綜采工作面泵站變頻控制系統設計

曹哲哲

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

乳化液泵站是綜采工作面液壓支架的動力源，提供高壓乳液，保證液壓支架的支柱正常升降、快速支撐。隨著變頻技術的不斷發展，乳化泵站變頻器在泵站控制系統中得到廣泛應用，解決了傳統泵站控制系統存在的啟動電流大、啟動速度不穩、對機械設備沖擊嚴重以及耗能較高等問題。國內乳化液泵站控制系統一般采用工頻控制模式、電磁控制模式或者有限自動化控制模式，通過人工/自動操作電磁啟動器對乳化液泵進行啟動、停止控制，通過控制安全閥和機械卸載閥手動調整乳化液泵的壓力[1-2]，或者通過手動操作交替閥、蓄能器、高壓過濾器實現高壓液體的回路轉換，但是由于資金、使用環境等因素，目前國內乳化液泵站普遍還采用人工手動操作模式。國外乳化液泵站一般由4臺泵組成，針對不同的液壓支架，提供的乳化液注液量也不同，并采用集中-分散式控制系統實現乳化液箱的自動補液、自動配比以及檢測保護系統，保證乳化液泵站安全、穩定運行。現階段乳化液泵站控制系統存在供液壓力不穩定，系統壓力波動較大，設備頻繁操作時無法正常使用的問題；此外，節能效果差，采用工頻控制模式，當用液量降低時，電機還處于高速運行狀態，無法達到節能的目的；且機械設備使用壽命短，電動機工頻運行時，啟動電流對機械設備以及電網的沖擊較大，容易對機械構件造成損害，降低設備使用壽命。為此，基于變頻恒壓控制技術，通過變頻控制綜采工作面泵站，以期實現乳化液泵站安全、高效、穩定運行，延長設備使用壽命。

1 泵站變頻恒壓供液原理

綜采工作面乳化液泵站變頻恒壓供液原理框圖如圖1所示，控制對象為乳化液泵站液壓系統出口乳化液流量。壓力傳感器實時監測系統管路壓力，當實際監測到的管路壓力值小于“壓力給定值”時，計算壓力實際值與給定值的差值，通過控制算法分析需增加的變頻頻率。將分析得出的變頻器新運行頻率傳送給變頻器并驅動泵電機按照新給定的頻率運行，增加泵電機轉速，進而增加管路壓力。若管路壓力實際值還未達到“壓力給定值”，則重復上述過程直至管路壓力值等于“壓力給定值”。當實際檢測到的管路壓力值大于“壓力給定值”時，計算壓力差值并通過控制算法分析需減少的變頻頻率[3-4]。將新變頻器運行頻率傳送給變頻器并驅動泵電機運行，降低泵電機轉速，降低管路壓力，直至管路壓力實際值與“壓力設定值”相等，達到管路壓力與給定壓力自適應的目的，并節約電能損耗。

圖1 變頻恒壓供液原理框圖Fig.1 Principle of variable frequency constant pressure liquid supply

乳化液泵站變頻恒壓供液系統可靈活設置“壓力設定值”，動態、實時調整乳化液泵出口流量，避免“大馬拉小車”的現象，達到節能減排的目的[5-7]。同時，采用變頻驅動方案可避免啟動電流過大的現象，增加泵站機械部件的使用壽命。乳化液泵的特性公式可表示為

P=kHQ/η

(1)

式中，P為乳化液泵的輸出功率，kW；k為介質常數；H為乳化液泵站的揚程，m；Q為乳化液泵站的流量，m3/s；η為乳化泵的效率。乳化液泵站的P、H以及Q隨泵站電動機轉速的變化而變化，并遵循下列公式

Q2/Q1=n2/n1

(2)

P2/P1=(n2/n1)3

(3)

H=αQ2+Hj

(4)

式中，n為泵站電動機轉速，r/min；Hj為乳化液泵進水口、出水口的高度差，m；α為管路的阻力系數。變頻恒壓供液原理框圖中的控制算法采用PID實現，即對比采樣值與設定值，糾正偏差并達到最優[8]。PID控制算法基本公式為

error(t)=yd(t)-y(t)

(5)

(6)

式中,kp為比例系數；Ti為積分時間；Td為微分時間；error(t)為偏差信號；u(t)為輸出信號。變頻調速基本原理見下式。

(7)

式中，n為電動機實時轉速，r/min；f為電動機的驅動頻率，Hz；p為電動機的極對數；s為轉差率。

2 泵站變頻恒壓供液方案設計

2.1 總體設計

綜采工作面乳化液泵站變頻恒壓供液控制系統總體設計框圖如圖2所示，包含1臺變頻乳化液泵、3臺乳化液工頻泵，工頻泵為輔助備用，額定功率為355 kW。根據目標乳化液壓力，經壓力傳感器采集后將數據傳送至PLC控制器，經軟件濾波和邏輯處理后，自動計算出變頻乳化液泵的運行頻率以及需要啟動的工頻乳化液泵臺數[9-10]。當目標乳化液壓力改變時，PLC控制器動態調整變頻器輸出功率，進而調整變頻乳化液泵的運行頻率，最終完成對乳化液壓力的實時、動態調整。該變頻恒壓供液系統有手動、自動2種操作模式，由PLC軟件配合“手動/自動”按鈕實現無縫切換。

