关键词：煤矿；高压变频；恒压供水

1 引言

长期以来，供水系统的压力、流量、扬程等问题很难解决，造成高层住户供不上水和出现不应当有的电力、水资源浪费现象。大部分生活供水系统一般在晚上时段的用水量比较大，深夜又由于用户需求量大幅度减少而使管网压力急剧升高。传统的供水方式反应速度较慢，早已不能满足恒压供水的需求。使用变频器对供水系统进行闭环控制，实现管网压力基本稳定，同时通过变频器内部的智能控制功能，轮循供水电动机运作，做到设备的合理利用以及维护方便功能。近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司下属的一些煤炭企业开展了煤矿应用高压变频恒压供水的研究与应用，对于类似情况的矿区具有一定的参考价值。

2 变频器在恒压供水系统中的应用

兖州矿业（集团）公司技工学校总结了变频器在恒压供水系统中的应用及运行中的维护、维修经验，对大功率变频器在实际运行中存在的跳闸、逆变器过热、电解电容器爆炸等故障问题进行分析，并提出相对应的解决方案，为大功率变频器的运行和维护提供了宝贵的经验。  

⑴系统基本组成

①系统主控环节。系统整体的控制信号由主控PLC或主控人机设定，对整个系统的运行信号进行综合，尤其是故障状态的系统处理操作为整个系统的核心控制部分。

②变频器。内部控制环节的变频器内部控制是指变频器内部PID功能模块。内部PID功能使现场设置和调试方便，相对于原来的硬件PID板控制省去硬件维护、节省成本。主控环节的压力设定信号与系统压力信号反馈形成闭环以维持管网恒定压力。PID特性由参数选择。

③供水附件。这是变频器控制外部电动机的中间控制机构，变频器供水附件为独立的控制系统，只需1根外接电话线就可与主控板连接，方便的远程控制，利用RS-485通信底层接口，无需外接电源，可控制5个以上继电器；控制外接接触器接口简单、使用方便。

④电动机控制环节。管网压力变化要求增加或减少工作水泵时，通过供水附件基板的中间继电器控制各个电动机交流接触器。基板输出端口的状态决定外部各台水泵的运行状态。

⑤执行环节。是指各台水泵。

⑥信号反馈环节。管网压力的信号反馈用于与设定环节形成PID控制闭环。大部分供水系统由于压力控制为1个大惯性环节，且要求不太高，所以不必使用微分环节。

⑵工作过程

当变频器被投入自动运行时，1#水泵电动机接触器首先被控制导通，变频器输出频率上升，同时管网压力信号逐渐增加，出水管网的压力信号与PLC管网压力设定信号负反馈闭环；当电动机频率上升到最高频率而管网压力达不到设定要求时，变频器立即控制工频接通1#水泵，使1#水泵全速投入运行；同时，变频器经过时间延迟，对2#水泵进行变频控制。当管网压力与设定压力基本平衡时，变频器控制当前变频电动机维持在一定的频率，压力的稳定和超调量可以通过PI参数调整。水需求量减少时，管网压力逐渐升高，内部PI控制器输出频率降低；当变频器输出频率低至0Hz，而管网在设定时间内仍然高于设定压力，变频器切断当前的变频控制水泵，转而控制下一个原工频控制水泵。变频器在水泵控制转换过程中，逐渐轮换使用水泵，使每台水泵的利用率均等，增加了系统可靠性。

