基于PLC的綜采變頻調(diào)速恒壓供液自動控制系統(tǒng)研究

孫 勇

（中煤科工集團太原研究院，山西省太原市，030006）

基于PLC的綜采變頻調(diào)速恒壓供液自動控制系統(tǒng)研究

孫 勇

（中煤科工集團太原研究院，山西省太原市，030006）

由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，造成液壓支架在支護時所需供液壓力波動較大，進而導(dǎo)致乳化液泵經(jīng)常損壞和電機耗電量高等問題。本文研究的綜采工作面液壓支架恒壓供液自動控制系統(tǒng)能夠保證供液壓力的穩(wěn)定性，并有效節(jié)約電能，延長泵站的使用壽命，滿足煤礦對安全生產(chǎn)和節(jié)能的要求。

PLC 綜采工作面 恒壓供液 變頻調(diào)速

乳化液泵站是液壓支架的關(guān)鍵設(shè)備，是液壓支架的動力源，其工作狀態(tài)的好壞直接影響液壓支架的工作性能和使用效果。國內(nèi)在對乳化液泵站的控制過程中，對乳化液泵的啟、停幾乎完全依靠人工經(jīng)驗去控制，這種方法很難保證液壓支架快速跟進和供液壓力的穩(wěn)定，加上人為操作的局限性和沒有相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)常使乳化液泵站發(fā)生各種故障。基于PLC的綜采變頻調(diào)速恒壓供液系統(tǒng)采用了變頻傳動與PLC技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計，優(yōu)化了液壓系統(tǒng)的控制過程。控制系統(tǒng)實現(xiàn)的閉環(huán)控制保證了系統(tǒng)供液壓力穩(wěn)定，有效提高了支架的初撐力，大大降低了液路的壓力波動，提高了相關(guān)設(shè)備的壽命，同時大大地節(jié)約了電能，降低了能耗。

1 乳化液泵站的基本組成

乳化液泵站由乳化液泵組和乳化液箱兩大部分組成，并具有完善的控制、過濾及安全保護措施。乳化液泵組由電動機、聯(lián)軸器、乳化液泵組成。各部件之間彼此用管道相連，以完成向工作面液壓支架提供具有壓力和流量的工作液體。乳化液箱的作用是貯存、回收、過濾乳化液，并配有泵站正常運行所必須的壓力控制液壓系統(tǒng)。

2 恒壓供液自動控制系統(tǒng)設(shè)計

恒壓供液自動控制系統(tǒng)的基本設(shè)計思路是采用變頻器驅(qū)動電動機，在乳化液泵出口處設(shè)置壓力傳感器，由壓力傳感器對供液系統(tǒng)進行實時壓力監(jiān)測，并把實時壓力值傳給控制器，控制器通過把傳感器送來的數(shù)據(jù)和內(nèi)部預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)進行比較，判斷系統(tǒng)是否需要加壓或減壓，進而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，形成一個閉環(huán)控制。例如把系統(tǒng)的壓力（可調(diào)節(jié)）設(shè)定在30MPa（±1MPa），當(dāng)總進液管的系統(tǒng)壓力小于29MPa或大于31MPa時，控制器根據(jù)傳感器送來的壓力信號自動控制電動機轉(zhuǎn)速，使總管路加壓或減壓，從而使系統(tǒng)的壓力保持恒壓供液。

2.1 系統(tǒng)控制設(shè)計

乳化液泵站的控制采用負反饋控制理論和PID控制算法。對所要控制的泵站系統(tǒng)進行分析后，確定控制信號中的被控量為液壓支架工作時所需壓力，控制系統(tǒng)的目標(biāo)值為主管路壓力，被控對象為乳化液泵，控制裝置為可編程控制器和變頻器。將所需壓力與主管路壓力進行比較，得到壓力偏差，通過可編程控制器控制變頻器開啟乳化液泵，最后使主管路的流量滿足液壓支架跟進所需的流量，使主管路中的壓力恒定不變。乳化液泵站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 乳化液泵站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

