对于井下复杂供水管网压力自动调节与异常预警系统 5页

'井下复杂供水管网压力自动调节与异常预警系统王乃旭青岛科技大学（自动化与电子工程学院，山东青岛266042）AUTOMATICADJUSTMENTOFDOWNHOLEPRESSUREINWATERSUPPLYNETWORKWITHTHEEXCEPTIONOFEARLYWARNINGSYSTEMWangNai-xu（AutomationandElectronicEngineeringCollege,QingdaoUniversityofScience&Technology,QingdaoShandong266061,China)摘要：井下供水系统是煤矿井下安全生产活动所必须具备的生命系统。不论采掘生产活动，还是矿井“一通三防”，都需要具备足够数量和足够压力的水源来支持，达不到水力要求，不仅直接影响井下各用户作业生产，同时还将带来非常重大的安全隐患问题。满足用户需求，提高井下供水系统安全可靠运行，是煤矿安全生产必须解决的问题。本文结合煤矿生产的实际情况，提出并完成了井下复杂供水管网压力自动调节与异常预警系统。详细介绍了系统软件部分的实现过程。通过MCGS组态软件结合MATLAB完成对监控系统上位机画面的组建，构建起完整的设备状态监控系统。关键词：恒压供水；mcgs；组态1论文研究的背景变频调速节能技术是一项集现代电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术。随着电力电子技术的发展，变频调速技术的日臻完善。据统计，煤矿巾排水设备耗电量约占全矿耗电量的30％，对涌水量较大的矿井可达50％-60％甚至更多。所以排水设备运行效率的高低，直接影响节能目标的实现。许多矿井，为保证压力足够的需要或为适应日后发展的需要，一般水泵扬程及电机功率均选择比较大的余量，即不管水量需求大小总是维持水泵最高压力。对于工业生产和特殊用途的供水而言，供水就更显得异常重要，例如在工业生产中如突然供水不足或断水，就可能会对产品的安全卫生产生某些不良影响。而对于灭火水源来讲，供水不足则更加致命，对人民的生命财产安全造成极大隐患。因此，实现恒压供水的自动控制系统对于煤矿节能具有重要的现实意义。模糊控制具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高及易于操作等特点．被广泛应州于地面供水系统恒压控制。本文将研究如何应川模糊变频控制技术实现煤矿井下恒压供水控制，即用模糊控制与变频器结合方法实现煤矿井下供水系统的自动控制。控制器采用SIEMENSS7-200PLCCPU226，通过MD采集系统压力与水位信息，经过模糊控制算法，依靠D/A输}JI改变变频器输出频率，涮节电机转速达到恒压调节的控制要求。组态软件不但直接形象的反应了工业生产的每个环节，并且将检测和软件进行有机结合，通过检测装置等将系统运行的情况直观的反应到电脑上，集中便捷。而且操作人员也可以通过组态软件的相关操作完成对远程设备的控制。便于生产效率的提高，检修的方便，大大节省了资金。使工业成本不断下降，所以在变频恒压供水系统中应用组态软件很有必要。2系统的总体技术方案 恒压供水系统分为现场控制层和远程上位机监控层,远程监控层作为人机对话界面,通过MCGS组态软件将分站PLC采集到的实时数据传送到井上监控室,实时地显示井下管网各处的水压和电动闸阀的开度,自动生成数据报表、实时曲线和历史曲线,供工作人员查看井下工作状态、分析数据以及调节水压。现场控制层分为3个控制分站,各个分站由PLC、电动阀以及压力传感器构成一个闭环负反馈控制系统,通过调节闸阀开度来维持水压稳定。同时通过扩展以太网通信模块,利用井下以太环网实现各个分站的联网以及远程集中控制。变频调速恒压供水系统构成如下图所示，由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖1台电动机的起动、运行与调速，其中电机采用变频调速方式运行。通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC模块，PLC根据这两个信号经通过模糊控制策略运算，发出控制信号，控制水泵电机进行切换。PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒压供水系统进行监测控制。图系统监控图2.1控制电路设计在控制电路的设计中，首先要考虑的是强电和弱电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了使PLC设备得到保护保护，PLC逻辑控制器的输出端口并不是直接和交流接触器相连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间接上中间继电器，这样做的目的是为了实现系统中的弱电和强电之间的隔离，延长系统的使用寿命，保护系统，增强系统运行的可靠性。控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连。