⑶变频系统故障特征

变频器是由众多的半导体电子元件、电力电子元件和电器元件组成的复杂装置，结构多采用单元化或模块化形式。它由主回路、逻辑控制回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等部分组成。这种系统具有综合诊断能力，贮存故障信息，便于查阅。此变频装置的故障检测电路不但能够及时准确检测出故障的原因，而且能够记忆并且显示故障的类型，同时还能够自动切断变频装置的电源。尽管变频器已经采用多种新型部件和优化结构，但从目前的元件技术水平和经济性考虑，乃不可避免地采用寿命相对较短的零部件。由于电路板多采用SMT表面贴装技术，而用户的条件及掌握的资料有限，为缩短维修时间，对用户的要求一般只限于根据故障情况找出故障的单元或模块即可，即只作单元级或板级检查维修。与此同时，还不排除零部件受到安装环境的影响，其寿命可能比预期10a以上要短。当变频器投入正常使用后，在较长的一段时间内出现故障的情况明显减少。这时的故障内因是零件发生突发性故障，外因是变频器内部进水或金属屑及灰尘潮湿引起的故障。由于偶然性强、较难预料，称为偶发故障。一般来说，在开发设计阶段有针对性地增加零部件的额定余量，在使用阶段加强维护保养是解决偶发故障的主要手段。使用寿命发生的故障主要特征是随着时间的推移故障率明显增加。为了延长变频器的使用寿命，需要对变频器进行定期的检查和保养，在估计零部件即将到达使用寿命时进行更换，做到有备无患。他们从维修变频器的经验来看，与强电相关的器件、大功率器件，电源部分及相应的驱动部分电路损坏频率较高，以后维修中会出现的各种故障与其相应的电子电路有关。

⑷改造中注意事项

正确设置设定和反馈对应曲线；变频水泵至工频控制时可直接切换，以免管网压力形成波动；工频水泵至全变频控制的切换时间必须适当设置，延时太短则水泵对变频器形成冲击电压和冲击电流，容易使变频器出现故障；延时过长使管网压力不稳定，会出现频繁切换动作；供水基板与主控制基板距离20m以上需提供附加电源以确保信号正确传输；当供水系统不需要处理消防等紧急状态下的供水问题时，可简化PLC控制功能，甚至只通过单变频器实现简易恒压供水，适当使用变频器独特的负载检测和切断自停机功能，方便远程水泵的控制。

⑸体会

在众多的检查项目中，重点要检查主回路的平滑电容器、逻辑控制回路、电源回路、逆变驱动保护回路的电解电容器、冷却系统的风扇等。除主回路的电容器外，其它电容器的测定比较困难，主要以外观变化和运行时间为判断基准。总之，保证变频器在较低温度状态下运行是延长变频器寿命的基本要求。一方面，需要在安装变频器时降低周围的温度，尤其将变频器安装在控制柜内更需注意。现在大功率变频器生产厂家为了降低变频器的运行温度，将变频器的散热装置改为分体空调恒温控制，可保持柜内清洁无尘土。在功率元件的散热问题上，采用循环水冷方式散热可省去常规笨重的散热片，减少控制柜的体积和空间。另一方面，生产厂家如何最大限度地延长变频器的寿命，并且借助微处理器的强大运算功能采用提前预告的方式，以提醒用户进行维护，相应采取优化运行方式，也是目前的重要课题。另外，对设备的日常与定期检查除了监测仪表、信号屏外，还要耳闻、目测、鼻嗅进行巡视；定期检查主要是清理柜内灰尘，检查主接触器触头、直流耦合电容、电涌吸收回路及测定绝缘电阻，检查完要进行摸拟运行，测试各种保护功能和触发控制是否正常。

3 变频调速在唐村煤矿恒压供水系统的应用

兖州矿业（集团）公司唐村煤矿始建于1958年，属衰老型矿井,。目前，非煤产业规模不断壮大，造成生活、生产用水量大增，供水压力波动大。利用手动控制供水，压力很难控制在工艺压力之内。每天数次开泵停泵，各台水泵始终处于工频—停止—工频运行状态，不仅启动频繁，而且能耗大，夜间低峰的时候压力更加难以控制。因此，他们设计采用了变频调速恒压供水系统。运行实践证明，新的系统系统管网压力平稳，避免在控制压力临界点电动机的频繁启停，延长电动机使用寿命，节能效果25%以上，具有显著的优点。

⑴系统的组成

①压力传感器。检测管网的实际压力，并将压力信号转变为标准电信号输入控制器中去。

②变频器。采用日本山肯公司MF-45kW变频器，属于SAMCO-L通用型高功能静音式变频器，特别适用感应式电动机的调速驱动，内部配备高性能16位+8位微处理机，功能齐全、操作方便。

