原 鋮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王家?guī)X煤業(yè)，山西 忻州 036600）

綜采工作面生產(chǎn)效率的提高，要求支架動作速度和支護(hù)能力必須滿足要求，乳化液泵站作為工作面供液的動力源，其輸出壓力的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和響應(yīng)的快速性對工作面的高效運行起著關(guān)鍵的作用。為了滿足乳化液泵站大流量、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)的需求，對乳化液泵站的智能控制技術(shù)與裝備提出了更高的要求，乳化液泵站智能化控制[1-3]是綜采工作面實現(xiàn)智能化、無人化的重要環(huán)節(jié)。

1 原乳化液泵站的應(yīng)用情況及問題分析

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王家?guī)X煤礦18104 和18106綜采工作面配備有2 套乳化液泵站，每套泵站為“兩泵一箱”形式，采用SRB2BA 型乳化液泵。額定流量≥630 L/min，額定壓力≥37.5 MPa，電機(jī)功率≥500 kW，單泵蓄能器容量≥25 L，潤滑方式為潤滑式油泵強(qiáng)制潤滑。

從18104 和18106 綜采工作面的生產(chǎn)過程可知，液壓支架原乳化液泵站系統(tǒng)自動化和智能化水平不夠，無法適應(yīng)當(dāng)前煤礦智能化開采要求。主要表現(xiàn)為：（1）工作面開采安全問題頻發(fā)。原乳化液泵站工作過程中常出現(xiàn)有流量不夠、不穩(wěn)定、壓力不恒定、故障多、維修量大等問題，進(jìn)而影響到液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備的正常工作，安全隱患較大，煤礦生產(chǎn)無安全保障。（2）原乳化液泵站運行能耗較大。經(jīng)計算可知，該煤礦兩套原乳化液泵站系統(tǒng)單臺電機(jī)工作的用電量約為400 000 kW·h，耗電量較大。（3）液壓元件的使用壽命較短。原乳化液泵站系統(tǒng)采用人工配液，容易造成乳化液的污染，乳化液濃度無法保證，會降低液壓元件的使用壽命。

2 乳化液泵站智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建

針對王家?guī)X煤礦18104 和18106 綜采工作面原乳化液泵站存在的問題，構(gòu)建了SAP 綜采智能乳化液泵站系統(tǒng)，建立了基于工作面用液需求的智能供液控制決策系統(tǒng)。為了實現(xiàn)SAP 泵站系統(tǒng)的智能化運行，設(shè)計了兩套不同控制方式的泵站控制系統(tǒng)。

2.1 基于PLC 的集中式泵站控制系統(tǒng)

集中控制式泵站智能控制系統(tǒng)主要由礦用隔爆兼本安型PLC 可編程控制柜、礦用本質(zhì)安全型操作臺、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器、監(jiān)控主機(jī)、礦用本質(zhì)安全型變送接線盒各類傳感器及控制電纜組成。

PLC 控制柜的控制對象是泵站系統(tǒng)，能夠采集泵站系統(tǒng)的油壓、油位等開關(guān)量信號，也能采集油溫、出口壓力等模擬量信號，并將這些采集到的信號與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果采集到的值超限，則控制柜會發(fā)出相關(guān)的控制信號，對泵站系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，以達(dá)到對設(shè)備或是對操作人員的保護(hù)?？刂乒駜?nèi)部采用PLC 為控制核心，并組合了相關(guān)的數(shù)字量采集模塊與模擬量采集模塊，完成對輸入信號的采集，以及輸出模塊完成對泵站的啟?？刂?、泵站卸荷閥的控制，以實現(xiàn)對整個泵站的控制。

2.2 基于泵站控制器的集中分布式泵站控制系統(tǒng)

泵站控制器是分布式泵站控制系統(tǒng)的核心部件。泵站控制器主要用來進(jìn)行泵站的啟?？刂啤鞲衅鲾?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信，由供液工作面泵站控制器使用連接器互連形成通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)集成供液系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。泵站控制器采用ARM7CPU 為核心，通過按鍵電路、顯示電路、采集電路和執(zhí)行電路實現(xiàn)相應(yīng)的功能。每臺泵站、液箱都配有獨立泵站控制器，控制器獨立控制設(shè)備的運行，并接受命令進(jìn)行動作。

