變頻技術(shù)和自動監(jiān)控技術(shù)在乳化液泵站智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫遠(yuǎn)超

摘要： 乳化液泵站是煤礦井下作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)向普采工作面單體液壓支柱或綜采工作面液壓支架輸送高壓乳化液的使命，是單體液壓支柱和液壓支架的動力源，自從變頻技術(shù)在乳化液泵站智能控制系統(tǒng)中采用后，井下乳化液乳站就步入了自動化革新的新時(shí)期，首先變頻技術(shù)不但提高了的功率因數(shù)，減少了電動機(jī)空轉(zhuǎn)損耗，延長了乳化液泵站電機(jī)的使用壽命，提高了生產(chǎn)效率、降低了設(shè)備運(yùn)行噪音及能耗，而且在向采掘工作面供液方面實(shí)現(xiàn)了“無人值守”、“按需供液”的智能化模式。

Abstract： the emulsion pump station is one of the key equipment of coal mine underground work， it needs to convey high pressure emulsion for the individual hydraulic prop on conventional face or the hydraulic support on fully mechanized working face， it is the power source of the individual hydraulic prop and hydraulic support. Since the frequency conversion technology used in intelligent control system of the emulsion pump station， the downhole emulsion milk station has into the new period of automation innovation. The frequency conversion technology improves the power factor， reduces the motor idling loss， extends the service life of the emulsion pump motor， improves the production efficiency， reduces the operation noise and energy consumption， it also implements the intelligent model of

"unattended operation" and "providing liquid by demands" on the working face.

關(guān)鍵詞： 乳化液泵站；智能控制系統(tǒng)；變頻技術(shù)；自動監(jiān)控技術(shù)

Key words： emulsion pump station；intelligent control system；converter technique；automatic monitoring technique

中圖分類號：TN954 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0108-03

0 引言

乳化液泵站是煤礦普采和綜采機(jī)械化生產(chǎn)中的非常關(guān)鍵的高壓乳化液輸送的動力裝置，它是現(xiàn)代煤礦最常見也是必不可少的設(shè)備。它原理簡單：在常規(guī)情況下乳化液泵站配備兩臺乳化液泵和一個(gè)乳化液箱。這兩臺泵可以只一臺工作，另一臺備用，也可以兩臺并聯(lián)運(yùn)行。在實(shí)際生產(chǎn)過程中乳化液泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)間歇時(shí)間是不固定的，通常在幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)之間，同時(shí)，整個(gè)液壓系統(tǒng)在任何瞬間都要處在準(zhǔn)備工作的狀態(tài)中，液壓系統(tǒng)中也必須始終保持著恒定的壓力，造成長期生產(chǎn)過程中乳化液泵站必須不間斷的運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到設(shè)定的壓力時(shí)，泵站本身的卸載閥動作，然后再次的頻繁升至設(shè)定壓力后再動作，造成設(shè)備損耗大、檢修成本的增加，用電量成本高的特點(diǎn)。采用變頻技術(shù)，可以通過設(shè)置在供液管路上的壓力傳感器，提供給變頻器壓力信號，變頻器則根據(jù)管路內(nèi)壓力變化情況，控制乳化液泵站電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，不僅保證管路壓力恒定，而且使得泵本身的卸載閥不再頻繁動作，延長使用壽命，降低了成本。自動監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“無人值守”、“按需供液”的智能化模式，實(shí)現(xiàn)了效益最大化。

1 乳化液泵站的工作原理

乳化液泵站一般采用的乳化液泵為臥式三柱塞或五柱塞往復(fù)定量泵。乳化液泵將機(jī)械能經(jīng)泵直接轉(zhuǎn)化為輸送高壓液體，其流量只與工作腔的容積變化值及其在單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)有關(guān)，在理論上與排出壓力無關(guān)，這種往復(fù)泵式乳化液泵就是借助于柱塞在液壓缸工作腔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動來使工作腔容積產(chǎn)生周期性變化，在結(jié)構(gòu)上，往復(fù)泵的工作腔是借助于密封裝置于外界隔開，通過泵閥（吸入閥和排出閥）與管路溝通或閉合，它性能和參數(shù)及總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：瞬時(shí)流量是脈動的，平均流量（即泵的流量）是恒定的，泵的壓力取決于管路特性，有良好的自吸性能。由乳化液泵站與液壓支架、單體液壓支柱之間形成了一個(gè)多級多單元分布式的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。液壓支架在支護(hù)過程的一個(gè)工作循環(huán)中要完成升柱、降柱、移架和推溜等動作，支架單元之間以及單元內(nèi)的每個(gè)執(zhí)行液壓缸的動作都是非連續(xù)地間斷性工作。這種供液條件要求乳化液泵站輸出到液壓系統(tǒng)的工作液流量要隨支架各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載流量特性來調(diào)節(jié)，泵站要不間斷的提供補(bǔ)充系統(tǒng)泄漏所消耗的工作液。因此我們再來了解一下乳化液泵站壓力控制部分，它由自動卸載閥（溢流閥）、安全閥和蓄能器組成，其主要作用是提供穩(wěn)定壓力的液體。當(dāng)液壓系統(tǒng)中壓力達(dá)到設(shè)定的額定值以后，自動卸載閥使泵壓力卸載，乳化液回流至乳化液箱中，如果自動卸載閥失靈，壓力超過額定值以后，則安全閥打開泄液，以保證泵站能在工作需要乳化液時(shí)滿足供液要求，不需要乳液時(shí)泵能自動卸載，當(dāng)工作面再次需要乳液時(shí)，能自動恢復(fù)供液。

