專利名稱：煤礦井下測壓、地面控制的線性調節供水系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及煤礦井下供水系統。
背景技術：
煤礦井下噴霧、冷卻用水都由地面供給，由于礦井較深，因此存在供水壓力高的問題，不考慮管路和閥門等損失，到達井下供水壓力在不同井深下可達到5--10MPa。實際井下需要的壓力在1～1.5MPa，供水壓力不但不滿足使用要求，而且這樣高的壓力經常損壞供水管路和閥門。對此，必須采用降壓措施。
目前一直使用減壓閥來降低水壓，從使用情況看，減壓閥使用壽命很短，容易損壞。除采用減壓閥以外，另一種方式就是采用壓力開關作傳感元件來控制截止閥開關達到減壓目的。這種控制方法雖然可行，但是壓力開關和截止閥特性為開關式，動作頻繁，容易損壞，調節性能較差。
發明內容
針對上述現有煤礦井下供水減壓方式的不足，本發明提供一種控制精度高、工作可靠、壽命長的煤礦井下測壓、地面控制的線性調節供水系統。
該線性調節供水系統包括壓力傳感器，連接在供水管路上，用于采集供水點的壓力；壓力信號處理電路，與壓力傳感器和控制電路連接，用于處理壓力信號；控制電路，與壓力信號處理電路及電動節流閥連接，根據設定的井下供水壓力與實際供水壓力的差值輸出控制電動節流閥轉動方向和開口量的控制信號；電動節流閥，安裝在井上地面，連接在煤礦井下供水管路中，包括普通截止閥和步進電機，普通截止閥的閥桿與步進電機連接，步進電機的驅動電路與控制電路連接。
壓力傳感器采集供水點的壓力，該壓力信號通過壓力信號處理電路被放大處理后送到控制電路，控制電路根據設定壓力與實際壓力的差值送出控制電動節流閥轉動方向和開口量的一控制信號，該信號經過控制電路的功率放大電路放大后驅動電動節流閥，達到控制調節供水壓力的目的。整個系統構成閉環壓力控制系統。
本發明采用線性連續控制方法，從改善控制元件性能出發，用水高峰和用水低谷狀態下，可保證壓力超調量在±10％之內，具有控制精度高，工作可靠，使用壽命長，能很好地滿足井下用水要求。
圖1是本發明的結構原理框圖。
圖2是本發明的壓力信號處理電路原理圖。
圖3是本發明的控制電路原理圖。
圖4是本發明的電動節流閥的結構示意圖。
圖5是本發明的控制程序流程圖。
圖中1、壓力信號處理電路，2、控制電路，3、電動節流閥，4、壓力傳感器，5、儀器放大器，6、V/F轉換電路，7、光電隔離器，8、單片機，9、步進電機驅動電路，10、截止閥，11、步進電機，12、主動齒輪，13、從動齒輪，14、支架。
具體實施例方式
實施例圖1給出了本發明的結構原理框圖。包括壓力傳感器4、壓力信號處理電路1、控制電路2和電動節流閥3。壓力傳感器4采集供水點的壓力，該壓力信號通過壓力信號處理電路1被處理后送到控制電路2，控制電路2根據設定壓力p0與實際壓力p的差值送出控制電動節流閥3方向和開口量的一控制信號，該信號經過控制電路的功率放大電路放大后驅動電動節流閥3。整個系統構成閉環壓力控制系統。通過控制供水流量使井下用水流量和地面供水流量達到平衡，并保持一定供水高度充滿管網，此高度產生的壓力即為井下供水壓力。
本發明的壓力信號處理電路原理圖如圖2所示，這一部分在井下使用。壓力傳感器4采用電阻應變式，供電電壓+12V。由壓力傳感器4出來的微弱信號送入儀器放大器5放大。儀器放大器5采用AD620芯片。該芯片放大倍數最大可達到10000倍。由儀器放大器5輸出的信號達到伏級，為了便于遠距離傳輸，將儀器放大器5輸出的電壓信號送入V/F轉換電路6，將電壓信號轉換成頻率信號。本發明采用LM331芯片作V/F轉換器，該芯片轉換精度高，可單電源工作。
本發明的控制電路原理圖如圖3所示，這一部分在井上使用。由LM331輸出的頻率信號送入光電隔離器7，通過光電隔離，頻率信號送入MCS251單片機8的計數器T0，由計數器每秒鐘所測的脈沖數即可換算出對應的壓力值。由設定壓力p0與實際壓力p的差值，根據該系統的控制規律即可送出驅動電動節流閥3的步進電機11的脈沖數目。步進電機11由圖3中的驅動電路9驅動，MCS251單片機8中P1.0、P1.1和P1.2三個輸出口用來發出控制脈沖，通過光電隔離器驅動晶體管T1～T3，而T1～T3驅動達林頓晶體管D1～D3，D1～D3再來驅動步進電機11的線圈，使步進電機11轉動。
