液壓支架乳化液泵站智能控制系統的應用研究

原 鋮

（晉能控股煤業集團王家嶺煤業，山西 忻州 036600）

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

1 原乳化液泵站的應用情況及問題分析

晉能控股煤業集團王家嶺煤礦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，電機功率≥500 kW，單泵蓄能器容量≥25 L，潤滑方式為潤滑式油泵強制潤滑。

從18104 和18106 綜采工作面的生產過程可知，液壓支架原乳化液泵站系統自動化和智能化水平不夠，無法適應當前煤礦智能化開采要求。主要表現為：（1）工作面開采安全問題頻發。原乳化液泵站工作過程中常出現有流量不夠、不穩定、壓力不恒定、故障多、維修量大等問題，進而影響到液壓支架、刮板輸送機等設備的正常工作，安全隱患較大，煤礦生產無安全保障。（2）原乳化液泵站運行能耗較大。經計算可知，該煤礦兩套原乳化液泵站系統單臺電機工作的用電量約為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的構建

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

2.1 基于PLC 的集中式泵站控制系統

集中控制式泵站智能控制系統主要由礦用隔爆兼本安型PLC 可編程控制柜、礦用本質安全型操作臺、礦用隔爆兼本質安全型交流變頻器、監控主機、礦用本質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，能夠采集泵站系統的油壓、油位等開關量信號，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定值進行比較。如果采集到的值超限，則控制柜會發出相關的控制信號，對泵站系統進行保護，以達到對設備或是對操作人員的保護。控制柜內部采用PLC 為控制核心，并組合了相關的數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停控制、泵站卸荷閥的控制，以實現對整個泵站的控制。

2.2 基于泵站控制器的集中分布式泵站控制系統

泵站控制器是分布式泵站控制系統的核心部件。泵站控制器主要用來進行泵站的啟停控制、傳感器數據采集和數據通信，由供液工作面泵站控制器使用連接器互連形成通信網絡系統，實現集成供液系統數據傳輸。泵站控制器采用ARM7CPU 為核心，通過按鍵電路、顯示電路、采集電路和執行電路實現相應的功能。每臺泵站、液箱都配有獨立泵站控制器，控制器獨立控制設備的運行，并接受命令進行動作。

3 SAP 綜采乳化液泵站智能控制關鍵技術分析

3.1 智能控制技術建模

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

SAP 泵站智能控制系統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的執行機構—液壓支架的工作狀態為需求終端，建立在以液壓支架設計參數、采煤機牽引速度等為邊界條件，以液壓支架流量需求函數為依據，以執行元件快速響應為特征的基礎上，建立在通過與電液控制系統的互聯互通，從而達到預知預判，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上的。

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

液壓支架流量需求函數Qb可以用下式表示：

式中：k1為移架數量；k2為泵站到支架管路泄漏損失系數，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與液壓支架電液控制系統無縫對接，實現信息的互聯互通。液壓支架電液控制系統在執行動作功能之前，將控制信息傳達給集成供液系統，實現工作面用液需求的預知預判和及時響應。SAP 型泵站智能控制系統在獲得流量需求函數Qb后，通過流量恒壓反饋法，轉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 變頻與電磁卸荷聯動智能控制

智能控制系統和電磁卸荷閥的結合使用實現了多泵站的智能聯動，通過設置主、次、輔、備多泵站編組和不同泵站不同調定壓力的辦法，實現多泵站的智能聯動和功率匹配。系統根據壓力檢測和電磁卸荷閥狀態智能判斷工作面用液情況，并通過主泵變頻調速達到變量控制，從而實現多泵站基于負載的智能啟停和卸載，有效控制泵站系統時間，發揮各自最大效率。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，同時結合用液判斷，及時實現泵站、備用泵站和富余泵站的停機，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測，當乳化液濃度不滿足用液質量要求時，通過乳化液自動配比器和校正機構，自動調整乳化油和水的配比參數，達到液箱內乳化液濃度的動態平衡過程。乳化液智能配比控制核心設備是乳化液自動配比器和高精度濃度傳感器。在進水環節增加過濾、穩壓措施，確保自動配比系統的穩定、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中加入過濾減壓裝置。在穩定水壓的同時對自動配比用水進行高精度過濾，保證乳化液配比用水的清潔、穩定。同時使用增壓泵為乳化液自動配比系統供水用來適應水壓波動大的問題。

3.4 工作面爆管保護智能控制

煤礦綜采工作面液壓系統一旦出現故障，如安全閥噴液、液壓管路破裂和設備危及工作人員安全時，需要立刻瞬間停泵。現有技術中采用的都是由泵站工作人員現場拉閘停電，由于處理時間長，液壓和電網沖擊大，特別是管路和儲能器中的高壓液體由于沒有卸壓，仍然會發生二次事故，嚴重危害安全生產。為了解決供液系統技術難題，SAP 泵站控制系統獨創以關儲卸壓閥為核心的工作面爆管保護控制技術。該技術以主管路流量、壓力傳感器的實施監測信號為基準，當主管路流量、壓力同時迅速降低時，監控主機通過電信號以電磁先導控制技術為手段，控制關儲卸壓閥，從而實現關儲、卸壓和停泵可以在瞬間完成，避免了故障的延續與擴大，確保安全生產，實現泵站的失壓保護和安全停機，同時也避免了管路振動和儲能器中能量的損耗，達到了節能的效果。

3.5 泵站供電及越級保護智能控制技術

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，使泵站實現空載啟動，從而降低啟動電流，減小對工作面供電系統的沖擊。在工作面生產過程中，泵站智能控制系統通過工作面反饋的信息，如果監測到工作面設備故障，出現緊急情況，集控中心根據事先預定的原則，對供電系統實施越級保護。

3.6 泵站智能故障診斷系統

SAP 型泵站控制系統設置有一套傳感器監測單元，通過將泵站系統的油溫、油位，油壓系統壓力、液位傳感器等信號接入到核心控制模塊，實時檢測泵站系統運行狀態。通過監控主機的邏輯判斷，在泵站系統運行狀態出現異常時，以聲光、動態顯示為手段進行預警，在地面與井下同時提示工人與管理人員進行系統維護。當設備運行狀態達到系統故障臨界值時，系統瞬間停機保護泵站系統并告知故障信息與解決方案，以避免故障的延續與擴大，確保安全生產，從而減少設備不必要的損失。

4 應用效果分析

王家嶺煤礦18104 和18106 綜采工作面采用SAP 綜采智能乳化液泵站系統，建立了基于工作面用液需求的智能供液控制決策系統，系統自動化和智能化明顯提高，適應該煤礦智能化開采的要求，系統實現恒壓控制，供液壓力穩定。SAP 綜采智能乳化液泵站應用后，經計算兩套系統每年可節省電量約為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，兩套系統每年一共可產生經濟效益約50 萬元。SAP 綜采智能乳化液泵站應用后，保證了設備的安全穩定運行，為實現王家嶺煤礦高產高效安全開采奠定了基礎。