圖2 乳化液泵站變頻恒壓供液系統控制框圖Fig.2 Control of frequency conversion and constant pressure liquid supply system of emulsion pump station

2.2 硬件設計

選用的變頻器型號為ATV38，該變頻器額定輸出功率范圍為0.75～315 kW，配置有數字鍵盤，內置PID控制算法，可在線完成程序的修改、調整以及定制。該變頻器具有完善的保護功能，如短路、過流、過載、過熱、相不平衡、欠壓等，保證變頻器安全、穩定運行。當變頻器出現故障時，以故障代碼形式進行輸出，根據故障代碼查詢故障以及一般故障解決方案，能夠有效提升變頻器故障解決效率，縮短故障停機時間。在對該變頻器接線時，必須接地且將高壓、低壓信號分開[11-12]，避免對其他通信設備造成干擾。選用的壓力傳感器為礦用本質安全型，其型號為GPY-A，主要技術參數見表1。在使用該壓力傳感器前，需進行校驗和調整，即泵站管路壓力為0 MPa時，調整電壓輸出至1 V；管路壓力最大時，調整電壓輸出至10 V。該壓力傳感器的輸出信號為1～10 V電壓信號，經A/D模塊轉換后傳送給PLC控制器并完成邏輯處理流程。水位傳感器選用的型號為礦用本質安全性YPA-01，該水位傳感器的量程為0～2 m，供電電源為DC24V，輸出信號為0～5 V電壓信號，測量精度為0.2%FS，滿足系統使用需求。

表1 GPY-A礦用本安型壓力傳感器主要技術參數Table 1 Main technical parameters of GPY-A mine intrinsically safe pressure sensor

綜采工作面乳化液泵站變頻恒壓供液控制系統PLC控制系統根據總體設計擴展AI、AO、DI、DO模塊并完成I/O地址分配，詳見表2。該控制系統還設置有HMI顯示屏，方便調試并有利于操作者及時掌握該乳化液泵的運行狀態，使用CAN總線通信完成PLC控制器與HMI顯示屏的數據傳輸，采用CAN2.0B幀格式，波特率為250 kbps，使用CAN總線通信專用通信線纜。

表2 乳化液泵站變頻恒壓供液系統PLC控制器I/O地址分配Table 2 I/O address assignment of PLC controller for variable frequency and constant pressure liquid supply system of emulsion pump station

2.3 軟件設計

綜采工作面乳化液泵站變頻恒壓供液控制系統軟件部分采用ST語言并結合硬件I/O地址分配進行編寫，主控制流程框圖如圖3所示。PLC控制器采集4路壓力傳感器數據的周期為1 s，并連續采樣10次后求該路壓力傳感器壓力值的算術平均值pe(t)，與壓力分界值進行比較同時選擇工作模式[13-14]。當0

圖3 乳化液泵站變頻恒壓供液系統控制軟件主流程框圖Fig.3 The main process of the control software of the frequency conversion constant pressure liquid supply system of the emulsion pump station

3 使用效果

為驗證該變頻恒壓供液控制系統的正確性、實用性、有效性，設計并實現的綜采工作面泵站變頻控制系統在某煤礦進行工業性試驗，為期6個月。在試驗過程中，該控制系統能夠保證乳化液泵站安全、穩定、連續運行。同時對比并分析乳化液泵站工頻、變頻控制系統一周用電量數據，見表3。由表3數據可知，一周內泵站變頻工作模式用電量為8 519 kW·h，平均用電量為1 217 kW·h；一周內泵站工頻工作模式用電量為11 265 kW·h，平均用電量為1 609.3 kW·h，節電率為24%，節電效果明顯。采用變頻控制后，泵站補液系統實際運行功率因素由原來的不足0.7提高至0.9以上，較大提升了綜采工作面泵站系統的工作效率。

表3 一周內綜采工作面泵站工頻、變頻控制系統用電量統計Table 3 Statistics of power frequency of pump station and power consumption of frequency conversion control system in fully mechanized mining face within one week

4 結語

綜采工作面乳化液泵站控制系統是集泵站、電磁卸載自動控制、PLC智能控制、變頻控制、多級過濾、乳化液自動配比、系統運行狀態記錄與上傳于一體的自動化設備，同時也是一套完整的綜采工作面供液系統解決方案。該套系統可以從源頭上提高工作面供液系統的可靠性，是集電磁卸載、泵站變頻控制、泵站智能聯動、多級過濾、乳化液自動配比、乳化液濃度檢測、液位實時監測、急停閉鎖、系統運行信息檢測與上傳等功能，可實現全自動運行減少工序環節的目標。綜采工作面乳化液泵站控制系統是將泵站變頻控制與電磁卸載技術有機結合，充分發揮二者的優勢，提高泵站的有效利用率，降低不必要的功率損耗和磨損；實現了系統壓力波動的最小化、系統瞬間供液最大化，實現工作面恒壓供液。實現乳化液泵的空載啟停，減少對電網和液壓系統的沖擊，延長泵站的使用壽命。故障診斷速度快、排除迅速，實時監測各項數據并進行數據分析，可查詢階段時間內的運行數據，綜采工作面泵站變頻控制系統在滿足泵站現場使用要求的基礎上，實現了節能降耗、減少機械部件磨損、延長使用壽命，提升了乳化液泵站系統運行的安全性和穩定性，提升了綜采工作面的自動化控制水平。