內(nèi)需將水位排至停栗水栗，所 以可得到系統(tǒng)的邊界條件為H(0)=0，H(T-1)=0。
[0013] 所述一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，所述步驟2包括： 步驟21，將一個排水周期分為T個時間段，給每一段做出一個決策輸入u(k)，即投入的 水栗臺數(shù)； 步驟22,其中任意一段k+Ι做出相應的決策后，才能確定該段輸入狀態(tài)與輸出狀態(tài)之間 的關系，即從水位H(k)到敎_^|__幾_|，__的狀態(tài)轉移規(guī)律。在每一段決策都做 出后，整個過程的狀態(tài)轉移規(guī)律從H(0)經(jīng)H(k)到Η(Τ)α=1，2，···，η)也就完全被確定了。全 部"決策"u(k)的總體稱為策略魏電費支出最小的目標模型是策 略U(k)和電價c(k)的函數(shù)。而最優(yōu)控制的要求是選擇一種組合
是電價目標函數(shù)最?。?步驟23,4
，定義J(k)為后N-k段的子目標函數(shù)，則具有如下 遞推關系：
用遞推法求出最優(yōu)控制策略 下。
[0014]綜上所述，由于采用上述的創(chuàng)新技術方案，本發(fā)明的有益效果是： 1、 可方便的對現(xiàn)有排水系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)排水智能化； 2、 該系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人值守，可以智能化的控制水栗的起停，從而達到節(jié)省排水費用 的目的； 3、 系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過現(xiàn)場傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)控與控制，系 統(tǒng)運行可靠。
[0015]
【附圖說明】： 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯 和容易理解，其中： 圖1是控制系統(tǒng)結構圖； 圖2是排水系統(tǒng)示意圖； 圖3是排水系統(tǒng)組成示意圖； 圖4是水栗水栗優(yōu)化調(diào)度流程圖； 圖5是水栗自動啟停流程圖。 具體實施方案
[0016]下面結合附圖和實例，對本發(fā)明作進一步詳述。
[0017]圖1是本發(fā)明控制系統(tǒng)結構圖。PLC控制柜、現(xiàn)場傳感器、上位機、就地操作箱、變頻 器、檢測儀表等?？刂茊卧饕怯蒔LC控制柜和上位機組成，是智能控制系統(tǒng)的核心部分。 操作人員可在集控中心可通過上位機計算機遠程控制水栗的啟停。PLC控制柜除與就地控 制箱的顯示屏通信外，還負責控制水栗開停的流程控制，并能觀測相關參數(shù)和設定水栗的 工作方式。PLC控制柜的核心為PLC可編程控制器，它采集各個傳感器的信號;設置系統(tǒng)的工 作方式;顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù);根據(jù)預設邏輯對水栗進行手動或自動控制。繼電器作為 PLC的輸出執(zhí)行單元，按照PLC程序處理結果接通或斷開電路，達到啟動或停止電動機的目 的。
[0018]電流傳感器、壓力傳感器、水位傳感器、流量傳感器和溫度傳感器構成了系統(tǒng)的檢 測單元。主要是采集的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并將其傳送至PLC，供PLC內(nèi)部程序處理。
[0019]就地操作箱上有自動、遠程、近控、檢修、純手動等多種選擇。自動模式下，程序自 動根據(jù)傳感器信號按設定程序合理選擇啟停設備。遠程模式，為通過遠程控制主機對設備 進行啟停。近控模式，按程序設定就地對設備進行啟停。檢修模式，用于現(xiàn)場檢修人員檢修 時使用。手動模式，不通過PLC直接控制電機的接觸器對水栗開停，用于PLC故障或檢修PLC 時應急使用。
[0020]圖2是本發(fā)明的排水系統(tǒng)示意圖。當水位達到停栗限位時，系統(tǒng)就會自動把水關 閉，在水位逐漸上升的過程中，系統(tǒng)會智能的控制各個水栗的啟停，當水位達到極限水位 時，系統(tǒng)會把所有的水栗都開啟。
[0021] 圖3是本發(fā)明的排水系統(tǒng)組成示意圖。將水位傳感器安裝在排水配水倉內(nèi)，用來實 時監(jiān)測水位的高度；電流傳感器與溫度傳感器安裝在電機上，采集到的信息用來監(jiān)測電機 的運行狀況;壓力傳感器裝在安裝在出水閘閥6和栗體1之間并與壓力表相連，用來監(jiān)測水 栗出口處的壓力，并通過壓力表來顯示壓力值;流量傳感器裝在水管管路上，用來檢測每個 水栗的排水流量。這些數(shù)據(jù)都會傳送到PLC，經(jīng)過PLC處理之后來控制水栗的啟停。
[0022] 圖4是本發(fā)明的水栗優(yōu)化調(diào)度流程圖。水倉水位設有極限水位，高水位和低水位。 規(guī)定水倉的水不準超過極限水位，當超過高水位時系統(tǒng)立即排水并發(fā)生報警，每次排水的 目標都要達到低水位，使得水倉在用電谷段時間內(nèi)騰出盡可能大的空間，供用電峰段儲水 使用，最大可能的避免用電高峰啟動水栗。
