文/趙志旗 白山坪礦業(yè)公司 羅楊波 廣州川齊公司

礦山乳化泵集中變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用應(yīng)用

文/趙志旗 白山坪礦業(yè)公司 羅楊波 廣州川齊公司

●引言

乳化液泵站是礦山井下作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，它的高效無故障運(yùn)行，是保障礦井正常生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保障礦工生命安全的重要手段。目前，我國礦山井下采用單體液壓支柱支護(hù)的作業(yè)區(qū)，均是采用專用乳化泵分散供液。這種配置形式存在如下問題：（1）由于泵站設(shè)置在靠近采掘工作面的地方，使用環(huán)境有瓦斯及其它有害易燃易爆氣體、煤塵或粉塵、淋水、滴水侵蝕等影響，對(duì)設(shè)備有嚴(yán)格的防爆、防塵、防潮等性能要求，處理不當(dāng)將嚴(yán)重影響礦山企業(yè)生產(chǎn)安全。并且設(shè)備使用空間受到限制，造成設(shè)備散熱困難，故障率高，維修困難，使用壽命短。（2）乳化液泵設(shè)置臺(tái)數(shù)多、投入大，司泵人員多、運(yùn)行成本高、管理難度大。（3）設(shè)備利用率低，電能消耗大。泵站的供液能力是按各作業(yè)點(diǎn)同時(shí)作業(yè)時(shí)所需的最大流量配置的，而井下各作業(yè)區(qū)使用乳化液為不連續(xù)作業(yè)方式，各作業(yè)點(diǎn)不同步，乳化泵按最大流量供液的幾率為零，為保證各作業(yè)點(diǎn)支護(hù)作業(yè)時(shí)及時(shí)供液，設(shè)備不得不長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，浪費(fèi)大量電能。（4）不能保證乳化液的質(zhì)量，影響乳化泵和液壓支柱的性能，縮短其使用壽命。液壓支柱是要求表面加工精度、密封性能非常高的設(shè)備，要求乳化液無雜質(zhì)、無硬質(zhì)顆粒、酸堿度正常、濃度在3%～8%。而井下由于受供水能力的限制，沒有合適的水源，往往是直接采用井下污水配置乳化液，井下污水中含有大量的雜質(zhì)和硬質(zhì)顆粒；由于沒有連續(xù)的計(jì)量裝置，不能準(zhǔn)確地按比例加入乳化劑來保證乳化液濃度，這樣就造成乳化泵和液壓支柱內(nèi)腔銹蝕，支柱表面劃傷、密封性能下降、承壓能力下降，縮短了設(shè)備的使用壽命，甚至發(fā)生生產(chǎn)安全事故。

因此，研發(fā)一種可以在地面集中控制、高效、節(jié)能、可靠的乳化泵集中自動(dòng)控制系統(tǒng)，是礦山安全生產(chǎn)的迫切需要，也是困擾了幾代礦山工程技術(shù)人員的難題。

●地面乳化液泵站集中自動(dòng)控制系統(tǒng)需要解決的主要問題

首先，解決礦井多個(gè)開采水平、多作業(yè)區(qū)條件下，供液管網(wǎng)的恒壓供液和管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)流速問題，保證各作業(yè)點(diǎn)、區(qū)液壓支柱的初撐力，保證安全生產(chǎn)。

其次，解決集中供液條件下，乳化液的濃度、用量自動(dòng)配置問題，保證乳化液質(zhì)量和用液終端按需供液。

第三，解決泵站在無人值守的條件下，泵組的自動(dòng)開停機(jī)問題，保障泵組節(jié)能運(yùn)行，節(jié)省值守人員，降低運(yùn)行成本。

●地面乳化液泵站集中控制系統(tǒng)的構(gòu)成

為了解決上述問題，我們?cè)诘V井井口附近安裝一套乳化泵站變頻自動(dòng)化控制系統(tǒng)（用2寸無縫管連接至使用點(diǎn)），整個(gè)系統(tǒng)由變頻調(diào)速單元、恒壓控制單元、自動(dòng)配液單元、智能控制單元等多個(gè)單元構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)如下圖所示：

整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）控制乳化液泵的起動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)，按現(xiàn)場(chǎng)所需的供液量自動(dòng)調(diào)節(jié)乳化泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓和節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)；（2）管網(wǎng)壓力自動(dòng)恒定功能：按現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，恒定管網(wǎng)壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)；（3）自動(dòng)配液功能：按現(xiàn)場(chǎng)乳化液濃度的要求，自動(dòng)配置乳化液；（4）自動(dòng)開停機(jī)功能：按現(xiàn)場(chǎng)乳化液使用的作業(yè)時(shí)間，自動(dòng)起動(dòng)和停止乳化液泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無人操作；（5）人機(jī)界面：用戶可在觸摸屏界面窗口，通過操作口令修改和設(shè)定管網(wǎng)壓力、開停機(jī)時(shí)間、開停機(jī)流量等參數(shù)。

●各單元功能的實(shí)現(xiàn)

變頻調(diào)速單元

乳化泵電機(jī)用變頻器控制，在供液管網(wǎng)上安裝有壓力傳感器。變頻器接收到PLC傳輸過來的開停機(jī)信號(hào)后，自動(dòng)起動(dòng)或停止乳化泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；運(yùn)行過程中接收到PLC傳輸過來的控制信號(hào)后，按信號(hào)量的大小，自動(dòng)調(diào)整輸出頻率，實(shí)現(xiàn)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能；同時(shí)在變頻器操作鍵盤上通過切換操作，顯示頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率等參數(shù)，顯示故障代碼、故障歷史記錄。

