PID控制与自动引水技术的融合应用.pdf

1012020 年第 8 期 PID 控制与自动引水技术的融合应用 杨 波 潘秋祥 （山东省邱集煤矿有限公司，山东 齐河 251100） 摘 要 本文通过对 PID 控制与自动引水两项技术的成功融合应用，总结了 PID 控制与自动引水融合后的技术特点，并 分析了该技术的应用条件、效果及优势。 关键词 PID 控制 自动引水 技术融合 中图分类号 TD744 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.035 Fusion Application of PID Control and Automatic Water Diversion Technology Yang Bo Pan Qiu-xiang Shandong Qiuji Coal Mine Co., Ltd., Shandong Qihe 251100 Abstract Based on the successful application of PID control and automatic water diversion technology, this paper summarizes the characteristics of PID control and automatic water diversion technology, and analyzes the application conditions, effects and advantages of the technology. Key words PID control automatic water diversion technology integration 收稿日期 2020-05-31 作者简介 杨波 （1976-） ， 山东聊城人， 工程师， 注册安全工程师， 一级建造师（机电安装），山东省能源管理师，2010 年毕业于山 东科技大学煤矿机电专业，专科，现从事煤矿机电技术管理工作。 邱集煤矿受地质条件影响，开采完成后的工作 面约有 200m3/h 的老空水涌出，正常情况下流入水 仓后排出地面。矿井生产用水和排水现状是一方 面打钻、防尘、工作面设备冷却等需要消耗大量的 地下水，每天消耗水量在 100m3/h 左右；另一方面 老空水排至地面，增加原煤生产成本。为充分将老 空水作为井下用水，减少矿井排水量，将 PID 控制 与自动引水两项技术融合，老空水引入专用供水管 网，回用于井下打钻、设备冷却降温、巷道冲尘和 生产防尘等用水环节，代替水源井取水，日回用量 在 2000m3左右，有效缓解了矿井排水压力，降低 了排水费用。 1 系统分析与设计布局 邱集煤矿设有 -447m 和 -395m 两个水平，现 开采煤层为 11 煤。生产过程产生的涌水全部自流 入 -447m 水平，-447m 水平设有水平泵房一座，主 要承担 11 煤生产过程涌出矿井水的排放。-447m 水 平泵房排至 -395m 水平，由 -395m 水平的中央泵房 排至地面。 1.1 供水管网及用水、老空水疏放情况 1.1.1 井下供水来源及净化方式 邱集煤矿井下水源分两部分一是按照供水施 救系统要求，由地面供至井下各工作面、进回风巷 零散施工地点、应急避险硐室等；另一水源来自井 下 11 煤一采区轨道巷水源井，主要为生产、防尘、 打钻等用水，满足不同施工环节对水质要求。各掘 进工作面防尘水管入口处安装了水质过滤器，大巷 防尘水幕就近安装了过滤器，采煤工作面用水采用 RO 反渗透纯净水处理技术，将水中的杂质和有害 元素全部去除。用于打钻过程钻头降温、冲出岩粉 的水源对水质要求不高，可不进行净化处理直接引 入。由于系统最大取水量约为 120m3/h，老空水涌 出量约 200m3/h，涌出量与取水量之间有 80m3/h 的 差值，无需考虑供水量不足的问题。 