矿山乳化泵集中变频自动控制系统的研发与应用应用

文/赵志旗 白山坪矿业公司 罗杨波 广州川齐公司

矿山乳化泵集中变频自动控制系统的研发与应用应用

文/赵志旗 白山坪矿业公司 罗杨波 广州川齐公司

●引言

乳化液泵站是矿山井下作业的关键设备，它的高效无故障运行，是保障矿井正常生产、提高生产效率、保障矿工生命安全的重要手段。目前，我国矿山井下采用单体液压支柱支护的作业区，均是采用专用乳化泵分散供液。这种配置形式存在如下问题：（1）由于泵站设置在靠近采掘工作面的地方，使用环境有瓦斯及其它有害易燃易爆气体、煤尘或粉尘、淋水、滴水侵蚀等影响，对设备有严格的防爆、防尘、防潮等性能要求，处理不当将严重影响矿山企业生产安全。并且设备使用空间受到限制，造成设备散热困难，故障率高，维修困难，使用寿命短。（2）乳化液泵设置台数多、投入大，司泵人员多、运行成本高、管理难度大。（3）设备利用率低，电能消耗大。泵站的供液能力是按各作业点同时作业时所需的最大流量配置的，而井下各作业区使用乳化液为不连续作业方式，各作业点不同步，乳化泵按最大流量供液的几率为零，为保证各作业点支护作业时及时供液，设备不得不长时间连续运行，浪费大量电能。（4）不能保证乳化液的质量，影响乳化泵和液压支柱的性能，缩短其使用寿命。液压支柱是要求表面加工精度、密封性能非常高的设备，要求乳化液无杂质、无硬质颗粒、酸碱度正常、浓度在3%～8%。而井下由于受供水能力的限制，没有合适的水源，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杂质和硬质颗粒；由于没有连续的计量装置，不能准确地按比例加入乳化剂来保证乳化液浓度，这样就造成乳化泵和液压支柱内腔锈蚀，支柱表面划伤、密封性能下降、承压能力下降，缩短了设备的使用寿命，甚至发生生产安全事故。

因此，研发一种可以在地面集中控制、高效、节能、可靠的乳化泵集中自动控制系统，是矿山安全生产的迫切需要，也是困扰了几代矿山工程技术人员的难题。

●地面乳化液泵站集中自动控制系统需要解决的主要问题

首先，解决矿井多个开采水平、多作业区条件下，供液管网的恒压供液和管网的经济流速问题，保证各作业点、区液压支柱的初撑力，保证安全生产。

其次，解决集中供液条件下，乳化液的浓度、用量自动配置问题，保证乳化液质量和用液终端按需供液。

第三，解决泵站在无人值守的条件下，泵组的自动开停机问题，保障泵组节能运行，节省值守人员，降低运行成本。

●地面乳化液泵站集中控制系统的构成

为了解决上述问题，我们在矿井井口附近安装一套乳化泵站变频自动化控制系统（用2寸无缝管连接至使用点），整个系统由变频调速单元、恒压控制单元、自动配液单元、智能控制单元等多个单元构成。控制系统如下图所示：

整个控制系统实现如下功能：（1）控制乳化液泵的起动、运行、停机，按现场所需的供液量自动调节乳化泵的电机转速，实现恒压和节能运转；（2）管网压力自动恒定功能：按现场作业要求，恒定管网压力在设定的范围内；（3）自动配液功能：按现场乳化液浓度的要求，自动配置乳化液；（4）自动开停机功能：按现场乳化液使用的作业时间，自动起动和停止乳化液泵站的运转，实现无人操作；（5）人机界面：用户可在触摸屏界面窗口，通过操作口令修改和设定管网压力、开停机时间、开停机流量等参数。

●各单元功能的实现

变频调速单元

乳化泵电机用变频器控制，在供液管网上安装有压力传感器。变频器接收到PLC传输过来的开停机信号后，自动起动或停止乳化泵电机运转；运行过程中接收到PLC传输过来的控制信号后，按信号量的大小，自动调整输出频率，实现控制电动机转速的功能；同时在变频器操作键盘上通过切换操作，显示频率、电机转速、电流、电压、功率等参数，显示故障代码、故障历史记录。