其結(jié)構(gòu)原理如圖1。

2 乳化液泵站使用中存在的問題

乳化液泵站屬于煤礦關(guān)鍵設(shè)備，需保證其能夠連續(xù)二十四個(gè)小時(shí)不間斷工作，由自動卸載閥（溢流閥）和安全閥控制壓力恒定，只有這樣才能確保其能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得所需壓力，一直處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)工作面設(shè)備需要供液時(shí)，泵排出的高壓乳化液進(jìn)入系統(tǒng)執(zhí)行元件采面設(shè)備動作。當(dāng)工作面不需供液或需要供液流量較小系統(tǒng)壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，泵排出的乳化液經(jīng)自動卸載閥和回液管返回到泵箱的儲液室，自動卸載閥內(nèi)的單向閥關(guān)閉，高壓系統(tǒng)與卸載回路隔斷，系統(tǒng)維持在高壓狀態(tài)，處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)采面液壓系統(tǒng)的液壓元件動作，液壓系統(tǒng)壓力下降至卸載閥的恢復(fù)壓力時(shí)，卸載閥切斷卸載回路，打開單向閥向液壓系統(tǒng)供液。在實(shí)際的施工過程中我們發(fā)現(xiàn)，液壓支架的推溜和移架等動作是間歇發(fā)生的，且每次工作時(shí)間很短，并不是一直運(yùn)行的，這就說明供液并不發(fā)生在施工的整個(gè)過程中，只在動作時(shí)間需要提供高壓液體，其余大部分時(shí)間液壓系統(tǒng)都是不運(yùn)行的。但這不意味著可以將乳化液泵站停掉，相關(guān)必須確保乳化液泵站連續(xù)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，只有這樣才能隨時(shí)啟動液壓元件。真空磁力啟動器控制的乳化液泵站不能根據(jù)液壓系統(tǒng)的實(shí)際需求量自動調(diào)整泵站的供液量，系統(tǒng)長期處于高壓大流量工作狀態(tài)，在工作面設(shè)備不需要高壓液體時(shí)多余的液體只能通過卸載閥回流到乳化液箱，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)磨擦產(chǎn)生的熱量使泵體溫度升高系統(tǒng)內(nèi)密封件老化較快造成串液和漏液，電動機(jī)和泵體一直處于全速運(yùn)行狀態(tài)加快了機(jī)械磨損，自動卸載閥頻繁開啟和關(guān)斷直接造成壽命較短，增加維修頻次和成本的投入。而且乳化泵電動機(jī)采用直接啟動方式，啟動電流為電動機(jī)額定電流的4～7倍，對電網(wǎng)造成較大的沖擊，對電網(wǎng)容量的要求也較高。啟動產(chǎn)生的振動和磨擦對泵體和閥門部件的損害極大。當(dāng)工作面不需要高壓液體時(shí)，電動機(jī)仍然以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，泵站長期高負(fù)荷運(yùn)行浪費(fèi)了大量的電能。以BRW200/31.5型乳化液泵站為例，公稱壓力為200L/min、公稱壓力位31.5MPa，配用電動機(jī)功率為75kW、電壓1140/660V。僅電費(fèi)一項(xiàng)每月消耗54000度電，按照安徽省工業(yè)用電平均費(fèi)用0.89元/度計(jì)算，每年消耗57.67萬元，再加上設(shè)備檢修更換配件的費(fèi)用（每年投入配件費(fèi)5萬元）和開泵人員的費(fèi)用計(jì)算每年員工工資投入（每天按三班，每班1人，每人5000元/月）共23萬元，因此共支出57.67萬元+23萬元=80.67萬元。按煤礦井下五套乳化泵站計(jì)算每年需投入80.67萬元×5=403.35萬元。

3 變頻技術(shù)和自動監(jiān)控系統(tǒng)在乳化液泵站智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

《中國制造2025》是中國版的“工業(yè)4.0”規(guī)劃，它的基本方針之一就是創(chuàng)新驅(qū)動，堅(jiān)持把創(chuàng)新擺在制造業(yè)發(fā)展全局的核心位置，促進(jìn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，走創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展道路。我們秉承這一理念在乳化液泵站智能控制改造方面利用PLC控制技術(shù)、變頻技術(shù)在其高可靠性，智能自動監(jiān)測、自動控制、故障自診斷、故障自動處理等功能上下功夫。具體方案如下：

