井下復(fù)雜供水管網(wǎng)壓力自動調(diào)節(jié)與異常預(yù)警系統(tǒng)

1、井下復(fù)雜供水管網(wǎng)壓力自動調(diào)節(jié)與異常預(yù)警系統(tǒng)摘要：井下供水系統(tǒng)是煤礦井下安全生產(chǎn)活動所必須具備的生命系統(tǒng)。 不論采掘 生產(chǎn)活動，還是礦井“一通三防”，都需要具備足夠數(shù)量和足夠壓力的水源來支 持，達不到水力要求， 不僅直接影響井下各用戶作業(yè)生產(chǎn)， 同時還將帶來非常重 大的安全隱患問題。 滿足用戶需求， 提高井下供水系統(tǒng)安全可靠運行， 是煤礦安 全生產(chǎn)必須解決的問題。 本文結(jié)合煤礦生產(chǎn)的實際情況， 提出并完成了井下復(fù)雜 供水管網(wǎng)壓力自動調(diào)節(jié)與異常預(yù)警系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)軟件部分的實現(xiàn)過程。 通過 MCGS 組態(tài)軟件結(jié)合 MATLAB 完成對監(jiān)控系統(tǒng)上位機畫面的組建， 構(gòu)建起 完整的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

2、關(guān)鍵詞：恒壓供水；mcgs；組態(tài)1 論文研究的背景 變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是一項集現(xiàn)代電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高效節(jié)能 技術(shù)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善。據(jù)統(tǒng)計，煤礦巾排 水設(shè)備耗電量約占全礦耗電量的 30，對涌水量較大的礦井可達 50-60甚至 更多。所以排水設(shè)備運行效率的高低，直接影響節(jié)能目標的實現(xiàn)。許多礦井，為 保證壓力足夠的需要或為適應(yīng)日后發(fā)展的需要， 一般水泵揚程及電機功率均選擇 比較大的余量，即不管水量需求大小總是維持水泵最高壓力。對于工業(yè)生產(chǎn)和特殊用途的供水而言， 供水就更顯得異常重要， 例如在工業(yè) 生產(chǎn)中如突然供水不足或斷水，就可能會對產(chǎn)品的安全衛(wèi)生產(chǎn)生某

3、些不良影響。 而對于滅火水源來講， 供水不足則更加致命， 對人民的生命財產(chǎn)安全造成極大隱 患。因此，實現(xiàn)恒壓供水的自動控制系統(tǒng)對于煤礦節(jié)能具有重要的現(xiàn)實意義。 模 糊控制具有結(jié)構(gòu)簡單、 魯棒性好、 可靠性高及易于操作等特點 被廣泛應(yīng)州于地 面供水系統(tǒng)恒壓控制。 本文將研究如何應(yīng)川模糊變頻控制技術(shù)實現(xiàn)煤礦井下恒壓 供水控制，即用模糊控制與變頻器結(jié)合方法實現(xiàn)煤礦井下供水系統(tǒng)的自動控制。 控制器采用SIEMENS S7-200PLC CPU226,通過MD采集系統(tǒng)壓力與水位信息， 經(jīng)過模糊控制算法，依靠D/A輸JI改變變頻器輸出頻率，涮節(jié)電機轉(zhuǎn)速達到恒 壓調(diào)節(jié)的控制要求。組態(tài)軟件不但直接形象的反應(yīng)了

4、工業(yè)生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)， 并且將檢測和軟件進 行有機結(jié)合，通過檢測裝置等將系統(tǒng)運行的情況直觀的反應(yīng)到電腦上， 集中便捷。 而且操作人員也可以通過組態(tài)軟件的相關(guān)操作完成對遠程設(shè)備的控制。 便于生產(chǎn) 效率的提高，檢修的方便，大大節(jié)省了資金。使工業(yè)成本不斷下降，所以在變頻 恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)用組態(tài)軟件很有必要。2 系統(tǒng)的總體技術(shù)方案恒壓供水系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層和遠程上位機監(jiān)控層,遠程監(jiān)控層作為人機對話界面 ,通過 MCGS 組態(tài)軟件將分站 PLC 采集到的實時數(shù)據(jù)傳送到井上監(jiān)控室 , 實時地顯示井下管網(wǎng)各處的水壓和電動閘閥的開度 ,自動生成數(shù)據(jù)報表、實時曲 線和歷史曲線 ,供工作人員查看井下工作狀態(tài)、分析數(shù)

