智能高端乳化液泵站控制系统的研究学位论文.docx

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智能高端乳化液泵站控制系统的研究学位论文

智能高端乳化液泵站控制系统的研究

摘要

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。

液压支架跟进速度的提高实质上是实现在相同时间内运行多台支架，这就需要液压支架的供液设备具备大流量供液的能力。

乳化液泵站作为液压支架的供液设备，目前，国内普遍采用一台泵供液，一台泵备用；对于高速采煤机则通过采用大流量泵供液的方式来满足液压支架的快速跟进；而对泵的启停和加载/卸载完全依靠人工经验式控制。

虽然大流量泵能提供液压支架快速跟进时所需流量，但是由于井下的特殊环境，大流量泵存在占地面积大和防爆困难等问题，因此很难在煤矿井下开展工作；另外，由于没有监测系统，很容易出现各种故障，不能为支架提供良好的供液环境。

经过课题组的艰苦工作和多方调研，在充分研究大量国内外有关文献资料的基础上，制定了多泵系统在线检测和自动控制初步方案，经过业内多名专家的广泛论证，最终确定了“智能型多泵乳化液泵站控制系统”的实施方案。

我们设计了“智能高端乳化液泵站控制系统”。

在泵站中采用四台乳化液泵供液代替现在普遍采用的大流量单泵或双泵供液形式；在控制量选取上提出利用液压系统主管路压力信号的变化反映液压支架跟进时所需乳化液流量的变化，通过采集到的主管路压力信号来调整各台泵的运行状态；在泵站的运行过程中采用优先级循环方式，避免了各台乳化液泵运行时间不同；同时，为了避免乳化液泵出现故障带病运行，我们设计了故障在线监控系统，对泵站在运行过程中出现的各种故障实时报警并采取相应控制措施。

在泵站的控制系统中，通过可编程控制器构成主从站集散式控制系统，整个控制系统由主站控制器进行集中控制，由各个分站进行相应的管理；主站控制器根据主管路压力的变化和当前各个从站的运行状态，由程序中设定的优先级顺序，对相应的从站控制器发送加载或卸载控制指令；从站控制器接收到控制指令后控制各自乳化液泵的启动、停止、加载、卸载以及故障监测等，然后再将当前的运行状态上传到主站控制器中。

主从站均设置有人机接口，通过人机接口操作人员可以设定相关参数和查阅各个泵的运行情况。

本课题针对多泵、高压大流量乳化液泵站研发的智能高端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

THERESEARCHOFINTELLIGENTCONTROLSYSTEMFOREMULSIONPUMPSTATION

ABSTRACT

Inrecentyears,thefullyautomationshearerisincreasingitsvelocityfrom4-6m/mininthepasttotensofmeterperminutenow,andevento30m/min.Tomatchthehighspeedoftheshearer,thefollowingspeedofthehydraulicsupportmustbeincreased,sothattheworkingcapabilityoftheshearercouldworksufficiently.Emulsionpumpisusedtosupplyingpowersourcetothehydraulicsupport;thepressureofthemainpipemustbeinfluencedwhenhydraulicsupportismovingwithhighspeed.Asamatteroffact,toboostingthespeedofthehydraulicsupportisjusttorunningseveralhydraulicsupportsatthesametime,inanotherword,anequipmentthatcansupplyagreatdealofemulsionisneeded.

Emulsionpumpstationistheequipmentusedtosupplyemulsionforthehydraulicsupport,atpresent,onepumpisusedtosupplyingemulsionandanotherisforstandby.Oncetheshearerthathaveahighspeedisselected,itisnecessarytochangealargeflowvolumepump,sothatthefollowingspeedofthehydraulicsupportscanmeetthemovingofshearerrunning.Duringtheperiodofrunning,itismainlyoperatedbyworkersaccordingtotheirexperienceandobservingresults,andthereisnotthedetectingsystemforfailure.Althoughitcanprovidemoreemulsionvolumetothehydraulicsupportbyalargepowerpump,itoccupiesbiggerchamberunderthecolliery.Inaddition,becauseofnodetectingequipment,itiseasiertoinducefailure.

Afterthehardworkingandresearchingoftheacademicgroup,wegotaprimaryschemeofonlinetestingandautomaticcontrolsystemformulti-pump.Finally,theintelligentcontrolsystemofmulti-pumpstationwasconcludedbymanyexpertswhoareskilledinthisfield.Inthisproject,weselectedfouremulsionpumpstoprovideflowsourceforthesupports,insteadofsingleordoublepumps.Forthecontrolobject,weusedthepressureofthemainpipetoreflectingtheflowvolumeofthesupport’srunning.Wealsodesignedtheonlinedetectingsystemforeliminatingthefailureofthepumpstation,oncethereisfaulthappenedthesystemwillalarmandadoptrelevantwaytosolvethefailureautomatically.Forthecontrolsystemofthepumpstation,adistributecontrolsystemisdesignedmainlybyprogrammablecontroller,allofthecontrollerscentralizedbythemainstation,thesub-stationistocompletethetaskseparately.Themaincontrollerisusedtosenddifferentinstructionstosub-controllersaccordingtothechangeofpressureinthemainpipe.Thesub-controllerisjustdonewhatthemaincontrollerassignedtothem.Atthesametime,thesub-controllerfeedsbackthestatusofeachpump.TheHIMisadoptedtosettingthespecificationandreadingtheinformationofeachcontroller.

