礦山乳化泵集中變頻自動控制系統的研發與應用應用

文/趙志旗 白山坪礦業公司 羅楊波 廣州川齊公司

礦山乳化泵集中變頻自動控制系統的研發與應用應用

文/趙志旗 白山坪礦業公司 羅楊波 廣州川齊公司

●引言

乳化液泵站是礦山井下作業的關鍵設備，它的高效無故障運行，是保障礦井正常生產、提高生產效率、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區，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）由于泵站設置在靠近采掘工作面的地方，使用環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生產安全。并且設備使用空間受到限制，造成設備散熱困難，故障率高，維修困難，使用壽命短。（2）乳化液泵設置臺數多、投入大，司泵人員多、運行成本高、管理難度大。（3）設備利用率低，電能消耗大。泵站的供液能力是按各作業點同時作業時所需的最大流量配置的，而井下各作業區使用乳化液為不連續作業方式，各作業點不同步，乳化泵按最大流量供液的幾率為零，為保證各作業點支護作業時及時供液，設備不得不長時間連續運行，浪費大量電能。（4）不能保證乳化液的質量，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備，要求乳化液無雜質、無硬質顆粒、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和硬質顆粒；由于沒有連續的計量裝置，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，縮短了設備的使用壽命，甚至發生生產安全事故。

因此，研發一種可以在地面集中控制、高效、節能、可靠的乳化泵集中自動控制系統，是礦山安全生產的迫切需要，也是困擾了幾代礦山工程技術人員的難題。

●地面乳化液泵站集中自動控制系統需要解決的主要問題

首先，解決礦井多個開采水平、多作業區條件下，供液管網的恒壓供液和管網的經濟流速問題，保證各作業點、區液壓支柱的初撐力，保證安全生產。

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，保障泵組節能運行，節省值守人員，降低運行成本。

●地面乳化液泵站集中控制系統的構成

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（用2寸無縫管連接至使用點），整個系統由變頻調速單元、恒壓控制單元、自動配液單元、智能控制單元等多個單元構成。控制系統如下圖所示：

整個控制系統實現如下功能：（1）控制乳化液泵的起動、運行、停機，按現場所需的供液量自動調節乳化泵的電機轉速，實現恒壓和節能運轉；（2）管網壓力自動恒定功能：按現場作業要求，恒定管網壓力在設定的范圍內；（3）自動配液功能：按現場乳化液濃度的要求，自動配置乳化液；（4）自動開停機功能：按現場乳化液使用的作業時間，自動起動和停止乳化液泵站的運轉，實現無人操作；（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定管網壓力、開停機時間、開停機流量等參數。

●各單元功能的實現

變頻調速單元

乳化泵電機用變頻器控制，在供液管網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；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，自動調整輸出頻率，實現控制電動機轉速的功能；同時在變頻器操作鍵盤上通過切換操作，顯示頻率、電機轉速、電流、電壓、功率等參數，顯示故障代碼、故障歷史記錄。

恒壓控制單元

供液管網采用壓力閉環控制，壓力變送器采集到的壓力信號，經PLC中的CPU在線計算后，轉變為4—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，調節壓縮機電機的轉速，自動實現節能運行，從而使被控系統液壓基本保持恒定。

自動配液單元

自動配液由PLC和流量電磁閥實現。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到PLC，PLC按設定的程序發出執行信號。當液位到達設定的最高位時，配液系統停止運行；當液位到達設定的最低位時，配液系統投入運行。

濃度傳感器采集到的乳化液的濃度信號傳輸到PLC，PLC程序根據用戶對乳化液濃度的要求，設定參數，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。采用作業時間、用液量大小、恒定壓力進行多重串級控制，以發揮最大節能功能，達到最好的節能效果。PLC是智能控制單元的中樞。其控制邏輯關系如下圖所示：

根據礦井支護現場作業使用要求，在觸摸屏上將管網壓力參數、支護作業時間區段、最大用液量等參數輸入到PLC，PLC控制其它工作單元。需要進行支護作業使用乳化液時，供液系統起動；支護作業停止時，供液系統停止運行。

觸摸屏上顯示運行過程參數和已完成的智能化工作：顯示機房各臺設備運行情況、完好情況、故障設備情況；顯示管網壓力、乳化液濃度；自動統計每臺設備的運行時間；自動統計機房用電量、用液量；自動生成生產日報表、月報表、季報表、年報表，繪制管網壓力曲線。

●應用效果

該系統從2006年7月在湖南煤業集團白山坪礦業有限公司的白山坪礦、磨田礦、龍塘礦推廣應用，經濟效益和社會效益十分顯著。

1、設備投入成本降低60%以上，單機節電率30%以上，系統節電率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，年節約電力成本、設備投入成本、設備維修（包括大修）、設備租賃成本、人工成本總計253.12萬元。

2、實現恒壓供液，解決了各作業區、作業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量，解決了液壓支柱內腔銹蝕、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量，避免了因支護失效發生人身傷害事故。

4、由于實現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備的安全性，實現了環境最優化，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，節省乳化液50%以上。

6、乳化泵分散控制與集中控制應用對比明顯，如下表所示：

乳化泵分散控制與集中控制應用對比表

●結束語

乳化泵地面集中自動控制系統，是礦山高效節能的系統集成裝備。使用一套地面乳化泵站變頻自動化控制系統，實現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，為用戶節省了大量的電費、設備投入費用、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具有先進的技術性能（故障少、設備運行可靠、維修方便），良好的安全性能和巨大的經濟效益，目前該項成果已在湘煤集團全面推廣。

趙志旗，工程師，現任白山坪礦業公司機電設備部部長，曾獲得湘煤集團和白沙煤電集團優秀科技工作者稱號。

羅揚波，工程師，廣州川齊自動化系統集成有限公司總經理。

兩位作者共同研究乳化液泵站集中自動控制系統，同獲國家專利。