3.1 變頻恒壓供液技術(shù)的應(yīng)用（以BPBT型變頻器為例）

①節(jié)約用電。由于煤礦井下工作面乳化液泵站是二十四小時(shí)都運(yùn)行的，但實(shí)際上乳化液泵站注液移架等工序總時(shí)間通常是低于八小時(shí)的，但為了確保供液等要求隨時(shí)可以得到滿足，使乳化液泵站全天不間斷運(yùn)行又是必要的，這就使下乳化液泵站的耗能有66%以上是做無用功。因此對于乳化液泵站而言，節(jié)能降耗刻不容緩，有資料顯示，僅乳化液泵站進(jìn)行變頻節(jié)能改造一項(xiàng)，每臺乳化液泵年節(jié)約電費(fèi)約38.45萬元，按煤礦井下五套乳化泵站計(jì)算每年節(jié)約用電38.45萬元×5=192.25萬元。

②提高乳化液泵使用壽命。乳化液泵站在無注液工頻條件下運(yùn)行時(shí)，整個(gè)液壓系統(tǒng)壓力通過泵體柱塞反復(fù)運(yùn)行增壓，再通過卸載閥（溢流閥）卸壓，不僅是浪費(fèi)電能做功，而且反復(fù)脈動沖擊壓力損傷管路配件、大大縮短泵體的使用壽命、系統(tǒng)故障率增加。變頻恒壓自動控制應(yīng)用后井下工作面無注液時(shí)，乳化液泵站不運(yùn)轉(zhuǎn)，大大增加了乳化液泵的使用壽命。

③變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)壓力、流量的自動控制。當(dāng)井下采掘工作面開始注液時(shí)，管路中的壓力也產(chǎn)生變化，壓力傳感器就會發(fā)出信號，信號通過壓力檢測器反饋到變頻調(diào)速裝置，此時(shí)變頻器通過變頻調(diào)節(jié)乳化泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)壓力、流量的大小實(shí)現(xiàn)自動控制配液，使液壓管路的壓力穩(wěn)定。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的值后乳化液泵自動進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著注液量的增加，當(dāng)管路壓力低于設(shè)定值后乳化液泵會被再次“喚醒”直至管路壓力達(dá)到設(shè)定值后才會再次“休眠”。

3.2 自動監(jiān)控技術(shù)在乳化液泵站智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

①乳化液泵曲軸箱內(nèi)潤滑油油位監(jiān)測：在乳化液泵站中應(yīng)用自動監(jiān)控技術(shù)，一旦曲軸箱內(nèi)潤滑油低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，分站控制器就會接收到傳感器發(fā)動的低位信號并進(jìn)行必要處理，同時(shí)向乳化液泵發(fā)送停機(jī)信號，分站控制器也會在此時(shí)出現(xiàn)聲光報(bào)警，顯示油位過低信息。②乳化液泵傳動端箱體的貯油池內(nèi)潤滑油油溫監(jiān)測：當(dāng)箱體油池內(nèi)的潤滑油油溫不符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，信號將被傳遞到分站控制器內(nèi)，然后其顯示器會將相關(guān)信息顯示出來，并采取停機(jī)措施。③過濾器進(jìn)出口壓差監(jiān)測：利用壓差傳感器檢測過濾器進(jìn)出口壓差，一旦該值超過設(shè)定值，就必須采取措施使泵停機(jī)，分站控制器的作用就是如此，同時(shí)它還能夠顯示故障信息并聲光報(bào)警。停機(jī)后，應(yīng)及時(shí)采取有效措施進(jìn)行故障處理，當(dāng)故障處理完畢后，只需按下分站控制器上的啟動按鈕，就可以重新使乳化液泵運(yùn)行。④乳化液箱液位監(jiān)測：若乳化液液位低于標(biāo)準(zhǔn)值，主控制器會受到來自低液位傳感器的信號，然后采取及時(shí)的應(yīng)對措施，即給配液裝置發(fā)送配液信號，同時(shí)該異常信息也會在主站顯示器中顯示出來，當(dāng)液位達(dá)到一定高度后，配液裝置會自動停止工作。⑤乳化油油位監(jiān)測：當(dāng)乳化油油位低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，該異常信息會被低油傳感器發(fā)送到主站控制器，然后主站控制器就會采取應(yīng)對措施，即發(fā)送補(bǔ)油信號，同時(shí)將該異常信息顯示在其顯示器內(nèi)，同時(shí)當(dāng)油位達(dá)到一定高度后，自動關(guān)閉補(bǔ)油閥。

4 結(jié)束語

變頻技術(shù)和自動監(jiān)控技術(shù)在乳化液泵站智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，提升了系統(tǒng)工作效率，減少了電動機(jī)空轉(zhuǎn)的功率損耗，使乳化液泵的維修頻次和配件投入減少了一半，停機(jī)檢修時(shí)間大大減少，有效工作時(shí)間得到提升，提高了乳化液泵使用壽命和可靠性、生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備運(yùn)行噪音及能耗。自動監(jiān)控技術(shù)提高了乳化液泵站安全運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，并對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)施準(zhǔn)確監(jiān)測和控制，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，阻止的故障的擴(kuò)大化，對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備提供了可靠的安全保障。乳化液泵站的變頻技術(shù)和自動監(jiān)控技術(shù)在乳化液泵站智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用后，安全和經(jīng)濟(jì)效果明顯值得推廣。

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