煤矿井下变频恒压供水自动控制的设计应用
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摘 要：在煤矿井下的供水系统中，向采煤工作面供水存在很大的难度，供水管路距离长达数千米，沿途用水点较多，供水不足情况时有发生，用水和供水之间的不平衡反映特别明显，供水压力不稳定，将变频恒压供水自动控制应用于煤矿井下就可以改变这种状况。
关键词：变频;恒压供水自动控制;煤矿井下
1 系统概述
（1）通过矿用隔爆兼本安型可编程控制箱实现井下排水泵房的设备自动启停操作，其中包括对水泵电机的控制和排水电动闸阀的控制以及启动水泵前射流排真空等，在条件允许的情况下还可以选择到地面集控室的上位机控制。系统配有防爆计算机，可以在现场进行PLC程序的编写，而且能够显示设备的运行状态和各个传感器监测的数值，在出现水泵供水出现问题时候可以报警提示操作人员。系统配有工业以太网传输接口模块，可以和煤矿井下环网连接，就可以在井上地面调度指挥中心监控井下的运行情况，在通过井下的视频监控系统，实时看到每个水泵的摄像头画面，从而达到恒压供水无人值守的状态。（2）每台供水泵的电机采用变频器来控制，通过调节变频器的频率实现供水压力的自动调节，每台供水泵的电动闸阀安装在供水加压泵的出口，在出水总管路上安装了压力变送器与超声波流量计来作为自动调节的反馈量，核心控制器选用西门子公司的1200PLC，通过硬接线及通讯与变频器，完成数据采集与控制功能。
2 变频系统性能简介
变频系统作为目前较为先进的系统，它具有调速范围宽，调速精度高等各种各样的优点。变频系统现在主要是应用在相关的空调方面，但当变频系统使用在煤矿的开采过程中。就会使煤矿井下供水，变得更加的方便和快捷。而变频系统的使用也会使得整个煤矿的开采过程中，变得比之前使用落后的系统，更加方便，更加适合现在的煤矿开工的使用。
3 系统特点
本变频系统的使用可以将整个煤矿的开采效率提高需要，比之前的系统更加可靠，在提高整个煤矿的开采率的过程中，还可以减少事故的发生率，还能够减少事故处理的时间，最后还能够节约相关的处理事故的费用，能够节约整个成本。
4 监测功能
安全的控制离不开齐全的监测。系统检测做好，才能够为各种设备的把控提供可靠的准备，而在整个惊吓的工作，如果没有了信号的监测就没法预防相关的井下问题，二如果能够检测到相关的信号，就能够为井下所有的特殊情况做好预防和准备。才能够保障整个煤矿开采的顺利实施，才能够保障下井人员的生命安全。
（1）被动反馈类。由变频器提供的变频水泵开、停信号，变频故障信号、变频频率信号、水泵电流信号。（2）主动监测类（传感器监测类）。供水管路的流量、排水口的压力、电机绕组温度及电机轴承温度、水仓水位等。
5 工作环节
整个工作的环节都有着各自的左右，每一个环节都在这个工程之中起着独特的作用，都为整个工程提供了帮助，而这些工作环节主要包括的就是电动机的自动控制环节、水压流量自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节。这四个环节作为整个工程的四个主要环节，在整个工程中每一个都是不可缺少的，每一个工程都可以提高工作效率。
5.1 电动机的自动控制环节
这个环节是整个工程的中心环节，只有将这个环节做好才能够正常给水，无论那种环节都要于此环节进行配合，只有这样才能够根据水压情况自动开停水泵，自动调整变频器的频率。为了防止备用的水泵受潮而损坏还无法及时发现，再到使用的时候就将没有备用水泵可以使用，所以要进行相关的轮换制，定期将水泵进行轮换使用，以保证水泵的可使用性，水泵作为电动机的重要配件，一旦出现问题，就会对整个过程产生巨大的影响，所以对待这个方面的问题一定要慎之又慎，所以一定要使用轮换制以保证备用水泵的可使用性。
5.2 供水流量和供水压力自动监控环节
供水压力自动监控环节的任务是实时监测水压的高低，根据水压的高低自动更改变频器的频率，水压高时减小频率、水压低时增大频率，甚至在供水压力特别高时停止水泵，供水的压力特别低时启动两台水泵。供水流量自动监控环节的任务主要是实时监测出水流量的大小，在水压不能达到设定的水压，而流量大于报警值时，可视为出水管路有漏水故障，应及时减小供水量或停止所有的水泵运行，以免产生不必要的事故。在这个环节中，这两种传感器的产品质量、现场安装方式方法、使用寿命等都直接影响到整个控制系统的可靠性，为此建议尽量选用防水防震防尘的质量可靠的传感器。
5.3 参数传示环节
是通过计算机这一现代科技将井下的各种参数例如温度、湿度、电动机电流、频度、各个机器的使用状态等等都返回到计算机之中，将这些参数进行整理和考察，在计算机上进行模拟并作出相关的解释，并对所将要采取的行动进行分析，并将行动所产生的結果进行汇报从而对井下的工作人员做出正确的指令，是整个工程顺利的实施。
5.4 故障保护环节
供水泵为采煤、掘进、开拓等重要部门提供生产用水，对井下的恒压供水的自动控制系统的安全性、可靠性就有很高的要求。本套系统就设计有以下的几种保护：（1）变频故障：当有1台水泵的变频器发生故障，不能正常工作时，转为启动另一台变频器，保障水压的稳定，并发出故障报警。（2）压力故障：当系统检测到出水压力低于设定压力的低限值，逐步投入2台水泵，变频器达到工频运行，此时系统还不能维持正常生产用水压时发出低压故障报警。（3）流量故障：当系统检测到供水流量高于设定水位的高限值，系统水泵全部在运行状态，应降低供水量或停止运行水泵，发出高流量故障报警，保证系统不因为管路问题，产生不必要的事故。
6 系统设备及组成
在本设计系统中主要使用了矿用隔爆兼本安型变频调速装置2台、矿用隔爆兼本安型PLC控制箱1台、检测流量和压力的传感器以及设备之间的连接电缆等。
（1）矿用隔爆兼本安型PLC控制箱主要由可编程控制器、信号变送器、中间继电器等组成，在本安控制面板上安装指示灯、按钮等，再配有本安触摸屏用于系统主要设备的各个运行参数及故障信息的显示存储。（2）传感器包括正压传感器、超声波流量计、超声波液位计等组成。设计将变频恒压供水的自动控制技术应用于煤矿井下，就可以保持供水压力的恒定，可以实现泵房远程供水和工作面用水之间的平衡，有效的实现供水压力和供水流量保持在设定值之内，从而为矿井生产单位稳定供水保驾护航。
7 遵循的设计原则
（1）以《煤矿安全规程》为基础，并结合现场实际情况;（2）遵循“五高”建设方针，即高起点、高技术、高质量、高效率、高效益，突出效益优先;（3）技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能，做到够用、适用、好用、易扩展;（4）充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用;（5）网络通讯功能强大，易于与其它系统集成。
8 遵守的主要现行标准
（1）GB 4796.电工电子产品环境条件.
（2）GB 20062.电力装置的继电保护和自动装置设计规范.
（3）GB 50058.爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范.
（4）GB 4720-84 .低压电器电控设备.
（5）GB 50171-92.电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施式及验收规范.
（6）IEC144.低压开关和控制设备的外壳防护等级.
（7）ANSI488 .可编程仪器的数字接口.
（8）ISA-55.2.过程运算的二进制逻辑图.
（9）ISA-55.3.过程操作的二进制逻辑图.
（10）ISA-55.4 .仪表回路图.
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