1.1.2 管网布置 井下生产主供水管网设计水压 4MPa，管材均 为 DN108 无缝钢管（涂塑），胶带运输巷、煤仓等 用水量较少的零散地点采用 DN50 无缝钢管，掘进 巷道、采煤工作面顺槽等有打钻施工地点为 DN75 无缝钢管，管网管径、耐压情况均按生产需求设置。 1.1.3 11 煤老空水涌出地点及流径 一采区 1101 采煤工作面为 11 煤首采工作面， 11 煤 95 以上的老空水由 1101 采空区涌出。1101 1022020 年第 8 期 采煤工作面推采完成后，工作面的老空水通过贯穿 11 煤上部（-338m）与下部（-447m）联通的 11 煤 集中轨道上山排放。老空水疏放管道安设在 11 煤 集中轨道上山 -424m 处的联络巷，流入 11 煤集中 运输巷 -418m 处安设的沉淀池，老空水沉淀后再流 入 -447m 水仓，经水平泵房内的排水泵排至 -395m 水平。经一段时间疏放，老空水中的悬浮杂质基本 冲除干净，与水源井水质无明显并别。 1.2 系统安设布局设计 鉴于 11 煤采煤工作面老空水水质较好，按照 系统控制简单、运行安全稳定、维护方便的原则制 定了井下老空水回用取水系统的组合方案。如图 1 所示。 1.2.1 水泵和引水方式的确定 根据井下现场用水要求，采用卧式离心水泵对 系统进行加压，将水泵安装在集中运输巷 -418m 处 的沉淀池上方。水泵安装处压力保持在 2.2 MPa 以 上，最高点（-338m）压力保持在 1.2MPa 以上，以 满足打钻施工、防尘、设备冷却等用水压力需求。 引水装置采用蓄水缓存方式的负压自动引水装置， 满足水泵启动时的引水要求。水泵的进水口与负压 自动引水装置相连，出水口用同径管与沉淀池硐室 口处的供水管网连接。 1. 沉淀水池；2. 负压自动引水装置桶体；3. 负压自动引水装置进水管； 4. 负压自动引水装置进水管；5. 负压自动引水装置补偿管；6. 电机； 7. 水泵；8. 止回阀；9. 闸阀；10. 供水管；11. 闸阀； 12. 压力变送器；13. 蓄压装置 图 1 井下老空水回用系统取水设备设施布置图 1.2.2 控制和运行方式的确定 结合现场供电设施布置情况，在沉淀池硐室上 方约 10m 处的井下注浆站安装电控设施，利用现 场配电点为系统供电。管路安装压力变送器，压力 信号输出线与变频器连接，利用压力变送器输出的 420mA 信号与变频器控制系统配合实现 PID 控制。 根据现场实际情况设定压力平衡值，调整比例、积 分、微分等参数值，实现自动运行。同时为保持供 水压力和变频器输出频率的稳定，在注浆站硐室内 安装了蓄压装置以维持水压的相对恒定，实现恒压 变流供水，最大程度满足现场用水需求。 1.2.3 管网及现场水质净化设施的设置 由于原系统管网设置满足供水水量和压力要 求，水质净化设施采用就地设置的方式，因此管网 和水质净化设施仍沿用原设置方式，不再进行更改。 2 PID 控制与自动引水技术的融合 系统采用压力变送器与变频器配合实现 PID 控 制的主要目的，同时加装水压蓄压装置解决水压波 动大的问题，实现系统的自动化运行。采用负压自 动引水装置解决了引水环节复杂、自动化控制繁琐 的问题。 2.1 PID 控制技术应用 2.1.1 系统原理 井下用水主要要求是水压恒定，以保证现场用 水压力稳定要求。由于液体具有不可压缩性，气体 具有较强的压缩性，利用氮气囊的缓压原理，将稳 压装置内的皮囊充入约 1 MPa 的氮气，当系统水 压较高时气体被压缩，吸收系统压力，当系统水压 下降时气体膨胀，向系统内释放压力。通过安装稳 压装置一方面可减轻由于用水不均匀造成的压力波 动，使系统压力变换平滑，利于 PID 参数的设置和 水泵运行的稳定。另一方面当各地点不用水或用水 较少时，压力上升到设定值以上水泵停机，稳压装 置蓄存的压力可保持系统压力的稳定，减少下降时 间，延长停机时间。 2.1.2 PID 及主要参数的调整设定 根据现场情况，选定水泵额定扬程 240m，工 频运行最大实际压力 2.4MPa，现场设定平衡压力 2.3MPa。