③控制器。CPS-20C12智能型恒压供水控制器采用美国INTEL公司16位单片机8096设计制造，全系列数字化，模糊控制技术，控制参数免调试，自动整定。控制器配置1路可编逻辑输出，选用扩展模块用于扩展输出的点数，用RS-422或者RS-485串行接口模块，便于与上位机互联通信。

④电气控制器件。主要用于变频和工频的自动切换，保证各种逻辑关系的可靠实现。

⑵系统运行过程

启动设备以后，PC机控制变频器从输出端输出逐渐上升的频率和电压，对1#水泵进行软启动。当频率上升达到电动机额定转速而压力仍然不能满足要求时，PC机控制1#水泵脱开变频器转入工频运行；此时，PC机控制2#水泵进行软启动，并且根据管网的压力调速运行来控制管网的压力，压力过高时PC机发出指令使1#水泵停止工作；当压力再次降低于设定值时，2#水泵变频升速到电动机额定转速，直至转入工频运行，1#水泵变频软启动。供水管网的供水量和供水压力是随用户的用水要求而全日瞬时变化的，水泵机组如果按照额定流量和额定压力工频运行则能耗大，压力随着流量的变化而波动。通过出口压力传感器将实际运行中的压力信号变换成标准电信号，输入PC机，经过运算放大处理后，再根据偏差的大小自动整定P、I、D控制参数，控制变频器和水泵机组，按照实际的用水量和压力要求变频运行，以达到高效节能和改善供水品质的目的。

⑶系统特点

可对多台水泵进行控制，扩展水泵调速范围，降低装机容量，高效节能；以管网和压力为被控制量组成闭环控制系统，能够使供水管网的压力始终保持恒定，提高供水品质；可以对多台泵进行软启动，减少大电流冲击，延长设备使用寿命；设备有变频自动和工频手动2种运行方式，在任何故障情况下都能保证系统不断水，操作简便、运行可靠。

4 济宁三号煤矿变频恒压供水工程实践

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿的生产、消防及生活用水均由地面联合水泵房供给。生产与消防供水为同一个水泵站，水源为矿井水处理站供水的工业水池，由4台水泵组成，2种规格的扬程分别用于生产供水和消防供水。正常时在生产用水状态下供水，当有火灾报警时人工启动高扬程、大流量水泵进入消防供水状态。生活供水水源取自经水源井补水的生活水池，由5台扬程相同、流量不同的水泵组成系统，形成独立的供水网络，通过调整开启水泵的台数来调节供水压力和水量。原供水系统通过人工调整水泵台数来调控供水压力和流量，各台水泵运行工况难以调整，系统压力与流量脉动大、工作不稳定、电耗高。为此，济宁三号煤矿和山东科技大学研制了恒压变频自动供水装置，实践证明，运行可靠、效果良好。

    ⑴恒压变频自动供水系统构成

他们根据离心式水泵的流量与转速成正比、扬程与转速的平方成正比的运行理论，通过改变电动机定子绕组电源频率以调节电动机转速，达到压力与流量按需要进行相应改变的目的。此系统主要由变频器、压力传感器、高低水位计、控制柜、水泵等环节组成。工作时，只要将供水管网的水压通过压力变送器转变成电信号，再经集成电路放大后送至压力调节器与给定压力进行比较，其差值经比例、积分、微分运算后控制变频器的输出频率，并最终控制水泵的电动机转速。用水量增加时管网压力降低，与给定压力比较后变额输出频率增高，供水量增大；用水量减少时管网压力变大，变频器得到减小输出频率的指令，供水量减少，使系统保持恒压供水。高低水位计选用浮球式控制开关，当水位降至最低水平时水泵控制停机。变频器本身保护也很完备，对电动机缺相、堵转、 过流、过热、灾压等保护灵敏可靠。

