胡 鵬

(山西焦煤機(jī)械電氣有限公司， 山西 太原 030024)

乳化液泵站是井下眾多液壓設(shè)備的動力來源，是工作面液壓支架、千斤頂進(jìn)行有效支撐的重要保障，其性能直接關(guān)系著煤礦高效和穩(wěn)定生產(chǎn)。以乳化液需求量集中的液壓支架為例，在工作面回采過程中，支架立柱油缸需先卸壓，推移油缸再拉移支架，然后立柱油缸在新的位置按指定壓力重新提供支撐。上述過程中，液壓支架對乳化液的流量和壓力需求并不相同，而傳統(tǒng)乳化液泵站的輸出介質(zhì)參數(shù)恒定，這將對井下安全和生產(chǎn)成本控制造成較大影響。另外，隨著煤炭自動化開采技術(shù)的發(fā)展，要求對乳化液泵站的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，與其它設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)，因此傳統(tǒng)的乳化液泵站及控制技術(shù)已難以滿足生產(chǎn)要求[1-4]. 實(shí)際上，井下乳化液泵站控制的最佳效果是根據(jù)當(dāng)前工作設(shè)備需求，及時調(diào)整輸出介質(zhì)的流量和壓力，并保持設(shè)定值恒定。因此，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，開展了乳化液自動恒壓系統(tǒng)的研究。

1 傳統(tǒng)乳化液泵站存在的問題

傳統(tǒng)乳化液泵站存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 流量和壓力供給不足，影響生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。在液壓支架進(jìn)行升架支撐等操作時，需要泵站提供大流量、高壓力的乳化液，傳統(tǒng)泵站可能出現(xiàn)流量和壓力波動，造成支架支撐力不足、移架速度緩慢等問題，影響頂板安全和采煤工藝實(shí)施。

2) 浪費(fèi)電力能源。液壓泵在工頻狀態(tài)下工作，輸出流量和壓力始終不變，但液壓設(shè)備僅在部分時段對流量和壓力有較大需求，其余時段則需要通過卸荷閥進(jìn)行卸荷，由此而造成能源浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。

3) 增加設(shè)備維修成本。傳統(tǒng)乳化液泵站使全線液壓設(shè)備始終工作在高壓狀態(tài)下，將縮短系統(tǒng)內(nèi)各密封件、易損件的使用壽命，提高維護(hù)成本。

4) 自動化程度低，不適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)。傳統(tǒng)泵站的壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)測能力較弱，在故障和突發(fā)工況時的反應(yīng)速度慢，且無法遠(yuǎn)程精確控制。

2 自動壓力控制系統(tǒng)組成及原理

2.1 組成結(jié)構(gòu)

針對傳統(tǒng)乳化液泵站存在的問題，提出自動壓力控制方案，見圖1. 該系統(tǒng)主要由乳化液箱、泵組、檢測裝置、控制系統(tǒng)、蓄能器等組成。泵組主要包括4臺泵，3臺為普通工頻電機(jī)驅(qū)動，1臺為變頻電機(jī)驅(qū)動，變頻電機(jī)始終啟動，其余電機(jī)根據(jù)系統(tǒng)壓力需求自動按序投入使用，逆序停止。變頻電機(jī)驅(qū)動的泵負(fù)責(zé)保證輸出壓力和流量隨需求而變化，既可實(shí)現(xiàn)大流量、高壓力輸出，又可穩(wěn)定在小流量、低壓力狀態(tài)。檢測裝置由各種壓力、流量、溫度檢測裝置組成?？刂葡到y(tǒng)則由PLC控制器、變頻器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊等電氣元件組成。

圖1 乳化液自動恒壓控制系統(tǒng)組成圖

2.2 工作原理

手動模式：當(dāng)選擇開關(guān)處于手動模式時，操作人員可控制4臺泵的啟停，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和檢測壓力數(shù)據(jù)等進(jìn)行合理操作。自動恒壓控制原理圖見圖2.

圖2 自動恒壓控制原理圖

自動模式：當(dāng)選擇開關(guān)處于自動模式時，系統(tǒng)進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)。首先檢測當(dāng)前液位狀態(tài)，液位過低時，系統(tǒng)停機(jī)無法啟動；當(dāng)檢測液位正常時，PLC控制器接收當(dāng)前的輸出壓力需求信號，并自動計(jì)算需要啟動泵的數(shù)量，然后控制變頻泵啟動，其余3臺泵根據(jù)計(jì)算結(jié)果按需啟動，此時系統(tǒng)的輸出壓力基本達(dá)到設(shè)定需求。同時，壓力傳感器自動采集當(dāng)前的輸出壓力信號，經(jīng)4AD數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入PLC控制器，采樣間隔為0.2 s，對每5次采樣結(jié)果進(jìn)行平均，然后與當(dāng)前需要壓力值進(jìn)行對比，當(dāng)差值較小時，PLC控制變頻器改變變頻泵的輸出壓力進(jìn)行增減補(bǔ)償，當(dāng)差值較大時，根據(jù)需要對工頻泵的啟動數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，以滿足壓力需求。當(dāng)僅變頻泵啟動時，該泵作為主泵使用；當(dāng)有其它工頻泵啟動時，變頻泵僅作為輔助補(bǔ)償泵。通過以上措施可實(shí)現(xiàn)泵組自動根據(jù)生產(chǎn)需求穩(wěn)定地輸出壓力和流量。

