綜采工作面泵站變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

曹哲哲

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

乳化液泵站是綜采工作面液壓支架的動力源，提供高壓乳液，保證液壓支架的支柱正常升降、快速支撐。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，乳化泵站變頻器在泵站控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)泵站控制系統(tǒng)存在的啟動電流大、啟動速度不穩(wěn)、對機械設(shè)備沖擊嚴重以及耗能較高等問題。國內(nèi)乳化液泵站控制系統(tǒng)一般采用工頻控制模式、電磁控制模式或者有限自動化控制模式，通過人工/自動操作電磁啟動器對乳化液泵進行啟動、停止控制，通過控制安全閥和機械卸載閥手動調(diào)整乳化液泵的壓力[1-2]，或者通過手動操作交替閥、蓄能器、高壓過濾器實現(xiàn)高壓液體的回路轉(zhuǎn)換，但是由于資金、使用環(huán)境等因素，目前國內(nèi)乳化液泵站普遍還采用人工手動操作模式。國外乳化液泵站一般由4臺泵組成，針對不同的液壓支架，提供的乳化液注液量也不同，并采用集中-分散式控制系統(tǒng)實現(xiàn)乳化液箱的自動補液、自動配比以及檢測保護系統(tǒng)，保證乳化液泵站安全、穩(wěn)定運行。現(xiàn)階段乳化液泵站控制系統(tǒng)存在供液壓力不穩(wěn)定，系統(tǒng)壓力波動較大，設(shè)備頻繁操作時無法正常使用的問題；此外，節(jié)能效果差，采用工頻控制模式，當用液量降低時，電機還處于高速運行狀態(tài)，無法達到節(jié)能的目的；且機械設(shè)備使用壽命短，電動機工頻運行時，啟動電流對機械設(shè)備以及電網(wǎng)的沖擊較大，容易對機械構(gòu)件造成損害，降低設(shè)備使用壽命。為此，基于變頻恒壓控制技術(shù)，通過變頻控制綜采工作面泵站，以期實現(xiàn)乳化液泵站安全、高效、穩(wěn)定運行，延長設(shè)備使用壽命。

1 泵站變頻恒壓供液原理

綜采工作面乳化液泵站變頻恒壓供液原理框圖如圖1所示，控制對象為乳化液泵站液壓系統(tǒng)出口乳化液流量。壓力傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)管路壓力，當實際監(jiān)測到的管路壓力值小于“壓力給定值”時，計算壓力實際值與給定值的差值，通過控制算法分析需增加的變頻頻率。將分析得出的變頻器新運行頻率傳送給變頻器并驅(qū)動泵電機按照新給定的頻率運行，增加泵電機轉(zhuǎn)速，進而增加管路壓力。若管路壓力實際值還未達到“壓力給定值”，則重復(fù)上述過程直至管路壓力值等于“壓力給定值”。當實際檢測到的管路壓力值大于“壓力給定值”時，計算壓力差值并通過控制算法分析需減少的變頻頻率[3-4]。將新變頻器運行頻率傳送給變頻器并驅(qū)動泵電機運行，降低泵電機轉(zhuǎn)速，降低管路壓力，直至管路壓力實際值與“壓力設(shè)定值”相等，達到管路壓力與給定壓力自適應(yīng)的目的，并節(jié)約電能損耗。

圖1 變頻恒壓供液原理框圖Fig.1 Principle of variable frequency constant pressure liquid supply

乳化液泵站變頻恒壓供液系統(tǒng)可靈活設(shè)置“壓力設(shè)定值”，動態(tài)、實時調(diào)整乳化液泵出口流量，避免“大馬拉小車”的現(xiàn)象，達到節(jié)能減排的目的[5-7]。同時，采用變頻驅(qū)動方案可避免啟動電流過大的現(xiàn)象，增加泵站機械部件的使用壽命。乳化液泵的特性公式可表示為

P=kHQ/η

(1)

式中，P為乳化液泵的輸出功率，kW；k為介質(zhì)常數(shù)；H為乳化液泵站的揚程，m；Q為乳化液泵站的流量，m3/s；η為乳化泵的效率。乳化液泵站的P、H以及Q隨泵站電動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，并遵循下列公式