[0023]圖5是本發(fā)明的水栗自動啟停流程圖。在系統(tǒng)收到開栗命令后，判斷是否滿足開栗 條件，其中包括閥門的關到位信號，系統(tǒng)是否存在報警等情況。在滿足開栗條件時，系統(tǒng)進 入自動運行的控制。首先要經(jīng)過10S預警，之后開啟真空射流閥進行抽真空過程。通過真空 傳感器的監(jiān)測，達到系統(tǒng)設定值時，進入下一步操作，即開啟水栗電機，同時關閉電磁閥。接 著不斷監(jiān)測水栗出水口的壓力，當壓力達到設定值時，開啟出水閘閥，完成自動開栗流程。 開栗過程中，如果檢測真空度和出口壓力在規(guī)定時間之內(nèi)不能達到要求，則聲光報警，進入 停栗環(huán)節(jié)。此外，在運行過程中，若水栗出現(xiàn)故障或者滿足停栗條件，則進入停栗階段。
【主權項】
1. 一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法由PLC控制柜、現(xiàn)場傳感器、上位機、就地操 作箱、變頻器、檢測儀表等組成。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，其特征在于:在地面 集控室里通過上位機就可以進行水栗的開啟與關閉，實現(xiàn)了無人值守。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，其特征在于:根據(jù)實 際工作中的安全，控制方式設置為自動、遠控、近控、手動和檢修等五種工作方式，根據(jù)不同 的情況選擇不同的控制方式。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，其特征在于:位機系 統(tǒng)集中顯示了系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)，如水倉水位，真空度，出口壓力，電機電流及水栗電機、真空 閥、射流閥、出水閘閥的各種工作狀態(tài)，出現(xiàn)異常時發(fā)出報警信號并及時記錄。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，其特征在于:系統(tǒng)通 過程序編寫設計了水栗自動輪換功能，根據(jù)每臺水栗的運行時間以及運行次數(shù)的記錄和分 析，建立合理的邏輯模型，按照一定的順序自動選擇啟停哪臺水栗和相應的管路，確保每臺 正常的工作水栗運行時間分配均勻，啟停次數(shù)合理;通過高低水位的判斷，系統(tǒng)根據(jù)實際情 況對水栗發(fā)出啟停命令，確保排水順利，利用不同時間段有不同電價的規(guī)則，使之盡可能在 電價谷段工作，盡量避免電價峰段啟動;這樣，可以節(jié)約電費的同時，減少用電峰段對電網(wǎng) 的負擔。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，其特征在于:根據(jù)涌 水量和水位變化合理的確定開啟水栗的臺數(shù)和時間，包括如下步驟： 步驟1，模型建立，假設井下栗房有η臺水栗并聯(lián)工作，根據(jù)要求，水位最高允許上升至 極限水位Η2，水位Η1為每次排水停栗水位； 步驟2,模型求解，動態(tài)規(guī)劃的研究對象是多階段決策過程的最優(yōu)化問題，依據(jù)的是最 優(yōu)性原理:無論初始狀態(tài)和初始決策怎么樣，其余決策對于第一次決策所造成的狀態(tài)來說， 必須構成一個最優(yōu)策略。7. 根據(jù)權利要求6所述一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，其特征在于，所述步驟 1包括： 步驟11，建立最小優(yōu)化問題為步驟12，以水倉水位H(k)為系統(tǒng)狀態(tài)變量，則水倉水位方程可表述為所以，系統(tǒng)的狀態(tài)方程可以描述為步驟13,約束條件為對于安裝相同型號的排水栗房，可以將問題簡化為每臺水栗的流量，，每臺水栗單位時間耗電量，則目標函數(shù)為：，問題轉化為求取最優(yōu)控制策略使得：，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：約束條件為:.:? ，根據(jù)排水要求，排水周期內(nèi)需將水位排至停栗水栗，所 以可得到系統(tǒng)的邊界條件為//(0) =0，//0--1) =0。8.根據(jù)權利要求6所述一種井下水栗智能控制及節(jié)能優(yōu)化算法，其特征在于，所述步驟 2包括： 步驟21，將一個排水周期分為T個時間段，給每一段做出一個決策輸入u(k)，即投入的 水栗臺數(shù)； 步驟22,其中任意一段k+Ι做出相應的決策后，才能確定該段輸入狀態(tài)與輸出狀態(tài)之間 的關系，即從水位H(k)到的狀態(tài)轉移規(guī)律;在每一段決策都做 出后，整個過程的狀態(tài)轉移規(guī)律從M0)經(jīng)到Μ Γ) (A=l，2，…，/0也就完全被確定了；全 部"決策" t/U)的總體稱為策略電費支出最小的目標模型是策 略t/U)和電價cU)的函數(shù);而最優(yōu)控制的要求是選擇一種組合是電價目標函數(shù)最??； 步驟23，令定義JU)為后ΛΗτ段的子目標函數(shù)，則具有如下遞 推關系：用遞推法求出最優(yōu)控制策略. ..I .最優(yōu)性能泛函/的過程如下。
【文檔編號】G06Q10/04GK105952660SQ201610332058
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】高嬌, 張震, 李倩鈺, 劉慶豪, 郭彩翔, 王艷兄
【申請人】中國礦業(yè)大學