3 硬件設(shè)備選型

該系統(tǒng)的核心硬件主要包括以下部分：

1) PLC控制器。

該系統(tǒng)選用KXJ1-127隔爆本安型控制箱，采用CAN通訊和RS485遠(yuǎn)程控制組合開關(guān)，可方便地實(shí)現(xiàn)對普通工頻電機(jī)、變頻器等的集中控制。內(nèi)部安裝三菱FX2N-32MR邏輯編程控制器(PLC)，有32個端口，部分端口連接示意圖見圖3.

圖3 PLC控制器端口連接示意圖

2) 變頻器。

根據(jù)井下設(shè)備控制要求，選用性能穩(wěn)定的施耐德ATV38變頻器，其變頻范圍0.1～500 Hz，功率0.75～315 kW. ATV38變頻器具有用于泵組控制的部分專用功能，可進(jìn)行飛車啟動、自帶PID優(yōu)化控制、運(yùn)行時間監(jiān)測、電機(jī)降噪等操作。另外，該變頻器還具有短路、過電流、缺相、欠壓等電氣保護(hù)功能。

3) 壓力傳感器。

根據(jù)乳化液泵組的壓力大小和檢測精度要求，選擇PTG502型液體壓力傳感器，檢測范圍0～60 MPa，抗干擾能力較強(qiáng)。

4 系統(tǒng)編程控制方案

在選定上述硬件基礎(chǔ)上，為充分發(fā)揮硬件能力，應(yīng)對PLC進(jìn)行合理編程。所選PLC具備PID比例積分微分控制功能，即可減弱控制過程的參數(shù)波動，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。壓力傳感器的電流信號首先轉(zhuǎn)化為0～10 V的電壓信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，再將表征實(shí)際輸出壓力大小的數(shù)字信號er(t)存入PLC寄存器，PLC自動對當(dāng)前需求壓力設(shè)定信號es(t)和實(shí)際輸出壓力信號er(t)進(jìn)行對比計(jì)算，得出信號偏差量Δe(t)，再經(jīng)過PID算法調(diào)整和其它邏輯運(yùn)算后輸出控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送給變頻器，變頻器據(jù)此調(diào)整電機(jī)工作電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泵組輸出壓力控制，見圖4.

圖4 PLC內(nèi)部PID控制原理圖

PLC邏輯運(yùn)算程序規(guī)則如下：

1) 當(dāng)e0≤Δe(t)≤e1，則僅啟動變頻器控制乳化液泵，并相應(yīng)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速；該設(shè)定適應(yīng)低壓待機(jī)工況。

2) 當(dāng)e1≤Δe(t)≤e2，則啟動變頻器控制乳化液泵和1臺工頻泵，變頻電機(jī)設(shè)定相應(yīng)轉(zhuǎn)速，變頻泵作為補(bǔ)償輸出；該設(shè)定適應(yīng)小負(fù)載工況。

3) 當(dāng)e2≤Δe(t)≤e3，則啟動變頻器控制乳化液泵和2臺工頻泵，變頻泵作為補(bǔ)償輸出，另1臺工頻泵作為備用；該設(shè)定為正常輸出工況，可滿足井下乳化液20～30 MPa輸出壓力要求。

4) 當(dāng)e3≤Δe(t)≤e4，則啟動變頻器控制乳化液泵和3臺工頻泵，變頻泵作為補(bǔ)償輸出；該設(shè)定一般為應(yīng)對突發(fā)工況，例如系統(tǒng)局部泄漏、泵組故障等。

5 應(yīng)用效果

自2018年11月起該技術(shù)在斜溝煤礦成功應(yīng)用，截至2020年1月，共取得如下技術(shù)成果：

1) 工作面液壓支架的初撐力合格率由94.3%提高至97.6%，為安全生產(chǎn)提供了有效保障。

2) 系統(tǒng)卸壓閥的啟動次數(shù)減少約65%，液壓泵的工頻運(yùn)行時間顯著縮短，在所統(tǒng)計(jì)的13個月內(nèi)，當(dāng)前“工頻泵+變頻泵”系統(tǒng)相比于完全工頻泵系統(tǒng)，理論計(jì)算可知，共可節(jié)約電費(fèi)20余萬元。

3) 系統(tǒng)內(nèi)各密封元件的使用壽命延長，泄漏故障減少約20%.

4) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)可直接接入遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)乳化液泵組的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

6 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)乳化液泵站存在的問題，基于PLC控制原理，建立了包含乳化液箱、泵組、檢測裝置、控制系統(tǒng)、蓄能器等的乳化液自動恒壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)泵組自動根據(jù)生產(chǎn)需求穩(wěn)定地輸出壓力和流量。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可直接接入遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)乳化液泵組的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。