5、據(jù)以及調(diào)節(jié)水壓。現(xiàn)場控 制層分為3個控制分站，各個分站由PLC、電動閥以及壓力傳感器構(gòu)成一個閉環(huán) 負反饋控制系統(tǒng) ,通過調(diào)節(jié)閘閥開度來維持水壓穩(wěn)定。同時通過擴展以太網(wǎng)通信 模塊,利用井下以太環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)各個分站的聯(lián)網(wǎng)以及遠程集中控制。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示， 由可編程控制器、 變頻器、 水泵電 機組、壓力傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖 1 臺電動機的起動、運行與調(diào)速，其中電機采用變頻調(diào)速方式運行。 通過壓力傳感 器采樣管網(wǎng)壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給 PLC模塊, PLC根據(jù)這兩個信號經(jīng)通過模糊控制策略運算， 發(fā)出控制信號，控制水泵電機

6、進 行切換。PLC上接工控計算機，上位機裝有監(jiān)控軟件，對恒壓供水系統(tǒng)進行監(jiān)測 控制。圖系統(tǒng)監(jiān)控圖2.1控制電路設(shè)計在控制電路的設(shè)計中，首先要考慮的是強電和弱電之間的隔離的問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了使PLC設(shè)備得到保護保護，PLC邏輯控制器的輸出端口并不是 直接和交流接觸器相連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。在PLC輸出端口和交流接觸器之間接上中間繼電器， 這樣做的目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng) 中的弱電和強電之間的隔離，延長系統(tǒng)的使用壽命，保護系統(tǒng)，增強系統(tǒng)運行的 可靠性?？刂齐娐分写嬖陔娐分g互鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是

7、實現(xiàn)分組的組內(nèi) 自動循環(huán)，所以電路的自鎖包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖。組內(nèi)互鎖是指同一組中電動機的互鎖，組間互鎖是指不同機組之間電動機的互鎖。 在實現(xiàn)組內(nèi)互鎖的時候， 嚴禁出現(xiàn)一臺電動機同時接在工頻電源和變頻電源的情況，同時要求變頻器始終只與一臺電動機相連。控制電路中還必須考慮系統(tǒng)電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示燈的設(shè)計，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用 PLC輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常 開觸點的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。3變頻器技術(shù)研究變頻器是將固定的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，變頻器首先要把交

8、流電的電源變換為直流電源 （DC）。再把直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC）的控制裝置，其科學(xué)術(shù)語為 “inverter”（逆變器）。由于在變頻器設(shè)備中產(chǎn)生的變化電壓或頻率的主要裝置叫 “inverter”，所以該產(chǎn)品本身就被命名為“ inverter”，即：變頻器?，F(xiàn)在使用的 變頻器主要采用交一直一交方式（VVC PLUS變頻或矢量控制變頻），首先把工 頻交流電源使其通過整流器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成電壓、頻率都可以控制的交流電源，再把轉(zhuǎn)換好的交流電源供給電動機。 變頻器的 電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋 式不可控整流器，逆變部分為I

9、GBT三相橋式逆變器，且輸出得波形為 PWM形式，中間直流環(huán)節(jié)為是濾除雜波、緩沖無功功率、直流儲能。交流變頻器是微計算機及現(xiàn)代電力電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計算機是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成了變頻器的主電路。 從發(fā)電廠送出的交流電經(jīng)過 升壓變壓器變壓后輸出，輸出的交流電的頻率是恒定不變的，也就是工頻50赫茲。交流電動機的同步轉(zhuǎn)速。Ni60 fiP 式中凡一同步轉(zhuǎn)速,r/mi n;fl -定子頻率，Hz；P-電機的磁極對數(shù)而異步電動機轉(zhuǎn)速60 f1“屮匸） s = （NN）/Ni般小于3%N -異步電機轉(zhuǎn)速；fl -電動機供電電源的頻率；S-一電動機轉(zhuǎn)差率，一般為1%-5%；P-電動機磁極對

10、數(shù)。從公式可知，當P、s一定時，只要平滑的改變電動機的供電頻率 f1，就可以平 滑的改變電動機的轉(zhuǎn)速N，變頻器就是通過內(nèi)部電路的變換輸出頻率可調(diào)的信 號，從而控制電機實現(xiàn)變速的，也就是說變頻對于交流電機的調(diào)運來說是十分合 適的。電機的工作原理決定電機的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以不適和改變該值來調(diào)整電 機的速度。4供水系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計4.1控制算法的選擇一般供水系統(tǒng)中，中、大功率的水泵是由三相鼠籠式異步電機驅(qū)動， 三相異 步電動機的數(shù)學(xué)模型是一個高階次、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，再加上供水 管網(wǎng)管阻特性具有死區(qū)和非線性，因此，