Q2/Q1=n2/n1

(2)

P2/P1=(n2/n1)3

(3)

H=αQ2+Hj

(4)

式中，n為泵站電動機轉(zhuǎn)速，r/min；Hj為乳化液泵進水口、出水口的高度差，m；α為管路的阻力系數(shù)。變頻恒壓供液原理框圖中的控制算法采用PID實現(xiàn)，即對比采樣值與設(shè)定值，糾正偏差并達到最優(yōu)[8]。PID控制算法基本公式為

error(t)=yd(t)-y(t)

(5)

(6)

式中,kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間；Td為微分時間；error(t)為偏差信號；u(t)為輸出信號。變頻調(diào)速基本原理見下式。

(7)

式中，n為電動機實時轉(zhuǎn)速，r/min；f為電動機的驅(qū)動頻率，Hz；p為電動機的極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

2 泵站變頻恒壓供液方案設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

綜采工作面乳化液泵站變頻恒壓供液控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示，包含1臺變頻乳化液泵、3臺乳化液工頻泵，工頻泵為輔助備用，額定功率為355 kW。根據(jù)目標乳化液壓力，經(jīng)壓力傳感器采集后將數(shù)據(jù)傳送至PLC控制器，經(jīng)軟件濾波和邏輯處理后，自動計算出變頻乳化液泵的運行頻率以及需要啟動的工頻乳化液泵臺數(shù)[9-10]。當目標乳化液壓力改變時，PLC控制器動態(tài)調(diào)整變頻器輸出功率，進而調(diào)整變頻乳化液泵的運行頻率，最終完成對乳化液壓力的實時、動態(tài)調(diào)整。該變頻恒壓供液系統(tǒng)有手動、自動2種操作模式，由PLC軟件配合“手動/自動”按鈕實現(xiàn)無縫切換。

圖2 乳化液泵站變頻恒壓供液系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Control of frequency conversion and constant pressure liquid supply system of emulsion pump station

2.2 硬件設(shè)計

選用的變頻器型號為ATV38，該變頻器額定輸出功率范圍為0.75～315 kW，配置有數(shù)字鍵盤，內(nèi)置PID控制算法，可在線完成程序的修改、調(diào)整以及定制。該變頻器具有完善的保護功能，如短路、過流、過載、過熱、相不平衡、欠壓等，保證變頻器安全、穩(wěn)定運行。當變頻器出現(xiàn)故障時，以故障代碼形式進行輸出，根據(jù)故障代碼查詢故障以及一般故障解決方案，能夠有效提升變頻器故障解決效率，縮短故障停機時間。在對該變頻器接線時，必須接地且將高壓、低壓信號分開[11-12]，避免對其他通信設(shè)備造成干擾。選用的壓力傳感器為礦用本質(zhì)安全型，其型號為GPY-A，主要技術(shù)參數(shù)見表1。在使用該壓力傳感器前，需進行校驗和調(diào)整，即泵站管路壓力為0 MPa時，調(diào)整電壓輸出至1 V；管路壓力最大時，調(diào)整電壓輸出至10 V。該壓力傳感器的輸出信號為1～10 V電壓信號，經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后傳送給PLC控制器并完成邏輯處理流程。水位傳感器選用的型號為礦用本質(zhì)安全性YPA-01，該水位傳感器的量程為0～2 m，供電電源為DC24V，輸出信號為0～5 V電壓信號，測量精度為0.2%FS，滿足系統(tǒng)使用需求。

表1 GPY-A礦用本安型壓力傳感器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of GPY-A mine intrinsically safe pressure sensor

綜采工作面乳化液泵站變頻恒壓供液控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)根據(jù)總體設(shè)計擴展AI、AO、DI、DO模塊并完成I/O地址分配，詳見表2。該控制系統(tǒng)還設(shè)置有HMI顯示屏，方便調(diào)試并有利于操作者及時掌握該乳化液泵的運行狀態(tài)，使用CAN總線通信完成PLC控制器與HMI顯示屏的數(shù)據(jù)傳輸，采用CAN2.0B幀格式，波特率為250 kbps，使用CAN總線通信專用通信線纜。