变频器选用 ZJT2-250/660 型，首先将控制 方式设定为模拟量，在对比例系数与积分系数调整 上，通过现场配合测试，比例系数 P 调为 35、积分 系数调整为 15 补偿比例差值，微分系数调整为 1， 输入随输出量变化均较为平滑，无大的波动，频率 随压力输入 420mA 模拟量变化实时调整。考虑取 样时间与输出频率之间的时间差，通过对加速时间 与减速时间进行补偿，保持变频器输出频率的稳定。 2.1.3 系统实现功能 从现场调试和使用效果看，系统主要实现以下 功能 1032020 年第 8 期 （1）系统通过变频调节水量的方式保持水压 恒定的功能，解决了使用水源井用水多时水压低、 用水量少时水压高的不利因素造成的影响，管路始 终在恒定状态下，各用水地点均能保持足够的水量 和恒定的水压，实现变流稳压的功能。 （2）采用变频器控制，通过频率变化调整水 泵电动机的运行功率，可有效减少损耗，相比于长 时间工频运行的设备具有较强的节电功能。 （3）如若在系统运行时开启水源井，水源井 压力一般较高，压力变送器会将压力信号传送给变 频器，变频器会很快将运行频率降到 0Hz，水泵停 止运转，避免两个水源给系统供水造成的扰动，具 有保护功能。 （4） 利用变频器上的RS485通讯口读取压力、 电压、电流、频率等参数，设立分站后上传至地面， 监控系统简单实用。 2.2 负压自动引水技术应用 2.2.1 负压自动引水装置构成及安装方式 系统组成的负压自动引水装置由蓄水罐体、吸 水管、出水管、加水管、补偿管、闸阀六部分组成。 如图 2 所示。 1. 蓄水罐体；2. 吸水管；3. 补偿管；4. 加水管；5. 闸阀；6. 出水管 图 2 负压引水装置部件构成图 安装时蓄水罐安装于平台，与水泵安装平台同 一水平。蓄水罐安装完成后吸水管伸入蓄水池内， 保证排水时水位高于管口，防止气蚀。出水管与水 泵进水口相连。加水管管口接至主管路，用于安装 完成后罐内加水，加完水后即可将加水管闸阀关闭， 正常使用无需再加水。补偿管闸阀应保持常开，下 管口伸入蓄水池内，伸入水池深度应不小于吸水管 伸入水池的深度。 2.2.2 负压自动引水装置工作原理 设备安装完成后首先打开阀门往蓄水罐内加 水，加至吸水管往外溢水即可。水泵开启后，蓄水 罐内水位下降形成负压，在负压作用下吸水管内水 位上升，水流引入罐内，水流形成循环，水池内的 水不断流入罐内，罐内的水通过水泵压入主管路， 一般要求水罐内暂存水量不得少于循环水量的 2.5 倍。当水泵停机后止回阀关闭，吸水管内的水位下 降，罐内形成负压，补偿管内水流在罐内负压作用 下流入罐内。当吸水管水位降至与蓄水池水面同一 水平时，补偿管在虹吸作用下仍会向罐内注水，直 至罐内形成正压将补偿管内的水顶出，不再向罐内 注水。如图 3 所示。 图 3 负压引水装置工作原理图 2.2.3 技术优势 负压自动引水技术充分利用水泵自身动能形成 负压引水，相比传统的环流泵和射流引水简单实用， 无动力设施和专用密封件，无需人工操作，免维护， 易于实现自动化控制。 2.3 PID 控制与负压自动引水技术融合 本项目将PID控制与负压自动引水两技术融合， 与常规水泵自动化控制系统相比，省去一套引水控 制系统，利用变频器自带的 PID 控制功能和串口通 讯接口，省去一套专门的自动化控制和监控单元， 从而组合成一套系统简单、运行稳定、可靠性高、 节能效果显著的供水系统。 方便，加工简单，安装简便，稳定性好，电缆跟随 阻力小，使用美观大方，且不妨碍现场施工，安全 可靠。 （4） 使用电缆架空装置，不需要专门设置看 护电缆人员，节省了人力，达到了减人提效的目的。 5 结束语 通过对综掘机电缆架空跟机的进一步改进，大 大提升了综掘机跟机电缆自动移置的灵活性和实用 性，解决了综掘机跟机电缆拖地、受力不均、易被 挤压的难题，节省人员，给悬臂式掘进机实现自动 化控制奠定了基础。 （上接第 100 页）