CN100445481C - 煤矿井下测压、地面控制的线性调节供水系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿井下测压、地面控制的线性调节供水系统。该系统包括：压力传感器，连接在供水管路上，用于采集供水点的压力；压力信号处理电路，与压力传感器和控制电路连接，用于处理压力信号；控制电路，与压力信号处理电路及电动节流阀连接，根据设定的井下供水压力与实际供水压力的差值输出控制电动节流阀转动方向和开口量的控制信号；电动节流阀，安装在井上地面，连接在煤矿井下供水管路中。本发明采用线性连续控制方法，从改善控制元件性能出发，用水高峰和用水低谷状态下，可保证压力超调量在±10%之内，具有控制精度高，工作可靠，使用寿命长，能很好地满足井下用水要求。

Description

煤矿井下测压、地面控制的线性调节供水系统

技术领域

本发明涉及煤矿井下供水系统。

背景技术

煤矿井下喷雾、冷却用水都由地面供给，由于矿井较深，因此存在供水压力高的问题，不考虑管路和阀门等损失，到达井下供水压力在不同井深下可达到5--10MPa。实际井下需要的压力在1～1.5MPa，供水压力不但不满足使用要求，而且这样高的压力经常损坏供水管路和阀门。对此，必须采用降压措施。

目前一直使用减压阀来降低水压，从使用情况看，减压阀使用寿命很短，容易损坏。除采用减压阀以外，另一种方式就是采用压力开关作传感元件来控制截止阀开关达到减压目的。这种控制方法虽然可行，但是压力开关和截止阀特性为开关式，动作频繁，容易损坏，调节性能较差。

发明内容

针对上述现有煤矿井下供水减压方式的不足，本发明提供一种控制精度高、工作可靠、寿命长的煤矿井下测压、地面控制的线性调节供水系统。

该线性调节供水系统包括：

压力传感器，连接在供水管路上，用于采集供水点的压力；

压力信号处理电路，与压力传感器和控制电路连接，用于处理压力信号；

控制电路，与压力信号处理电路及电动节流阀连接，根据设定的井下供水压力与实际供水压力的差值输出控制电动节流阀转动方向和开口量的控制信号；

电动节流阀，安装在井上地面，连接在煤矿井下供水管路中，包括普通截止阀和步进电机，普通截止阀的阀杆与步进电机连接，步进电机的驱动电路与控制电路连接。

压力传感器采集供水点的压力，该压力信号通过压力信号处理电路被放大处理后送到控制电路，控制电路根据设定压力与实际压力的差值送出控制电动节流阀转动方向和开口量的一控制信号，该信号经过控制电路的功率放大电路放大后驱动电动节流阀，达到控制调节供水压力的目的。整个系统构成闭环压力控制系统。

本发明采用线性连续控制方法，从改善控制元件性能出发，用水高峰和用水低谷状态下，可保证压力超调量在±10％之内，具有控制精度高，工作可靠，使用寿命长，能很好地满足井下用水要求。

附图说明

图1是本发明的结构原理框图。

图2是本发明的压力信号处理电路原理图。

图3是本发明的控制电路原理图。

图4是本发明的电动节流阀的结构示意图。

图5是本发明的控制程序流程图。

图中：1、压力信号处理电路，2、控制电路，3、电动节流阀，4、压力传感器，5、仪器放大器，6、V/F转换电路，7、光电隔离器，8、单片机，9、步进电机驱动电路，10、截止阀，11、步进电机，12、主动齿轮，13、从动齿轮，14、支架。

具体实施方式

实施例

图1给出了本发明的结构原理框图。包括：压力传感器4、压力信号处理电路1、控制电路2和电动节流阀3。压力传感器4采集供水点的压力，该压力信号通过压力信号处理电路1被处理后送到控制电路2，控制电路2根据设定压力p0与实际压力p的差值送出控制电动节流阀3方向和开口量的一控制信号，该信号经过控制电路的功率放大电路放大后驱动电动节流阀3。整个系统构成闭环压力控制系统。通过控制供水流量使井下用水流量和地面供水流量达到平衡，并保持一定供水高度充满管网，此高度产生的压力即为井下供水压力。