表2 乳化液泵站變頻恒壓供液系統(tǒng)PLC控制器I/O地址分配Table 2 I/O address assignment of PLC controller for variable frequency and constant pressure liquid supply system of emulsion pump station

2.3 軟件設(shè)計

綜采工作面乳化液泵站變頻恒壓供液控制系統(tǒng)軟件部分采用ST語言并結(jié)合硬件I/O地址分配進行編寫，主控制流程框圖如圖3所示。PLC控制器采集4路壓力傳感器數(shù)據(jù)的周期為1 s，并連續(xù)采樣10次后求該路壓力傳感器壓力值的算術(shù)平均值pe(t)，與壓力分界值進行比較同時選擇工作模式[13-14]。當0

圖3 乳化液泵站變頻恒壓供液系統(tǒng)控制軟件主流程框圖Fig.3 The main process of the control software of the frequency conversion constant pressure liquid supply system of the emulsion pump station

3 使用效果

為驗證該變頻恒壓供液控制系統(tǒng)的正確性、實用性、有效性，設(shè)計并實現(xiàn)的綜采工作面泵站變頻控制系統(tǒng)在某煤礦進行工業(yè)性試驗，為期6個月。在試驗過程中，該控制系統(tǒng)能夠保證乳化液泵站安全、穩(wěn)定、連續(xù)運行。同時對比并分析乳化液泵站工頻、變頻控制系統(tǒng)一周用電量數(shù)據(jù)，見表3。由表3數(shù)據(jù)可知，一周內(nèi)泵站變頻工作模式用電量為8 519 kW·h，平均用電量為1 217 kW·h；一周內(nèi)泵站工頻工作模式用電量為11 265 kW·h，平均用電量為1 609.3 kW·h，節(jié)電率為24%，節(jié)電效果明顯。采用變頻控制后，泵站補液系統(tǒng)實際運行功率因素由原來的不足0.7提高至0.9以上，較大提升了綜采工作面泵站系統(tǒng)的工作效率。

表3 一周內(nèi)綜采工作面泵站工頻、變頻控制系統(tǒng)用電量統(tǒng)計Table 3 Statistics of power frequency of pump station and power consumption of frequency conversion control system in fully mechanized mining face within one week

4 結(jié)語

綜采工作面乳化液泵站控制系統(tǒng)是集泵站、電磁卸載自動控制、PLC智能控制、變頻控制、多級過濾、乳化液自動配比、系統(tǒng)運行狀態(tài)記錄與上傳于一體的自動化設(shè)備，同時也是一套完整的綜采工作面供液系統(tǒng)解決方案。該套系統(tǒng)可以從源頭上提高工作面供液系統(tǒng)的可靠性，是集電磁卸載、泵站變頻控制、泵站智能聯(lián)動、多級過濾、乳化液自動配比、乳化液濃度檢測、液位實時監(jiān)測、急停閉鎖、系統(tǒng)運行信息檢測與上傳等功能，可實現(xiàn)全自動運行減少工序環(huán)節(jié)的目標。綜采工作面乳化液泵站控制系統(tǒng)是將泵站變頻控制與電磁卸載技術(shù)有機結(jié)合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，提高泵站的有效利用率，降低不必要的功率損耗和磨損；實現(xiàn)了系統(tǒng)壓力波動的最小化、系統(tǒng)瞬間供液最大化，實現(xiàn)工作面恒壓供液。實現(xiàn)乳化液泵的空載啟停，減少對電網(wǎng)和液壓系統(tǒng)的沖擊，延長泵站的使用壽命。故障診斷速度快、排除迅速，實時監(jiān)測各項數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析，可查詢階段時間內(nèi)的運行數(shù)據(jù)，綜采工作面泵站變頻控制系統(tǒng)在滿足泵站現(xiàn)場使用要求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了節(jié)能降耗、減少機械部件磨損、延長使用壽命，提升了乳化液泵站系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，提升了綜采工作面的自動化控制水平。