恒压控制单元

供液管网采用压力闭环控制，压力变送器采集到的压力信号，经PLC中的CPU在线计算后，转变为4—20mA的电流信号反馈值，输入至变频器的给定端，控制变频器的输出频率，调节压缩机电机的转速，自动实现节能运行，从而使被控系统液压基本保持恒定。

自动配液单元

自动配液由PLC和流量电磁阀实现。自动控制柜上装有PLC和PLC扩展模块，乳化油管和水管上分别装有流量电磁阀，乳化箱上装有液位传感器和乳化液浓度传感器。

液位传感器采集到的乳化箱液位信号传输到PLC，PLC按设定的程序发出执行信号。当液位到达设定的最高位时，配液系统停止运行；当液位到达设定的最低位时，配液系统投入运行。

浓度传感器采集到的乳化液的浓度信号传输到PLC，PLC程序根据用户对乳化液浓度的要求，设定参数，自动控制水流量和乳化液流量。

智能控制单元

智能控制由PLC和触摸屏（人机界面）来实现。采用作业时间、用液量大小、恒定压力进行多重串级控制，以发挥最大节能功能，达到最好的节能效果。PLC是智能控制单元的中枢。其控制逻辑关系如下图所示：

根据矿井支护现场作业使用要求，在触摸屏上将管网压力参数、支护作业时间区段、最大用液量等参数输入到PLC，PLC控制其它工作单元。需要进行支护作业使用乳化液时，供液系统起动；支护作业停止时，供液系统停止运行。

触摸屏上显示运行过程参数和已完成的智能化工作：显示机房各台设备运行情况、完好情况、故障设备情况；显示管网压力、乳化液浓度；自动统计每台设备的运行时间；自动统计机房用电量、用液量；自动生成生产日报表、月报表、季报表、年报表，绘制管网压力曲线。

●应用效果

该系统从2006年7月在湖南煤业集团白山坪矿业有限公司的白山坪矿、磨田矿、龙塘矿推广应用，经济效益和社会效益十分显著。

1、设备投入成本降低60%以上，单机节电率30%以上，系统节电率70%以上，人工成本降低80%以上，维护成本降低90%以上。2009年与2005年相比，年节约电力成本、设备投入成本、设备维修（包括大修）、设备租赁成本、人工成本总计253.12万元。

2、实现恒压供液，解决了各作业区、作业点供液压力不平衡的问题，保证了液压支柱初撑力，保障了矿井工作面的有效支护。

3、自动配液保证了乳化液浓度和质量，解决了液压支柱内腔锈蚀、支柱表面划伤、密封性能下降、承压能力下降、支护失效的问题，延长了液压支柱的使用寿命和支护质量，避免了因支护失效发生人身伤害事故。

4、由于实现了乳化泵集中变频自动化控制，加上乳化泵安装在井口，故不需专人操作。增加了乳化泵集中变频设备的安全性，实现了环境最优化，达到了人机和谐的目的。

5、按需供液解决了乳化液严重浪费的问题，节省乳化液50%以上。

6、乳化泵分散控制与集中控制应用对比明显，如下表所示：

乳化泵分散控制与集中控制应用对比表

●结束语

乳化泵地面集中自动控制系统，是矿山高效节能的系统集成装备。使用一套地面乳化泵站变频自动化控制系统，实现了矿井支护供液的全自动运行，有效地解决了原来分散供液存在的远距离恒压供水问题，为用户节省了大量的电费、设备投入费用、运行费用、维护费用。通过三年的运行实践证明，乳化泵地面集中自动化控制系统具有先进的技术性能（故障少、设备运行可靠、维修方便），良好的安全性能和巨大的经济效益，目前该项成果已在湘煤集团全面推广。

赵志旗，工程师，现任白山坪矿业公司机电设备部部长，曾获得湘煤集团和白沙煤电集团优秀科技工作者称号。

罗扬波，工程师，广州川齐自动化系统集成有限公司总经理。

两位作者共同研究乳化液泵站集中自动控制系统，同获国家专利。