图1 自动恒压供水系统结构
田锦钊1,2， 孟宪波1,2， 周余强3， 张小松3
(1.山东能源淄博矿业集团有限责任公司 岱庄煤矿， 山东 济宁 272100；2.山东省充填开采工程技术研究中心， 山东 济宁 272100；3．山东能源淄博矿业集团有限责任公司 技术装备部， 山东 淄博 255000)
摘要：针对某采区供水系统末端负荷用水量不能确定的问题，提出了一种多台水泵自动恒压供水系统的设计方案。该系统采用PLC及变频器控制水泵，确保在末端负荷变化大时，自动调节水泵功率和数量，从而实现恒压供水。实际应用结果表明，该系统既保证了设备冷却水系统及防尘水系统所需要的水压，又避免了水压大幅波动问题，降低了采掘工作面设备故障率。
关键词：采区供水； 恒压供水； 末端负荷； 水泵； 变频器； PLC； 水压波动
恒压供水技术已经很成熟，但煤矿供水系统通常采用1台水泵实现恒压供水，且末端负荷不会出现很大变化[1]。山东能源淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿7300采区供水系统的末端负荷为防尘水系统和冷却水系统，防尘水及机械冷却用水与生产有关。当采掘工作面不生产时，用水量小；当采掘工作面投入生产时，用水量大。因此，该采区末端负荷不能确定，且为多台水泵参与控制。正常情况下，该采区用水量为40～50 m3/h，用水量最大时(很少的一部分时间)可达到60 m3/h以上，如果选用过大流量的水泵，会造成水泵效率损失和电能浪费[2]。针对该情况，本文设计了末端负荷不确定的多台水泵自动恒压供水系统。该系统采用PLC及变频器控制水泵，可实现水泵的自动功率调节与增减泵控制，从而实现冷却水系统及防尘水系统的恒压供水。
自动恒压供水系统结构如图1所示。系统由3台高扬程低流量水泵(2用1备)、2台2JT2-400/660型变频器、1台S7-200 PLC和矿用本质安全型压力传感器、流量传感器、液位传感器等组成。其中一台变频器控制2台水泵，另外一台变频器控制1台水泵，3台水泵都能通过PLC实现独立开停。正常情况下，2台变频器都使用，以避免2台水泵共用1台变频器。为便于管网维修，闸阀设置于每台水泵的出水管处，压力传感器安装在供水管网的出口处[3]。将压力传感器输出的压力值与变频器和PLC中设置的压力值进行比较，通过调节变频器中的PID控制器实现水泵电动机转速的无极调速和电动机的软启动[4-7]。
图1 自动恒压供水系统结构
自动恒压供水系统控制原理如图2所示。
图2 自动恒压供水系统控制原理
2.1 启动保护控制
启动保护控制主要完成水泵启动前的正负压监测和水泵运行时的温度监测[8]，实现对水泵的保护功能。
(1) 正常情况下，当系统给出启动信号后，负压电动球阀打开，保证当负压≤-0.06 MPa，且稳定时间为2 min以上时，水泵开始启动。保证当负压>-0.06 MPa，且稳定时间为2 min以上时，水泵不能启动，报负压故障，说明水泵密封不好，在抽负压时有漏气现象。
(2) 根据水泵扬程，设计水泵正压力≥3.5 MPa。正常情况下，当水泵启动后，出水口压力≥3.5 MPa，且稳定时间为2 min以上时，水泵正压阀门打开，进行供水。当水泵启动后，当出水口压力<3.5 MPa，且稳定时间为2 min以上时，水泵正压阀门不打开，报正压故障，说明水泵不上水。
(3) 水泵正常运行时，利用吸入水仓内的水对自身进行冷却[9]。在水泵空运转时，泵体与叶轮之间产生摩擦，造成水泵泵体快速发热[10]。如果温度达到45 ℃(泵体允许温度为60 ℃)，则水泵必须停止运行[11]，且报水泵超温故障，此时系统需要人工复位后才能进行自动控制。
2.2 水泵调速控制
当管网水压低于设定的压力值时，利用PLC调节变频器中的PID控制器，通过改变水泵电动机的工作频率来实现恒压供水[12]，确保-580 m水平、8300采区、6300采区防尘水和设备冷却水的正常使用。若变频器输出的频率达到上限50 Hz时还不能达到管网所需水压力，再启动其他2号或3号水泵，通过变频器实现多台水泵的恒压供水。
同理，当管网水压高于设定的压力值时，调节2号水泵运行频率。若2号水泵的运行频率下降到0时水压仍处于上限值，延迟2 min后，PLC通过中间继电器使2号水泵停止运行，再调节其余2台水泵的频率[13-15]。如果管网的水压仍然高于设定值，用同样的方法对剩下的2台水泵进行调节，直至输出所设定的理想管网水压。
2.3 增减泵控制
针对管网压力的增减泵控制：① 当3台水泵全部运行时，若出现管网压力≥4.15 MPa的情况，说明末端负荷用水量小，则停止2号水泵运行，保持1号、3号水泵运行。② 当1号、3号水泵运行时，若出现管网压力≥4.15 MPa的情况，说明末端负荷不用水，只开1号水泵即可保持管网压力不低于3.6 MPa。③ 当管网压力<1 MPa时，说明水泵排水管路出水口处出现断开现象，此时应停止所有水泵。
针对水仓水位的增减泵控制：① 当水仓水位≤0.3 m时，3台水泵全部停止工作。② 当0.3 m<水仓水位≤0.5 m时，1号水泵工作。③ 当0.5 m<水仓水位≤1.2 m时，1号、3号水泵工作。④ 当水仓水位>1.2 m时，3台水泵全部工作。
针对管网流量的增减泵控制：①当管网流量<3 m3/h时，所有水泵停止运行。② 当3 m3/h≤管网流量<10 m3/h时，1号水泵运行。③ 当10 m3/h≤管网流量<25 m3/h且管网压力在3.8 MPa以上时，1号、3号水泵运行。④ 当管网流量≥30 m3/h时，3台水泵全部运行。
特殊情况：① 当水仓水位>1.2 m且管网压力≥4.15 MPa时，说明末端负荷用水量很少，但水仓水位很高，此时停止2号水泵运行，其余2台水泵变速运行，并将多余的水量通过潜水泵排放到-410 m水平的水沟内，再流至-410 m水平的泵房内。② 当2台水泵运行且水仓水位>1.2 m、管网压力≥4.15MPa时，说明末端负荷用水量更少，但水仓水位很高，此时应停止3号水泵，保持1号水泵正常调速运行。
3.1 控制算法的选取