11、供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。具有高階次、非 線性、大滯后、強耦合，多變量、參數(shù)時變的特點，難以得到有效的解析式數(shù)學(xué) 模型；而且供水管網(wǎng)中水管鋪設(shè)復(fù)雜，彎管多，使其參數(shù)變化無常；用水高峰期 和低峰期沒有規(guī)律.另外，供水系統(tǒng)采用多臺水泵并聯(lián)循環(huán)運行，當水泵進行工頻運行與變頻運行切換時，供水壓力由連續(xù)狀態(tài)變?yōu)椴▌訝顟B(tài)，等效于在系統(tǒng)中 加入了嚴重的階躍干擾信號.供水系統(tǒng)中恒壓控制是根據(jù)水壓給定值與供水管道 中實際壓力值的壓差大小，控制變頻器輸出頻率，使變頻器實時調(diào)節(jié)水泵電機的 轉(zhuǎn)速以適應(yīng)管路中壓力的變化.要想維持供水管網(wǎng)的壓力不變，在管網(wǎng)系統(tǒng)中安 裝壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大，管網(wǎng)的充

12、壓較慢， 故系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)。根據(jù)以上分析可以看出，模糊控制能很好地體現(xiàn)它的優(yōu)越性. 模糊控制是處 理不確定對象的有效方法之一.這種控制方式不需要知道對象的精確模型， 是一 種語言控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對非線性、大滯后特性對象的控制；對數(shù)學(xué)模型不清楚 或參數(shù)時變的對象以及常規(guī) PID算法控制效果不理想的場合，也能得到很好的 應(yīng)用。模糊控制突出的優(yōu)點是對不同過程控制的適應(yīng)性強，具有強的魯棒性，而且結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)。4.3供水系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計供水系統(tǒng)水壓閉環(huán)的基本Fuzzy控制器選用二維輸入單輸出模糊控制器，該 控制器以給定壓力與實際壓力的誤差及誤差變化率作為輸入變量，能較好地反映被控對象的動

13、態(tài)特性，因此控制效果較好。在整個恒壓供水系統(tǒng)中，對于供水控 制器有很多的輸入、輸出量，而真正實現(xiàn)供水系統(tǒng)恒壓控制的只有給定壓力、水壓信號和變頻器頻率控制信號。這三個信號組成了模糊控制子系統(tǒng)的輸入和輸 出。因此，模糊子系統(tǒng)的實際變量如下定義： 給定輸入變量：由用戶設(shè)定的期望穩(wěn)定壓力值r；實際輸入變量：用戶管網(wǎng)的水壓信號 y;實際輸出變量：控制變頻器運行頻率的給定信號u。5觸摸屏與上位機組態(tài)設(shè)計為使上位機組態(tài)軟件與觸摸屏進行通訊，在MCGS嵌入式版本與通用版本之間要進行正確的設(shè)置。首先，進行嵌入式版本的設(shè)置：如圖所示(1) 雙擊MCGS嵌入式版本，新建工程，選擇觸摸屏類型之后打開設(shè)備窗口，單擊工具

14、箱圖標，彈出設(shè)備工具箱，選擇通用TCP/IP父設(shè)備，在父設(shè)備下掛載ModbusTCPIP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。(2) 雙擊通用TCP/IP父設(shè)備，進行屬性設(shè)置，服務(wù)器/客戶設(shè)置選擇1-服務(wù) 器，本地的IP要與遠程的IP在同一個范圍之內(nèi)，本地端口號與遠程端 口號都設(shè)置為3000。雙擊ModbusTCPIP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，設(shè)置設(shè)備地址， 要與pic地址對應(yīng)，采集pic數(shù)據(jù)?；緦傩栽O(shè)備測試設(shè)備屬性名設(shè)備屬性值設(shè)備名稱通用TCPIP父設(shè)備D設(shè)備注鏗通用TCP/IPit設(shè)備初始工作狀態(tài)1 -啟動最小采集周期g1000網(wǎng)絡(luò)類型1 - TCP服務(wù)器/客戶設(shè)置1 -服務(wù)黠本地汗地址200,200.300. 190本地端口號JOOO遠程:EP地址200*200. 200. 100遠程端口號3000|設(shè)備屬性名設(shè)備屬性值內(nèi)部屬性設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性釆集優(yōu)牝1-優(yōu)化設(shè)備名稱水閥轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備設(shè)備注釋ModbusTCP IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備初始