新型乳化液泵站控制系统的研究

新型乳化液泵站控制系统的研究冯广生，李文英（太原理工大学机械电子工程研究所，山西太原 030024）摘要本课题针对多泵、高压大流量乳化液泵站研发的乳化液泵站控制系统，具有运行状态在线监测、智能化自动控制、故障自诊断、故障信息储存、显示、故障报警和通讯等功能，大大减少了采煤工作过程中的故障停机时间，提高了生产效率。

该项目的完成，解决了我国煤矿井下乳化液泵站自动化控制与液压支架电液控制的配套问题，为煤矿快速大功率井下采煤设备完全自动化或自动化无人回采工作面的实现做出了我们的贡献。

关键词乳化液泵站，液压支架，可编程控制器，控制系统The Advanced Research of Control System forEmulsion Pump StationFeng Guang-sheng，Li W en-ying(Research Institute of Mechano-electronic Engineering T aiyuan University of T echnology,Shanxi 030024, China)Abstract：In this paper, an intelligent control system for multi-emulsion pump is designed. Basically the system has these functions: online detecting, intelligent controlling, fault diagnosing, fault information display and depositing, fault alarming, and communication etc. The completed of this project solves the problems between the emulsion pump and the hydraulic supports, and made a contribution to the coal mine’s automatization.Key Words：emulsion pump，hydraulic support，programmable logic controller，control system0、引言为了大幅度提高井工采煤的工作效率，近年来，综采工作面采煤机工作牵引速度从传统的4-6m/min提高到了每分钟十几米甚至20m/min以上，对于如此高的工作牵引速度，与其配套的设备，液压支架的推进（或跟进）速度必须相应提高，才能充分发挥采煤机的工作能力。

液压支架的跟进速度是随着采煤机的掘进速度而变化的，采煤机速度增加时，液压支架的跟进速度也快，反之，采煤机的掘进速度降低时，液压支架的跟进速度也必须降低，这样才能保证液压支架与采煤机的速度匹配。

液压支架的移架速度，主要由流量决定，相同时间内，流量增加，那么移架速度快，流量小，移架速度降低。

所以，控制移架速度的主要方法是如何合理地给液压支架供液，即采用一定的合理的控制策略对乳化液泵站进行控制。

1、液压支架的运动分析液压支架的移架运动主要由千斤顶和液压油缸等组成，在液压支架进行“升、降、推、移”的过程中，各油缸或千斤顶都要相应动作，而每一个油缸或千斤顶的运动都会受到外在负载的作用产生一定大小的力，这些力将通过液体传送到主管路中，从而可以通过监测主管路的压力知道当前支架的运动情况和受力情况。

以支撑掩护式支架的移架过程为例，一架支架的移架需要连续完成以下油缸或千斤顶的动作：前梁千斤顶，平衡千斤顶，立柱油缸，推移千斤顶，顶梁侧推千斤顶，掩护梁、后连杆侧推千斤顶，排头防滑千斤顶，排头调架千斤顶等。

各做功元件的特性曲线和立柱的受力特性曲线相似，说不同的是做功所用的时间不同，其中立柱的支撑过程所用的时间最长，为了研究方便，我们可以将其它的做功元件的特性合并到支柱的支撑工作特性曲线，如图1所示：在达到初撑力之前，由于主管路的液体通过阀直接作用在立柱中，所以主和管路的压力变化与支柱的受力情况相同，当达到初撑力时，阀位于中位，此时由于泵一直处于加载状态，主管路的压力将维持在初撑力的大小。

1－单台泵供液时，一架支架移架时，主管路的压力特性曲线为a ，压力达到初撑力所需时间为0t ;2－单台泵供液时，两架同时移架，主管路压力曲线为b ，压力达到初撑力所需时间为1t ，1t ＝20t ；3－单台泵供液时，三架同时移架，主管路压力曲线为c ，压力达到初撑力所需时间为2t ，2t ＝30t ;t PPP 1P 2000 图1主管路工作压力特性曲线Fig 1 Working characteristic curve of main pipe单台泵供液：当系统正常运行时，液压支架在不跟进的状态下，主管路的压力为系统的初撑力，并且由于泵站始终有一台泵供液，一旦发生支架跟进时，主管路的压力将迅速下降，然后随着支架移架动作的完成，压力将持续上升，此时，如果单台支架移架时，主管路的压力在0t 时间内上升到Pc 值；如果是两架移架时，主管路的压力在20t 时间内上升到Pc 值；如果是三架或三架以上支架同时移架时，主管路的压力将在30t 或30t 以上达到Pc 值。

由以上分析知，如果乳化液泵站系统仅仅由一台泵供液时，如果每次移动一架液压支架，那么其移架速度能够与采煤机的掘进速度相匹配，而随着支架跟进台数的增加，完成其跟进动作的时间将延长，其跟进速度也逐渐下降，从而不能很快地跟进采煤机的运行。

2、乳化液泵站设计我们所设计的乳化液泵站由4台乳化液泵组成，其中，三台泵供液，一台泵备用。

主要是考虑以下因素：由主管路压力特性曲线知，如果移动的支架数量和供液的乳化液泵的台数相同时，移架所用的时间最短，即为0t ；单台泵供液时移动一架支架的速度为L/0t ;两架同时移架时，如果两台泵供液，其移架速度为2L/0t ;三架同时移架时，如果三台泵供液，其移架速度为3L/0t ;经对采煤机的工作情况分析，3L/0t 这一速度已经能够满足大功率、大采高采煤机的掘进速度，因此根据所移动支架的数量对三台乳化液泵进行相应的加载或卸载，从而使其跟进速度满足采煤机的工作要求。