控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。3变频器技术研究变频器是将固定的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。为了产生可变的电压和频率，变频器首先要把交流电的电源变换为直流电源（DC）。再把直流电（DC）转换为交流电（AC）的控制装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。由于在变频器设备中产生的变化电压或频率的主要装置叫 “inverter”，所以该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVCPLUS变频或矢量控制变频），首先把工频交流电源使其通过整流器转换成相应的直流电源，然后再把直流电源转换成电压、频率都可以控制的交流电源，再把转换好的交流电源供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出得波形为PWM形式，中间直流环节为是滤除杂波、缓冲无功功率、直流储能。交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。从发电厂送出的交流电经过升压变压器变压后输出，输出的交流电的频率是恒定不变的，也就是工频50赫兹。交流电动机的同步转速。式中凡一同步转速，r/min;----定子频率，Hz；----电机的磁极对数。而异步电动机转速，，一般小于3%。----异步电机转速；----电动机供电电源的频率；-----电动机转差率，一般为1%-5%；-----电动机磁极对数。从公式可知，当、一定时，只要平滑的改变电动机的供电频率，就可以平滑的改变电动机的转速，变频器就是通过内部电路的变换输出频率可调的信号，从而控制电机实现变速的，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。4供水系统模糊控制器的设计4.1控制算法的选择一般供水系统中，中、大功率的水泵是由三相鼠笼式异步电机驱动，三相异步电动机的数学模型是一个高阶次、非线性、强耦合的多变量系统，再加上供水管网管阻特性具有死区和非线性，因此，供水系统的数学模型。 具有高阶次、非线性、大滞后、强耦合，多变量、参数时变的特点，难以得到有效的解析式数学模型；而且供水管网中水管铺设复杂，弯管多，使其参数变化无常；用水高峰期和低峰期没有规律．另外，供水系统采用多台水泵并联循环运行，当水泵进行工频运行与变频运行切换时，供水压力由连续状态变为波动状态，等效于在系统中加入了严重的阶跃干扰信号．供水系统中恒压控制是根据水压给定值与供水管道中实际压力值的压差大小，控制变频器输出频率，使变频器实时调节水泵电机的转速以适应管路中压力的变化．要想维持供水管网的压力不变，在管网系统中安装压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压较慢，故系统是一个大滞后系统。根据以上分析可以看出，模糊控制能很好地体现它的优越性．模糊控制是处理不确定对象的有效方法之一．这种控制方式不需要知道对象的精确模型，是一种语言控制器，能够实现对非线性、大滞后特性对象的控制；对数学模型不清楚或参数时变的对象以及常规PID算法控制效果不理想的场合，也能得到很好的应用。模糊控制突出的优点是对不同过程控制的适应性强，具有强的鲁棒性，而且结构简单、易于实现。4.3供水系统模糊控制器的设计供水系统水压闭环的基本Fuzzy控制器选用二维输入单输出模糊控制器，该控制器以给定压力与实际压力的误差及误差变化率作为输入变量，能较好地反映被控对象的动态特性，因此控制效果较好。在整个恒压供水系统中，对于供水控制器有很多的输入、输出量，而真正实现供水系统恒压控制的只有给定压力、水压信号和变频器频率控制信号。这三个信号组成了模糊控制子系统的输入和输出。因此，模糊子系统的实际变量如下定义：给定输入变量：由用户设定的期望稳定压力值r；实际输入变量：用户管网的水压信号y；实际输出变量：控制变频器运行频率的给定信号u。5触摸屏与上位机组态设计为使上位机组态软件与触摸屏进行通讯，在MCGS嵌入式版本与通用版本之间要进行正确的设置。首先，进行嵌入式版本的设置：如图所示（1）双击MCGS嵌入式版本，新建工程，选择触摸屏类型之后打开设备窗口，单击工具箱图标，弹出设备工具箱，选择通用TCP/IP父设备,在父设备下挂载ModbusTCPIP数据转发设备。（2）双击通用TCP/IP父设备，进行属性设置，服务器/客户设置选择1-服务器，本地的IP要与远程的IP在同一个范围之内，本地端口号与远程端口号都设置为3000。双击ModbusTCPIP数据转发设备，设置设备地址，要与plc地址对应，采集plc数据。 6总结本文结合煤矿生产的实际情况研制了一套恒压供水系统。该系统结合监测对象的特殊性，有针对性地对各运行参数进行连续监测，对故障提前预警并做出诊断，使企业对设备的维修管理从计划性维修、事故性维修逐步过渡到以状态检测为基础的预防性维修，提高煤矿设备管理现代化水平，创造出巨大的经济效益。'