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，對設(shè)備有嚴格的防爆、防塵、防潮等性能要求，處理不當將嚴重影響礦山企業(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)置臺數(shù)多、投入大，司泵人員多、運行成本高、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)點同時作業(yè)時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)點支護作業(yè)時及時供液，設(shè)備不得不長時間連續(xù)運行，浪費大量電能。（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)的計量裝置，不能準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控制系統(tǒng)需要解決的主要問題

首先，解決礦井多個開采水平、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)濟流速問題，保證各作業(yè)點、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，泵組的自動開停機問題，保障泵組節(jié)能運行，節(jié)省值守人員，降低運行成本。

●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，我們在礦井井口附近安裝一套乳化泵站變頻自動化控制系統(tǒng)（用2寸無縫管連接至使用點），整個系統(tǒng)由變頻調(diào)速單元、恒壓控制單元、自動配液單元、智能控制單元等多個單元構(gòu)成。控制系統(tǒng)如下圖所示：

整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)如下功能：（1）控制乳化液泵的起動、運行、停機，按現(xiàn)場所需的供液量自動調(diào)節(jié)乳化泵的電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓和節(jié)能運轉(zhuǎn)；（2）管網(wǎng)壓力自動恒定功能：按現(xiàn)場作業(yè)要求，恒定管網(wǎng)壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)；（3）自動配液功能：按現(xiàn)場乳化液濃度的要求，自動配置乳化液；（4）自動開停機功能：按現(xiàn)場乳化液使用的作業(yè)時間，自動起動和停止乳化液泵站的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)無人操作；（5）人機界面：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、開停機時間、開停機流量等參數(shù)。

●各單元功能的實現(xiàn)

變頻調(diào)速單元

乳化泵電機用變頻器控制，在供液管網(wǎng)上安裝有壓力傳感器。變頻器接收到PLC傳輸過來的開停機信號后，自動起動或停止乳化泵電機運轉(zhuǎn)；運行過程中接收到PLC傳輸過來的控制信號后，按信號量的大小，自動調(diào)整輸出頻率，實現(xiàn)控制電動機轉(zhuǎn)速的功能；同時在變頻器操作鍵盤上通過切換操作，顯示頻率、電機轉(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，經(jīng)PLC中的CPU在線計算后，轉(zhuǎn)變?yōu)?—20mA的電流信號反饋值，輸入至變頻器的給定端，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，自動實現(xiàn)節(jié)能運行，從而使被控系統(tǒng)液壓基本保持恒定。

自動配液單元

自動配液由PLC和流量電磁閥實現(xiàn)。自動控制柜上裝有PLC和PLC擴展模塊，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傳輸?shù)絇LC，PLC按設(shè)定的程序發(fā)出執(zhí)行信號。當液位到達設(shè)定的最高位時，配液系統(tǒng)停止運行；當液位到達設(shè)定的最低位時，配液系統(tǒng)投入運行。

濃度傳感器采集到的乳化液的濃度信號傳輸?shù)絇LC，PLC程序根據(jù)用戶對乳化液濃度的要求，設(shè)定參數(shù)，自動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（人機界面）來實現(xiàn)。采用作業(yè)時間、用液量大小、恒定壓力進行多重串級控制，以發(fā)揮最大節(jié)能功能，達到最好的節(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)礦井支護現(xiàn)場作業(yè)使用要求，在觸摸屏上將管網(wǎng)壓力參數(shù)、支護作業(yè)時間區(qū)段、最大用液量等參數(shù)輸入到PLC，PLC控制其它工作單元。需要進行支護作業(yè)使用乳化液時，供液系統(tǒng)起動；支護作業(yè)停止時，供液系統(tǒng)停止運行。

觸摸屏上顯示運行過程參數(shù)和已完成的智能化工作：顯示機房各臺設(shè)備運行情況、完好情況、故障設(shè)備情況；顯示管網(wǎng)壓力、乳化液濃度；自動統(tǒng)計每臺設(shè)備的運行時間；自動統(tǒng)計機房用電量、用液量；自動生成生產(chǎn)日報表、月報表、季報表、年報表，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)濟效益和社會效益十分顯著。

1、設(shè)備投入成本降低60%以上，單機節(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253.12萬元。

2、實現(xiàn)恒壓供液，解決了各作業(yè)區(qū)、作業(yè)點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。

3、自動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、支護失效的問題，延長了液壓支柱的使用壽命和支護質(zhì)量，避免了因支護失效發(fā)生人身傷害事故。

4、由于實現(xiàn)了乳化泵集中變頻自動化控制，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，實現(xiàn)了環(huán)境最優(yōu)化，達到了人機和諧的目的。

5、按需供液解決了乳化液嚴重浪費的問題，節(jié)省乳化液50%以上。

6、乳化泵分散控制與集中控制應(yīng)用對比明顯，如下表所示：

乳化泵分散控制與集中控制應(yīng)用對比表

●結(jié)束語

乳化泵地面集中自動控制系統(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化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井支護供液的全自動運行，有效地解決了原來分散供液存在的遠距離恒壓供水問題，為用戶節(jié)省了大量的電費、設(shè)備投入費用、運行費用、維護費用。通過三年的運行實踐證明，乳化泵地面集中自動化控制系統(tǒng)具有先進的技術(shù)性能（故障少、設(shè)備運行可靠、維修方便），良好的安全性能和巨大的經(jīng)濟效益，目前該項成果已在湘煤集團全面推廣。

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

羅揚波，工程師，廣州川齊自動化系統(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控制系統(tǒng)，同獲國家專利。