⑵设备选型及参数设定

①设备选型。生产消防水泵站由4台水泵组成。其中，2台水泵功率22kW、扬程70m、流量100m³/h；2台水泵功率75kW、扬程98m、流量150m³/h。22kW水泵和75kW水泵的电动机均为1台用于变频、1台用于软启动。生活泵站的设备配置和生产、消防水泵站相似。

②主控台功能。主控制台为1台可编程控制器PLC，结合强电控制系统、变频器或软启动器等控制变频、软启动控制柜，完成对水泵组的启动、运行控制。设有自动、手动2种运行状态，可实时控制、监测水泵组运行，也可分列变频运行；设有生产和消防2种运行压力，正常以生产压力运行，当消防信号来到立即自动以消防压力运行；可以显示工作电压、工作电流、管网压力及水泵的各种运行参数；正常以设置的生产压力运行，首先工频启动22kW水泵，若达不到设定压力再变频启动75kW水泵，当大泵工作在最低运行频率时甩掉大泵，投人小泵。消防信号来到时立即变频启动 75kW大水泵，并以消防压力运行，水位控制器不受低水位限制；超过一定时间未运行的水泵设置运行10min，以防潮湿、锈蚀；手动运行时，各台水泵变频器用调速旋钮调节转速变频运行；具有电器互锁保护，系统运行稳定可靠。PLC选用Intlel 6位CPU中央处理器，设计控制主板、前置数字、模拟板、输出驱动板、双RS-485接口串行板、控制、操作面板；自行设计专用供水软件。

    ⑶体会

经过多年的运行，水泵站工作稳定，节电明显。今后在完善变频供水系统的基础上，增加管网压力与流量在线监控装置，即在供水管各分支阀门后面设置1个信号采集发送单元，并把信号数字化，所有数据按其位置进行编排、划分、合并成若干个上一级单元分站，再由若干个单元分站最终与泵站工作总站进行联接，实现管网压力与流量在线监测，做到整个管网系统与水泵站全部实现计算机自动监控，满足各种条件下生产、消防和生活供水的需要。

5 鲍店煤矿变频恒压智能化供水自动控制

兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿生产、生活用的地下水源是由15座水源井和6台55kW供水泵及安装在水源泵房22kW深井水泵组成的输供水系统。每座水源井到供水泵房平均距离1.5km。自从1984年投入运行以来一直采用就地控制、人工操作。现场只有1块电流表检测水泵的运行状态，各个水源井只得根据目测水池水位控制水泵的开停台数，经常出现水池缺水或溢水，无法满足全矿生产、生活用水的需要。为此，他们在山东科技大学支持下，采用微机与PLC联网，通过调制解调器通讯网络，对各水源井进行集中远程控制，实现遥测、遥信、遥控；同时采用PLC与变频器相结合，对供水泵实现变频恒压供水自动控制。

⑴控制方案

①输水系统控制方案。采用遥测、遥控有线控制方案，对15个现场水源井泵站水泵的电动机电流、机壳温度、出水压力等运行参数及综合保护器、主接触器、空气开关开关量信号等保护信号进行遥测，并且根据实际用水量对各个水源井的水泵启、停进行遥控，使整个输水系统的各个现场水源井泵房实现全自动控制。

②供水系统控制方案。输水系统6台SSH-GA55kW供水泵，西泵房4台泵为直接启动，东泵房2台泵为降压启动。由于水源、动力、需求等关系不是1个“闭环系统”，无法进行科学合理的控制。他们经考察和比较，采用HCK-II-55/2型全自动恒压变频调速控制系统，并对原有控制系统进行技术改造。东泵房2台供水泵由降压启动控制改为1台HCK-II-55/2型全自动恒压变频调速控制系统变频恒压控制，实现全自动变频调速向管网恒压供水。西泵房2#、3#供水泵由直接启动改为变频恒压控制；其余2台泵仍用原东泵房的降压启动控制柜，实现降压启动。用水低峰期投运1台HCK-II-55/2型变频控制器便可向管网供水；用水高峰期投运2台HCK-II-55/2型变频控制器，加上2台降压启动的备用泵，组成多种运行方式。实践表明，此种供水方式既考虑投资的经济性，又保证供水的可靠性和运行的安全性。