恒壓控制單元

供液管網(wǎng)采用壓力閉環(huán)控制，壓力變送器采集到的壓力信號(hào)，經(jīng)PLC中的CPU在線計(jì)算后，轉(zhuǎn)變?yōu)?—20mA的電流信號(hào)反饋值，輸入至變頻器的給定端，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，從而使被控系統(tǒng)液壓基本保持恒定。

自動(dòng)配液單元

自動(dòng)配液由PLC和流量電磁閥實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制柜上裝有PLC和PLC擴(kuò)展模塊，乳化油管和水管上分別裝有流量電磁閥，乳化箱上裝有液位傳感器和乳化液濃度傳感器。

液位傳感器采集到的乳化箱液位信號(hào)傳輸?shù)絇LC，PLC按設(shè)定的程序發(fā)出執(zhí)行信號(hào)。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定的最高位時(shí)，配液系統(tǒng)停止運(yùn)行；當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定的最低位時(shí)，配液系統(tǒng)投入運(yùn)行。

濃度傳感器采集到的乳化液的濃度信號(hào)傳輸?shù)絇LC，PLC程序根據(jù)用戶對(duì)乳化液濃度的要求，設(shè)定參數(shù)，自動(dòng)控制水流量和乳化液流量。

智能控制單元

智能控制由PLC和觸摸屏（人機(jī)界面）來實(shí)現(xiàn)。采用作業(yè)時(shí)間、用液量大小、恒定壓力進(jìn)行多重串級(jí)控制，以發(fā)揮最大節(jié)能功能，達(dá)到最好的節(jié)能效果。PLC是智能控制單元的中樞。其控制邏輯關(guān)系如下圖所示：

根據(jù)礦井支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)使用要求，在觸摸屏上將管網(wǎng)壓力參數(shù)、支護(hù)作業(yè)時(shí)間區(qū)段、最大用液量等參數(shù)輸入到PLC，PLC控制其它工作單元。需要進(jìn)行支護(hù)作業(yè)使用乳化液時(shí)，供液系統(tǒng)起動(dòng)；支護(hù)作業(yè)停止時(shí)，供液系統(tǒng)停止運(yùn)行。

觸摸屏上顯示運(yùn)行過程參數(shù)和已完成的智能化工作：顯示機(jī)房各臺(tái)設(shè)備運(yùn)行情況、完好情況、故障設(shè)備情況；顯示管網(wǎng)壓力、乳化液濃度；自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間；自動(dòng)統(tǒng)計(jì)機(jī)房用電量、用液量；自動(dòng)生成生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表、年報(bào)表，繪制管網(wǎng)壓力曲線。

●應(yīng)用效果

該系統(tǒng)從2006年7月在湖南煤業(yè)集團(tuán)白山坪礦業(yè)有限公司的白山坪礦、磨田礦、龍?zhí)恋V推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

1、設(shè)備投入成本降低60%以上，單機(jī)節(jié)電率30%以上，系統(tǒng)節(jié)電率70%以上，人工成本降低80%以上，維護(hù)成本降低90%以上。2009年與2005年相比，年節(jié)約電力成本、設(shè)備投入成本、設(shè)備維修（包括大修）、設(shè)備租賃成本、人工成本總計(jì)253.12萬元。

2、實(shí)現(xiàn)恒壓供液，解決了各作業(yè)區(qū)、作業(yè)點(diǎn)供液壓力不平衡的問題，保證了液壓支柱初撐力，保障了礦井工作面的有效支護(hù)。

3、自動(dòng)配液保證了乳化液濃度和質(zhì)量，解決了液壓支柱內(nèi)腔銹蝕、支柱表面劃傷、密封性能下降、承壓能力下降、支護(hù)失效的問題，延長了液壓支柱的使用壽命和支護(hù)質(zhì)量，避免了因支護(hù)失效發(fā)生人身傷害事故。

4、由于實(shí)現(xiàn)了乳化泵集中變頻自動(dòng)化控制，加上乳化泵安裝在井口，故不需專人操作。增加了乳化泵集中變頻設(shè)備的安全性，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境最優(yōu)化，達(dá)到了人機(jī)和諧的目的。

5、按需供液解決了乳化液嚴(yán)重浪費(fèi)的問題，節(jié)省乳化液50%以上。

6、乳化泵分散控制與集中控制應(yīng)用對(duì)比明顯，如下表所示：

乳化泵分散控制與集中控制應(yīng)用對(duì)比表

●結(jié)束語

乳化泵地面集中自動(dòng)控制系統(tǒng)，是礦山高效節(jié)能的系統(tǒng)集成裝備。使用一套地面乳化泵站變頻自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦井支護(hù)供液的全自動(dòng)運(yùn)行，有效地解決了原來分散供液存在的遠(yuǎn)距離恒壓供水問題，為用戶節(jié)省了大量的電費(fèi)、設(shè)備投入費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用。通過三年的運(yùn)行實(shí)踐證明，乳化泵地面集中自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有先進(jìn)的技術(shù)性能（故障少、設(shè)備運(yùn)行可靠、維修方便），良好的安全性能和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，目前該項(xiàng)成果已在湘煤集團(tuán)全面推廣。

趙志旗，工程師，現(xiàn)任白山坪礦業(yè)公司機(jī)電設(shè)備部部長，曾獲得湘煤集團(tuán)和白沙煤電集團(tuán)優(yōu)秀科技工作者稱號(hào)。

羅揚(yáng)波，工程師，廣州川齊自動(dòng)化系統(tǒng)集成有限公司總經(jīng)理。

兩位作者共同研究乳化液泵站集中自動(dòng)控制系統(tǒng)，同獲國家專利。