電動節流閥3的結構如圖4所示。電動節流閥3連接在煤礦井下供水管路中，由普通截止閥10改制，步進電機11通過主動齒輪12和從動齒輪13與其閥桿連接，步進電機11安裝在支架14上。
本發明的控制程序框圖如圖5所示，壓力傳感器4采集供水點的壓力p，該壓力信號被處理后送到控制電路2，控制電路2根據設定壓力p0與實際壓力p的差值送出控制電動節流閥轉動方向和開口量的控制信號。當設定壓力p0大于實際壓力p時，控制電動節流閥正轉，增大開口量。當設定壓力p0小于實際壓力p時，控制電動節流閥反轉，減小開口量。當電動節流閥的開口量達到最大時，表明出現故障應停止運轉。根據該系統的控制規律即可送出驅動電動節流閥3的步進電機11的脈沖數目，壓力差值乘以一個系數k就是步進電機11的脈沖數目K。系數k=c*dpdt,]]>其中 是實際壓力的變化率，c為常數，該常數是在多次實驗后總結得出的。
通過現場調試得出如下控制規律采樣周期取10s最佳，不必采用PID(比例--積分--微分控制)規律控制，只采用比例控制方式便能將超調量控制在10％之內。所以選擇了簡單的比例控制方法。另外，增加了一些保護功能，以保證系統在故障狀態下步進電機失控而不導致損壞。
采用本發明，井下供水管路可選用低壓管路，不再需要井下減壓洞室，可大大降低工程成本。不再需要在井筒中設置限壓閥門，井下用水流量與地面供水流量一致，節水效果明顯。供水水壓根據要求可隨意設定。
本發明具有以下特點(1)采用線性連續控制方法要比開關方式優越。線性控制方法能保證動作頻率較低，壓力超調較小，所以具有良好的動態性能和較高的可靠性。
(2)采用單片機控制，使信號處理靈活，步進電機驅動脈沖用軟件實現，簡化了硬件電路，提高了可靠性。
(3)電動節流閥采用普通截止閥結合步進電機方式，使得結構簡單，控制精度和分辨率高，成本低，具有較強的實用價值。
(4)具有停電、故障保護功能，在此情況下不會發生水壓超壓現象。
本發明在560米井深的煤礦運行2年，運行效果良好，從未出現故障。用水高峰和用水低谷狀態下，可保證壓力超調量在±10％之內。實踐證明該系統控制精度高，工作可靠，使用壽命長，能很好地滿足井下用水要求。
權利要求
1.一種煤礦井下測壓、地面控制的線性調節供水系統，其特征在于該系統包括壓力傳感器，連接在供水管路上，用于采集供水點的壓力；壓力信號處理電路，與壓力傳感器和控制電路連接，用于處理壓力信號；控制電路，與壓力信號處理電路及電動節流閥連接，根據設定的井下供水壓力與實際供水壓力的差值輸出控制電動節流閥轉動方向和開口量的控制信號；電動節流閥，安裝在井上地面，連接在煤礦井下供水管路中，包括普通截止閥和步進電機，普通截止閥的閥桿與步進電機連接，步進電機的驅動電路與控制電路連接。
全文摘要
本發明提供了一種煤礦井下測壓、地面控制的線性調節供水系統。該系統包括壓力傳感器，連接在供水管路上，用于采集供水點的壓力；壓力信號處理電路，與壓力傳感器和控制電路連接，用于處理壓力信號；控制電路，與壓力信號處理電路及電動節流閥連接，根據設定的井下供水壓力與實際供水壓力的差值輸出控制電動節流閥轉動方向和開口量的控制信號；電動節流閥，安裝在井上地面，連接在煤礦井下供水管路中。本發明采用線性連續控制方法，從改善控制元件性能出發，用水高峰和用水低谷狀態下，可保證壓力超調量在±10％之內，具有控制精度高，工作可靠，使用壽命長，能很好地滿足井下用水要求。
文檔編號E21F5/02GK1944814SQ20061006939
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月25日 優先權日2006年10月25日
發明者王增才 申請人:山東大學