恒壓供液自動控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、乳化液泵、壓力傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用1臺變頻器拖動1臺電動機啟動、運行與調(diào)速，2臺泵一用一備，采用循環(huán)使用的方式運行。正常情況下，常用電機投入運行，實現(xiàn)恒壓供液。若常用電機由于某種原因（如意外故障、檢修等）停止工作，則備用電機自動投入運行。恒壓供液自動控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

壓力傳感器采樣管網(wǎng)出口壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給可編程控制器的PID模塊，可編程控制器的PID模塊根據(jù)這兩個信號進行計算后發(fā)出指令，及時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。此外運用編程軟件設(shè)計一個用于供液系統(tǒng)壓力控制的控制模塊，該控制模塊對壓力給定值與測量值的偏差進行處理，實時控制變頻器的輸出電壓和頻率，用來改變電動機的轉(zhuǎn)速進而改變出液口流量，實現(xiàn)供液壓力的自動調(diào)節(jié)，使供液壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。恒壓供液自動控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的S7－200型PLC作為控制中心，用PLC去控制變頻器來達到液壓的穩(wěn)定效果。軟件編制如下：

（1）壓力傳感器。采集管網(wǎng)的液體壓力給PLC傳回電壓或電流信號（0～10V或4～20 mA）；

（2）開關(guān)。控制變頻器的啟、停；

（3）圖形顯示器（TD200）。人機界面顯示各種工況以及運行狀況。

當(dāng)啟動開關(guān)按下時變頻器運行，程序根據(jù)壓力傳感器反饋的數(shù)據(jù)通過PLC輸出一個電壓或電流信號（0～10V或4～20mA）給變頻器，該電壓或電流信號控制變頻器的輸出功率，使電機增速或減速從而達到調(diào)壓的目的。如果停止按鈕按下時，PLC會給變頻器一個停止信號，則乳化液泵停運。恒壓供液自動控制系統(tǒng)程序壓力監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 恒壓供液自動控制系統(tǒng)壓力監(jiān)測系統(tǒng)框圖

3 結(jié)語

針對當(dāng)前乳化液泵站供液存在的問題，設(shè)計了綜采工作面液壓支架恒壓供液自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)既實現(xiàn)了乳化液泵站自動控制恒壓供液，又可以有效地節(jié)約電能。由于使用的變頻器電動機起動和加速平穩(wěn)，一方面減少了電機起動時對電網(wǎng)的沖擊，另一方面也減少了電機起動時對乳化液泵的機械沖擊，延長了乳化液泵站的使用壽命，降低了事故率和維護量，滿足了煤礦安全生產(chǎn)和節(jié)能的要求。

［1］ 《綜采技術(shù)手冊》編委會.綜采技術(shù)手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000

［2］ 賈有生.新型乳化液泵控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國煤炭，2009（1）

［3］ 田建輝.PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)實例分析［J］.給水排水，2000（8）

［4］ 廖常初.PLC編程及應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005

［5］ 侯水云，劉玉彬.液壓支架工［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005

Research on constant pressure fluid feeding system with speed regulation by frequency conversion based on PLC for fully mechanized working face

Sun Yong
（Taiyuan Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

Complex geological structure leads to obvious fluctuation of fluid feeding pressure required for hydraulic supports，which eventually causes frequent breakdown of emulsion pump and high energy consumption of motor.The fluid feeding system under constant pressure discussed in this paper could ensure the consistency of fluid feeding，reduce the electrical energy consumption and prolong the life of pump station，meeting the requirements for safe production and energy conversation.

PLC，fully mechanized working face，fluid feeding under constant pressure，speed regulation by frequency conversion

TD409

A

孫勇（1983－），男，遼寧大連人，碩士，助理工程師，2009年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)電機與電器專業(yè)，現(xiàn)在中煤科工集團太原研究院特種車輛研發(fā)中心工作，主要從事煤礦特種車輛電氣自動化研究和開發(fā)工作。

（責(zé)任編輯 路 強）