自动恒压供水系统具有时变小、非线性、滞后时间短、模型不稳定等特点，以供水压力、水仓水位、管网流量、水泵温度等为实时检测对象，实现在正常情况下的自动增减水泵控制，并通过调节水泵的转速使出口管网的实际水压与设定供水压力一致。
从供水管网初始压力开始至管网压力达到要求，需经历2个过程：① 水泵将水送到管网，该阶段管网压力基本保持为初始压力，是一个纯滞后过程。② 水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加，直至稳定。
系统其他控制和检测环节的时间常数和滞后时间可以忽略不计，均可等效为比例环节。因此，包括管网、水箱、水泵机组的控制对象的数学模型可以近似成一个纯滞后的一阶惯性环节，即
(1)
式中：K为系统放大系数；TP为系统惯性时间常数；τ为系统滞后时间。
通常情况下，被控对象的惯性时间常数TP为100 s左右，滞后时间τ小于10 s，即τ<<TP，S7-200系列PLC控制器完全可以满足控制要求。系统采用PID算法进行控制，恒压变频控制原理如图3所示。
图3 恒压变频控制原理
3.2 软件流程
自动恒压供水系统软件分为3个子程序：启动保护子程序、变频调速子程序、增减泵控制子程序。在水泵开启之前，启动保护子程序对水泵出水口压力及水泵自身温度进行检测，当两者同时满足开泵要求时才能使水泵正常启动。变频调速子程序根据设定的管网压力对水泵进行控制，实现末端负荷不确定的恒压供水。如果变频器的频率达到上限或下限时仍不能满足管网压力要求，再调用增减泵控制子程序来保持供水管路的设定压力。系统软件流程如图4所示。
图4 系统软件流程
利用PLC的控制功能和内置PID控制的变频器，实现了末端负荷不确定时的变频恒压供水系统设计。该系统在岱庄煤矿投入运行后，供水压力始终能保持在设定值之间波动，既保证了设备冷却水系统及防尘水系统所需要的水压，又避免了水压大幅波动的情况，大大改善了工作面设备的运行工况，降低了设备故障率。由于该系统水压基本恒定(仅在5%范围内波动)，降低了堵管事故的发生率，也就间接地增加了矿井产量。
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Design of automatic constant-pressure water supply system based on uncertain terminal load
TIAN Jinzhao1,2， MENG Xianbo1,2， ZHOU Yuqiang3， ZHANG Xiaosong3
(1.Daizhuang Coal Mine, Shandong Energy Zibo Mining Group Co., Ltd., Jining 272100, China;2.Research Center of Filling and Mining Engineering Technology, Jining 272100, China;3.Technical Equipment Department, Shandong Energy Zibo Mining Group Co., Ltd., Zibo 255000, China)
Abstract：In view of problem that terminal water consumption of water supply system in a mining area cannot be determined, a design scheme of automatic constant-pressure water supply system was put forward. The system uses PLC and frequency converter to control water pump to ensure that the pump power and quantity can be automatically adjusted when terminal loads change greatly, so as to achieve constant pressure water supply. The practical application result shows that the system not only ensures the water pressure required by equipment cooling water system and dustproof water system, but also avoids sharp fluctuation of water pressure and reduces failure rate of equipments on working face.
Key words：water supply of mining area; constant-pressure water supply; terminal load; water pump; frequency converter; PLC; fluctuation of water pressure
文章编号：1671-251X(2017)06-0080-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.06.019
收稿日期：2017-01-06；
修回日期：2017-03-17；责任编辑：胡娴。
作者简介：田锦钊(1975-)，男，河南汝州人，工程师，主要研究方向为矿山装备智能化控制，E-mail:tjz1205818@126.com。
中图分类号：TD218
文献标志码：B 网络出版时间：2017-05-26 10:08
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170526.1008.019.html
田锦钊，孟宪波，周余强，等.末端负荷不确定的自动恒压供水系统设计[J].工矿自动化，2017,43(6)：80-83.