⑵系统主要功能

①供水站控制中心。a.检测功能。自动检测供水池水位、供水余氯量、供水流量、供水压力、各个水源井水泵运行状态、出口压力、电动机壳体温度、电动机电流等。b.显示功能。具有工艺流程图、各个水源井现场水泵、数字仪表显示画面；参数和历史趋势曲线显示；各个水源井水泵状态及时间累计显示；水源井电气线路故障报警画面；模拟量输入组态及调节回路组态画面；操作指导画面。c.控制功能。根据供水池水位自动控制现场各个泵站水泵运行台数，计算机能够依据某台水泵运行和停止时间的长短决定停止或者增开这台水泵；根据人工指令控制各个水源井水泵的运转台数；根据供水母管压力和流量自动控制供水泵运行台数，实现自动变频控制、恒压供水；以供水余氯量为参数，自动控制生活饮用水的产气量，提高饮用水的品质。d.打印功能。具有实时拷屏打印和报表打印功能。e.语音报警功能。一旦水源井出现故障或者参数越限，以语言方式报警，同时辅以声光报警。f.后备手操作功能系统可以实现自动、手动、就地不同方式的控制，互为备用。g.组态功能。具有模拟量输入组态及调节回路组态。h.通讯功能。调度中心上位机可以与控制中心实现数据传输通讯，控制中心也可以与现场泵站PLC实现数据传输通讯。

②工区调度中心。工区上位计算机可以与供水站控制中心实现数据通讯和传送，及时查询并且掌握供水站输水系统设备运行情况；实时显示控制系统的各种参数与图形，存储各种历史参数；具有计算、分析功能，可以统计重要参数，并且可以进行经济指标的计算。

③现场子站。现场水源井各个子站具有数据采集与预处理及逻辑控制功能，现场仪表控制箱可以实现就地人工控制操作及保护动作指示等功能。

⑶系统特点

①整个系统采用开放式、模块化、层次化的结构。开放式表现在硬件上支持各种高档PC机作为管理机，支持其它工业控制机作为控制机，现场子站支持其它厂家PLC可编程序控制器。模块化表现在硬件模板模块化，软件亦采用模块化程序，如上位机管理机软件包括通讯、运行及操作4个模块化程序。层次化表现在整个系统构成分为分别设置在工区、供水站和各个水源井水泵房内的总调度中心、控制中心和现场子站3个层次。

②整个系统集数据采集管理、过程控制管理与集中管理功能于一体，还具有网络功能，可以与全矿信息管理系统一体化。

③系统高可靠性保障，硬件配置上从现场一次仪表到子站控制核心PLC可编程控制器件、控制中心控制机等关键元器件均采用高可靠性产品，设计上具有多种操作方式互为备用。系统软件功能丰富、操作直观、易于掌握。

④完善的保护、报警功能，特别是控制中心微机操作台上的光字屏语音报警系统，采用语音报警、大光字屏显示，清楚、醒目、直观。

⑤通讯系统网络结构简单实用，采用相对简单的星型网络拓扑结构，体现集中式通讯控制策略，各个子站通讯处理负荷较轻。

⑷实用效果

通过这次输供水系统的改造，这个矿有了科学化、现代化、经济高效的输供水自动恒压变频控制系统，年节约电费和水资源费50万元以上，提高生活饮用水品质，有利于职工健康，极大减轻劳动强度；此系统具有智能化控制功能，能够使各个水源井依据用水量自动开停输水泵，保持供水池水位稳定，也使供水泵根据实际母管压力及流量自动控制供水泵运转台数，实现变频恒压供水，达到减人增效的目的。鲍店煤矿输供水自动控制系统的设计改造，集监测、管理、控制、通讯于一体，所有检测参数准确、传递无误，操作灵活方便，运行安全可靠，具有明显的经济效益和社会效益，具有很好的推广价值。