3 SAP 綜采乳化液泵站智能控制關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 智能控制技術(shù)建模

SAP型泵站智能控制系統(tǒng)開發(fā)了以壓力、流量、液位、濃度等參數(shù)為感知條件，以工作面按需供液的智能供液模型為決策依據(jù)，以電磁卸荷和變頻技術(shù)為控制手段，以高壓大流量泵站為執(zhí)行元件的泵站智能控制系統(tǒng)。

SAP 泵站智能控制系統(tǒng)最核心的部分是工作面按需供液的智能供液模型。該模型是以綜采工作面液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—液壓支架的工作狀態(tài)為需求終端，建立在以液壓支架設(shè)計參數(shù)、采煤機(jī)牽引速度等為邊界條件，以液壓支架流量需求函數(shù)為依據(jù)，以執(zhí)行元件快速響應(yīng)為特征的基礎(chǔ)上，建立在通過與電液控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通，從而達(dá)到預(yù)知預(yù)判，通過變頻和電磁卸荷控制等手段，保證供液流量與需求相匹配的基礎(chǔ)上的。

在綜采工作面開采過程中，液壓支架的移架速度應(yīng)大于采煤機(jī)的截煤牽引速度。移架速度主要取決于泵站系統(tǒng)的供液流量Q'b，而Q'b應(yīng)該大于液壓支架流量需求Qb。

液壓支架流量需求函數(shù)Qb可以用下式表示：

式中：k1為移架數(shù)量；k2為泵站到支架管路泄漏損失系數(shù)，一般取1.1～1.3；∑Qi為單架支架所有立柱和千斤頂完成全部動作所需的乳化液體積，cm3；Vq為采煤機(jī)工作牽引速度，m/min；A為液壓支架中心距，m。

SAP 型泵站智能控制系統(tǒng)與液壓支架電液控制系統(tǒng)無縫對接，實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。液壓支架電液控制系統(tǒng)在執(zhí)行動作功能之前，將控制信息傳達(dá)給集成供液系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面用液需求的預(yù)知預(yù)判和及時響應(yīng)。SAP 型泵站智能控制系統(tǒng)在獲得流量需求函數(shù)Qb后，通過流量恒壓反饋法，轉(zhuǎn)化為變頻和電磁卸荷的耦合控制，從而滿足供液流量Q'b≥Qb的要求。

3.2 變頻與電磁卸荷聯(lián)動智能控制

智能控制系統(tǒng)和電磁卸荷閥的結(jié)合使用實現(xiàn)了多泵站的智能聯(lián)動，通過設(shè)置主、次、輔、備多泵站編組和不同泵站不同調(diào)定壓力的辦法，實現(xiàn)多泵站的智能聯(lián)動和功率匹配。系統(tǒng)根據(jù)壓力檢測和電磁卸荷閥狀態(tài)智能判斷工作面用液情況，并通過主泵變頻調(diào)速達(dá)到變量控制，從而實現(xiàn)多泵站基于負(fù)載的智能啟停和卸載，有效控制泵站系統(tǒng)時間，發(fā)揮各自最大效率。SAP 泵站空載過程中，功率損耗為泵站額定功率的30%左右，有效地利用不同泵站不同壓力，控制不同站處于合理的卸荷時間，可以大大降低功率損耗，同時結(jié)合用液判斷，及時實現(xiàn)泵站、備用泵站和富余泵站的停機(jī)，降低工作面用電損耗。

3.3 乳化液智能配比控制

在乳化液智能配比控制邏輯方面，通過對乳化液濃度的實時監(jiān)測，當(dāng)乳化液濃度不滿足用液質(zhì)量要求時，通過乳化液自動配比器和校正機(jī)構(gòu)，自動調(diào)整乳化油和水的配比參數(shù)，達(dá)到液箱內(nèi)乳化液濃度的動態(tài)平衡過程。乳化液智能配比控制核心設(shè)備是乳化液自動配比器和高精度濃度傳感器。在進(jìn)水環(huán)節(jié)增加過濾、穩(wěn)壓措施，確保自動配比系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠。針對水壓較高且波動不大的礦井，在乳化液自動配比系統(tǒng)中加入過濾減壓裝置。在穩(wěn)定水壓的同時對自動配比用水進(jìn)行高精度過濾，保證乳化液配比用水的清潔、穩(wěn)定。同時使用增壓泵為乳化液自動配比系統(tǒng)供水用來適應(yīng)水壓波動大的問題。