本发明的压力信号处理电路原理图如图2所示，这一部分在井下使用。压力传感器4采用电阻应变式，供电电压+12V。由压力传感器4出来的微弱信号送入仪器放大器5放大。仪器放大器5采用AD620芯片。该芯片放大倍数最大可达到10000倍。由仪器放大器5输出的信号达到伏级，为了便于远距离传输，将仪器放大器5输出的电压信号送入V/F转换电路6，将电压信号转换成频率信号。本发明采用LM331芯片作V/F转换器，该芯片转换精度高，可单电源工作。

本发明的控制电路原理图如图3所示，这一部分在井上使用。由LM331输出的频率信号送入光电隔离器7，通过光电隔离，频率信号送入MCS251单片机8的计数器T0，由计数器每秒钟所测的脉冲数即可换算出对应的压力值。由设定压力p0与实际压力p的差值，根据该系统的控制规律即可送出驱动电动节流阀3的步进电机11的脉冲数目。步进电机11由图3中的驱动电路9驱动，MCS251单片机8中P_1.0、P_1.1和P_1.2三个输出口用来发出控制脉冲，通过光电隔离器驱动晶体管T1～T3，而T1～T3驱动达林顿晶体管D1～D3，D1～D3再来驱动步进电机11的线圈，使步进电机11转动。

电动节流阀3的结构如图4所示。电动节流阀3连接在煤矿井下供水管路中，由普通截止阀10改制，步进电机11通过主动齿轮12和从动齿轮13与其阀杆连接，步进电机11安装在支架14上。

本发明的控制程序框图如图5所示，压力传感器4采集供水点的压力p，该压力信号被处理后送到控制电路2，控制电路2根据设定压力p0与实际压力p的差值送出控制电动节流阀转动方向和开口量的控制信号。当设定压力p0大于实际压力p时，控制电动节流阀正转，增大开口量。当设定压力p0小于实际压力p时，控制电动节流阀反转，减小开口量。当电动节流阀的开口量达到最大时，表明出现故障应停止运转。根据该系统的控制规律即可送出驱动电动节流阀3的步进电机11的脉冲数目，压力差值乘以一个系数k就是步进电机11的脉冲数目K。系数 $k=c*\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}},$ 其中

是实际压力的变化率，c为常数，该常数是在多次实验后总结得出的。

通过现场调试得出如下控制规律：采样周期取10s最佳，不必采用PID(比例--积分--微分控制)规律控制，只采用比例控制方式便能将超调量控制在10％之内。所以选择了简单的比例控制方法。另外，增加了一些保护功能，以保证系统在故障状态下步进电机失控而不导致损坏。

采用本发明，井下供水管路可选用低压管路，不再需要井下减压洞室，可大大降低工程成本。不再需要在井筒中设置限压阀门，井下用水流量与地面供水流量一致，节水效果明显。

供水水压根据要求可随意设定。

本发明具有以下特点：

(1)采用线性连续控制方法要比开关方式优越。线性控制方法能保证动作频率较低，压力超调较小，所以具有良好的动态性能和较高的可靠性。

(2)采用单片机控制，使信号处理灵活，步进电机驱动脉冲用软件实现，简化了硬件电路，提高了可靠性。

(3)电动节流阀采用普通截止阀结合步进电机方式，使得结构简单，控制精度和分辨率高，成本低，具有较强的实用价值。

(4)具有停电、故障保护功能，在此情况下不会发生水压超压现象。

本发明在560米井深的煤矿运行2年，运行效果良好，从未出现故障。用水高峰和用水低谷状态下，可保证压力超调量在±10％之内。实践证明该系统控制精度高，工作可靠，使用寿命长，能很好地满足井下用水要求。

Claims (1)

1.一种煤矿井下测压、地面控制的线性调节供水系统，其特征在于该系统包括：

压力传感器，连接在供水管路上，用于采集供水点的压力；

压力信号处理电路，与压力传感器和控制电路连接，用于处理压力信号；

控制电路，与压力信号处理电路及电动节流阀连接，根据设定的井下供水压力与实际供水压力的差值输出控制电动节流阀转动方向和开口量的控制信号；

电动节流阀，安装在井上地面，连接在煤矿井下供水管路中，包括普通截止阀和步进电机，普通截止阀的阀杆与步进电机连接，步进电机的驱动电路与控制电路连接。

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