6 可远程监控的变频调速恒压供水系统 

兖州矿业（集团）有限责任公司、四川机电职业技术学院在分析可远程监控的变频调速恒压供水系统工作原理以及基于S7-300型PLC的控制系统的硬件组成和软件设计方法的基础上，研究出了整个监控系统基于Internet及现场总线技术的总体方案。

⑴系统组成与控制原理

可远程监控的变频调速恒压供水系统的控制核心采用西门子公司S7-300系列PLC。在用水区的适当位置设置水压和流量传感器采集管网的水压和流量。正常工作时，系统自动运行。PLC、变频器、传感器组成1个闭环控制系统。通过工作站设定水压给定值，系统根据设定的水压，利用S7-300型PLC自动检测实际水压值，再将实际水压值和设定水压值进行比较，按照PID规律运算后，由PLC输出控制信号到变频器；变频器根据PLC送来的输入信号，调节水泵电动机的供电电压和频率，自动调节出水量，确保供水水压恒定不变。变频器P、I调节运行在相对稳定的速度，供水量与用水量相对平衡，供水压力为设定的水压。

为了减少投资，可以采用多台水泵并联运行，共用1台变频器。其方法是：先用变频器带动1台机组运行，如果在变频器频率输出的范围内，通过调节变频器的输出频率，能够达到供水的压力并实现恒压控制，则只需要1台机组在变频状态下运行即可。如果需水量增大，PLC控制变频器逐渐升速，直到电机满速，变频器运行在上限速度，当变频器在上限速度运行仍未达到给定压力值时，1台机组已经无法达到供水的要求，则将这台机组切换到工频状态下运行，即直接用工业电网供电，水泵机组在额定工作状态下运行。然后再用变频器启动另一台机组。这样操作直到能够满足供水需要的压力为止。在相反的情况，如果需水量减少，PLC控制变频器逐渐减速，直到变频器运行在下限速度，变频器在最低输出频率下运行时实际供水压力仍高于设定压力，则PLC自动切除1台由接触器直接控制工频运行的电动机。 每台水泵都有手动和自动2种控制方式。整体上有手动、自动、远程3种控制方式。

⑵系统设计

①硬件设计。如系统使用3台水泵电动机，则可远程监控的变频调速恒压供水系统包括西门子S7-300型PLC、Profibus-DP现场总线技术、远程机架SN ET200M IM153-1、6SE70系列变频器，变频器下挂3台水泵。这个系统还包括西门子CP343-1通信处理器、SIMATIC工业以太网、2台监控机、1台Wincc服务器等硬件设施。为保证 3台水泵使用均衡，3台水泵自动按程序设定运行和作休眠备用。通信处理器负责现场总线协议与以太网协议的转换，并保证数据包的正确解释和传输。来自现场一线的信息送往控制室，置入实时数据库，进行高等控制与计算，通过监控机集中显示完成各种控制及运行参数的监测、报警等。

②软件安全保护设计。这个系统实现基于Internet的远程监控，还进行信息安全设计。其信息安全范围主要考虑以下方面：主服务器、现场工作站的实体安全；访问安全控制、病毒防范、软件开发安全考虑的软件安全；进出机房人员管制、使用或操控人员安全训练与道德教育、离职人员控管的人员安全；系统签入程序安全设计、系统资源备份、系统遭受意外后恢复、系统访问记录、攻击识别与避免的系统安全；防火墙策略、身份验证的网络安全。 7 结束语

调整加上出口阀开度调节供水的水压，大量能量消耗在出口阀上。与水塔或楼顶的高位水箱在我国的住宅小区中，目前传统的水塔、气压罐、简单的变频调速等供水系统长期以来都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。运行控制常采用水泵的运行方式相比，变频调速恒压供水系统具有工作可靠、节约能源、水质遭二次污染的机会少等优点。可远程控的变频调速恒压供水系统是现代化城市和生活小区供水的发展方向，基于PLC的变频供水系统具有工作可靠、结构设计合理、控制功能完善、扩展性强等优点，具有较强的通用性和可拓展性。