乳化液泵站流量與壓力自動(dòng)控制技術(shù)研究

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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)化開采技術(shù)的發(fā)展，要求對(duì)乳化液泵站的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)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(dòng)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(gè)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(shí)，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(dòng)，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(shí)段對(duì)流量和壓力有較大需求，其余時(shí)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(dòng)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(cè)能力較弱，在故障和突發(fā)工況時(shí)的反應(yīng)速度慢，且無法遠(yuǎn)程精確控制。

2 自動(dòng)壓力控制系統(tǒng)組成及原理

2.1 組成結(jié)構(gòu)

針對(duì)傳統(tǒng)乳化液泵站存在的問題，提出自動(dòng)壓力控制方案，見圖1. 該系統(tǒng)主要由乳化液箱、泵組、檢測(cè)裝置、控制系統(tǒng)、蓄能器等組成。泵組主要包括4臺(tái)泵，3臺(tái)為普通工頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，1臺(tái)為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻電機(jī)始終啟動(dòng)，其余電機(jī)根據(jù)系統(tǒng)壓力需求自動(dòng)按序投入使用，逆序停止。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)裝置由各種壓力、流量、溫度檢測(cè)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(dòng)恒壓控制系統(tǒng)組成圖

2.2 工作原理

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

圖2 自動(dòng)恒壓控制原理圖

自動(dòng)模式：當(dāng)選擇開關(guān)處于自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。首先檢測(cè)當(dāng)前液位狀態(tài)，液位過低時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)無法啟動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)液位正常時(shí)，PLC控制器接收當(dāng)前的輸出壓力需求信號(hào)，并自動(dòng)計(jì)算需要啟動(dòng)泵的數(shù)量，然后控制變頻泵啟動(dòng)，其余3臺(tái)泵根據(jù)計(jì)算結(jié)果按需啟動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出壓力基本達(dá)到設(shè)定需求。同時(shí)，壓力傳感器自動(dòng)采集當(dāng)前的輸出壓力信號(hào)，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(duì)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(duì)比，當(dāng)差值較小時(shí)，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(shí)，根據(jù)需要對(duì)工頻泵的啟動(dòng)數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，以滿足壓力需求。當(dāng)僅變頻泵啟動(dòng)時(shí)，該泵作為主泵使用；當(dāng)有其它工頻泵啟動(dòng)時(shí)，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(dòng)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(duì)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(gè)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(dòng)、自帶PID優(yōu)化控制、運(yùn)行時(shí)間監(jiān)測(cè)、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(cè)精度要求，選擇PTG502型液體壓力傳感器，檢測(cè)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(duì)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。壓力傳感器的電流信號(hào)首先轉(zhuǎn)化為0～10 V的電壓信號(hào)，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(hào)er(t)存入PLC寄存器，PLC自動(dòng)對(duì)當(dāng)前需求壓力設(shè)定信號(hào)es(t)和實(shí)際輸出壓力信號(hào)er(t)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得出信號(hào)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(hào)，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(dòng)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(dòng)變頻器控制乳化液泵和1臺(tái)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(dòng)變頻器控制乳化液泵和2臺(tái)工頻泵，變頻泵作為補(bǔ)償輸出，另1臺(tái)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(dòng)變頻器控制乳化液泵和3臺(tái)工頻泵，變頻泵作為補(bǔ)償輸出；該設(shè)定一般為應(yīng)對(duì)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(dòng)次數(shù)減少約65%，液壓泵的工頻運(yùn)行時(shí)間顯著縮短，在所統(tǒng)計(jì)的13個(gè)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(zhǎng)，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(cè)和控制。

6 結(jié) 論

針對(duì)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(cè)裝置、控制系統(tǒng)、蓄能器等的乳化液自動(dòng)恒壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)泵組自動(dòng)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(cè)和控制。