3.4 工作面爆管保護(hù)智能控制

煤礦綜采工作面液壓系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，如安全閥噴液、液壓管路破裂和設(shè)備危及工作人員安全時，需要立刻瞬間停泵?，F(xiàn)有技術(shù)中采用的都是由泵站工作人員現(xiàn)場拉閘停電，由于處理時間長，液壓和電網(wǎng)沖擊大，特別是管路和儲能器中的高壓液體由于沒有卸壓，仍然會發(fā)生二次事故，嚴(yán)重危害安全生產(chǎn)。為了解決供液系統(tǒng)技術(shù)難題，SAP 泵站控制系統(tǒng)獨創(chuàng)以關(guān)儲卸壓閥為核心的工作面爆管保護(hù)控制技術(shù)。該技術(shù)以主管路流量、壓力傳感器的實施監(jiān)測信號為基準(zhǔn)，當(dāng)主管路流量、壓力同時迅速降低時，監(jiān)控主機(jī)通過電信號以電磁先導(dǎo)控制技術(shù)為手段，控制關(guān)儲卸壓閥，從而實現(xiàn)關(guān)儲、卸壓和停泵可以在瞬間完成，避免了故障的延續(xù)與擴(kuò)大，確保安全生產(chǎn)，實現(xiàn)泵站的失壓保護(hù)和安全停機(jī)，同時也避免了管路振動和儲能器中能量的損耗，達(dá)到了節(jié)能的效果。

3.5 泵站供電及越級保護(hù)智能控制技術(shù)

泵站在啟動瞬間，啟動電流一般是額定電流4～7 倍，泵站通過電磁卸荷技術(shù)，使泵站實現(xiàn)空載啟動，從而降低啟動電流，減小對工作面供電系統(tǒng)的沖擊。在工作面生產(chǎn)過程中，泵站智能控制系統(tǒng)通過工作面反饋的信息，如果監(jiān)測到工作面設(shè)備故障，出現(xiàn)緊急情況，集控中心根據(jù)事先預(yù)定的原則，對供電系統(tǒng)實施越級保護(hù)。

3.6 泵站智能故障診斷系統(tǒng)

SAP 型泵站控制系統(tǒng)設(shè)置有一套傳感器監(jiān)測單元，通過將泵站系統(tǒng)的油溫、油位，油壓系統(tǒng)壓力、液位傳感器等信號接入到核心控制模塊，實時檢測泵站系統(tǒng)運行狀態(tài)。通過監(jiān)控主機(jī)的邏輯判斷，在泵站系統(tǒng)運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時，以聲光、動態(tài)顯示為手段進(jìn)行預(yù)警，在地面與井下同時提示工人與管理人員進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。當(dāng)設(shè)備運行狀態(tài)達(dá)到系統(tǒng)故障臨界值時，系統(tǒng)瞬間停機(jī)保護(hù)泵站系統(tǒng)并告知故障信息與解決方案，以避免故障的延續(xù)與擴(kuò)大，確保安全生產(chǎn)，從而減少設(shè)備不必要的損失。

4 應(yīng)用效果分析

王家?guī)X煤礦18104 和18106 綜采工作面采用SAP 綜采智能乳化液泵站系統(tǒng)，建立了基于工作面用液需求的智能供液控制決策系統(tǒng)，系統(tǒng)自動化和智能化明顯提高，適應(yīng)該煤礦智能化開采的要求，系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓控制，供液壓力穩(wěn)定。SAP 綜采智能乳化液泵站應(yīng)用后，經(jīng)計算兩套系統(tǒng)每年可節(jié)省電量約為100 000 kW·h，可減少泵站工6 人，能提高部分液壓元件的使用壽命，兩套系統(tǒng)每年一共可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約50 萬元。SAP 綜采智能乳化液泵站應(yīng)用后，保證了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，為實現(xiàn)王家?guī)X煤礦高產(chǎn)高效安全開采奠定了基礎(chǔ)。