因此，在对乳化液泵站的控制中最重要的是如何知道当前正在移动的支架数量。

3、乳化液泵站控制方案Pc 由所选用的乳化液泵的额定压力决定，我们这里取31.5MPa 。

根据图1，因为系统中始终由一台泵处于加载状态，故当有支架移动时，可根据主管路压力的变化情况来判断当前移架数量。

具体判断如下：1－当t ＝0t 时，主管路的压力主P ＝31.5MPa ，这就说明当前是一台支架在运行，此时不需要对另外两台泵加载即可达到跟进要求。

2－当t ＝0t 时，主管路压力主P ＝15.5MPa ，说明当前是两台支架在运行，此时，需要再加载一台泵。

3－当t ＝0t 时，主管路的压力主P ＝10.5MPa ，可判断当前有三台支架投入使，此时需要另外加载两台泵，为避免加载带来的冲击，两台泵不能同时加载，加载要有一定的间隔时间1t 。

由以上根据主管路的压力信号判断当前运行的支架的台数，从而加载相应数量的乳化液泵，完成该组液压支架的跟进，此时加载的泵的数量一定，如果下一组的移架台数跟上一组的移架数量相同，那么就不需要再次考虑泵站的加载或卸载；如果下一组的移架数量与上一组的移架数量不同时，就需要再次考虑加载或卸载的乳化液泵的台数。

具体设置如下：1－如果上一组的移架数量为1，下一组支架移动时，主管路上的压力将由31.5MPa 迅速下降，此时开始重新计时，并再次检测t ＝0t 时的主管路压力主P 。

当主P ＝31.5MPa ，这就说明当前仍是一台支架在运行，此时不需要对另外两台泵加载；当主P ＝15.5MPa ，说明当前是两台支架在运行，此时，需要加载次优先泵；当 主P ＝10.5MPa ，可判断当前有三台支架投入使，此时需要另外加载次优先泵和第三优先泵，为避免加载带来的冲击，两台泵不能同时加载，加载要有一定的间隔时间1t 。

2－如果上一组的移架台数为2，对下一组的移架数量进行判断，然后只加载与当前移架支架数量相应的乳化液泵，下一组移架时，安装在主管路上的压力传感器监测到的压力将由31.5MPa 迅速下降，此时开始重新计时，并检测t ＝0t /2时的主管路压力主P 。

当主P ＝15.5MPa ，说明仍为两台支架在运行，不需要再次考虑泵站的加载或卸载；当主P ＝10.5MPa, 说明这一组移动的支架数量为三台，此时需要加载第三优先泵；当主P ＝31.5MPa, 说明这一组移动的支架数量为一台，此时需要卸载次优先泵。

3－如果上一组的移架台数为3，下一组支架移动时，主管路上的压力将由31.5MPa 迅速下降，此时开始重新计时，并检测t ＝0t /3时的主管路压力主P 。

当主P ＝10.5MPa ，说明仍为三台支架在运行，不需要再次考虑泵站的加载或卸载；当主P ＝15..5MPa, 说明这一组移动的支架数量为两台，此时需要卸载第三优先泵；当主P ＝31.5MPa, 说明这一组移动的支架数量为一台，此时需要卸载第三优先泵和次优先泵，卸载过程需要考虑间隔时间。

4、泵站卸载和停机设计当采煤机的掘进速度降低时，液压支架的跟进速度也降低，甚至为零，由于乳化液泵的加载，主管路的压力将维持在31.5MPa ，如果支架长时间停止运行，而乳化液泵一直处于加载状态，这样必然会对乳化液泵的使用寿命产生影响，同时乳化液泵长期带载运转，将消耗大量能源，考虑到以上问题，我们在程序中设置计时器，通过计算主管路压力在31.5MPa 的持续时间来卸载乳化液泵。

当t>T1时，次优先泵卸载并延时停机；当t>T2时，第三优先泵卸载并延时停机。

5、乳化液泵站自动监控系统设计乳化液泵站自动监控系统设计主要包括以下几部分：乳化液泵曲轴箱内润滑油油位监测：当曲轴箱内润滑油低于油位开关限定的最低油位时，传感器将低位信号传到分站控制器中，经过分站控制器判断，发送停机信号给该乳化液泵，使该泵停机，同时分站控制器声光报警，显示油位过低信息。

乳化液泵传动端箱体的贮油池内润滑油油温监测：当箱体油池内的润滑油油温超过最高油温时，信号将传递到分站控制器中，分站显示器显示油温过高的信息，同时声光报警，并发送停机信号，使泵的电机停止运转。

过滤器进出口压差监测：通过压差传感器检测管路高低压过滤器进出口两边压差，当压差超过设定置时，分站控制器发送停机信号使泵停机，同时在文本显示器显示该故障信息并声光报警。

乳化油油位监测：当乳化油油位低于设定值时，低油位传感器将信号发送给主控制器，主站控制器发送补油信号，开启补油泵和补油阀，同时主站显示器显示油位过低信息，当油位达到设定的高油位时，关闭补油阀。