Inthispaper,anintelligentcontrolsystemformulti-emulsionpumpisdesigned.Basicallythesystemhasthesefunctions:

onlinedetecting,intelligentcontrolling,faultdiagnosing,faultinformationdisplayanddepositing,faultalarming,andcommunicationetc.Thecompletedofthisprojectsolvestheproblemsbetweentheemulsionpumpandthehydraulicsupports,andmadeacontributiontothecoalmine’sautomatization.

KEYWORDS：

emulsionpump，hydraulicsupport，programmablelogiccontroller，controlsystem

第一章绪论

随着工业自动化的发展以及现代信息化技术在工业生产管理中的广泛应用，使得许多传统工业与现代化设备相结合的自动控制系统得到广泛的应用，本文以煤矿井下乳化液泵站为研究对象，应用西门子S7-200系列可编程控制器对乳化液泵站进行控制，从而代替了传统的人工对泵站的经验控制，降低了劳动强度，提高了生产效率。

1.1课题的来源及问题的提出

乳化液泵站（见图1-1）是煤矿井下作业的关键设备，它担负向煤矿综采工作面液压支架或普采工作面单体液压支柱输送高压乳化液，是液压支架的动力源，其工作状态的好坏直接影响液压支架的工作性能和使用效果，同时对井下工作的安全性起着至关重要的作用[1]。

图1－1乳化液泵站

Fig.1-1Emulsionpumpstation

综采工作面的液压支架之所以能够支撑顶板，并能实现推溜移架、调架护壁、侧护防倒、防滑等动作，都是乳化液泵供给的压力液体使各种液压缸以及千斤顶动作的结果。

另外在某些综采工作面，可弯曲刮板输送机的紧链液压马达、桥式转载机的固定与推移千斤顶以及工作面上、下出口处超前支护用的单体液压支柱等都是靠乳化液泵提供的高压乳化液工作的。

随着综采工作面采煤机的工作牵引速度不断提高，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。

液压支架在跟进过程中的“升、降、推、移”等动作是由乳化液泵站供给的压力液体推动各种液压缸来完成的，乳化液泵站的供液流量决定着支架的跟进速度，对于大采高、大吨位液压支架，在多架同时移动的情况下，需要增大流量，才能保证支架的快速跟进，维护工作面顶板的完整，确保生产安全，因此对乳化液泵站的要求越来越高。

解决液压支架快速跟进最关键的是要增大液压支架的供液量，虽然通过提高乳化液泵的功率能够满足大流量供液，但是由于煤矿井下作业空间和安全的限制，仅仅依靠采用大流量泵来解决液压支架快速跟进所需流量的方法很难实现。

由此可见，研制高压力、大流量，高可靠性，智能自动监测、自动控制、故障自诊断、故障自动处理等功能的乳化液泵站对煤矿采煤具有重要意义。

1.2国内外研究现状

世界各国，特别是发达国家都十分注重将高新技术与传统的工业技术相结合，不惜投入大量的人力、物力和财力对工业设备进行自动化管理，以达到更高的经济效益和管理效率。

由于煤矿恶劣的生产环境，国内外煤矿自动化的总体水平落后于其它行业，随着煤矿机械化的发展，煤矿自动化成为煤炭工业当前的研究热点之一[2][3][4]。

国外采掘机械都普遍采用了计算机控制，根据开采环境对采煤机、工作面运输及液压支架进行联合控制，从而实现了采煤作业（过程）的综合自动化。

通过计算机还可对设备进行工况检测和故障诊断，一般具有离线操作功能。

采煤机已由液压牵引发展到电牵引，由直流牵引发展到交流变频调速牵引。

采煤机装机功率向大容量发展，总装机功率已达到1500KW；一般采用多电机驱动。

工作面输送机向重型化、大运量、高寿命、高强度方面发展；大采高、大吨位液压支架实现了高压、大流量供液，使移架速度达到6~8s/架。

美国甚至提出要实现只有两个人操作的全自动采煤工作面。

先进采煤国在井下的主运输系统中，多采用胶带运输，辅助运输采用高速运输车、胶轮蓄电池牵引车及齿轨车、单轨吊等。

胶带运输采用晶闸管直流调速、交流变频调速。

采用计算机集中控制、保护及故障诊断，系统具有低速、断裂、跑偏、烟雾、煤位、急停、温度等多种保护，有的系统还设有工业电视监视。

在煤矿井下安全监控方面，国外已经研制出了以分布式微机为基础的第四代监控系统，该系统采用多传感器技术，应用智能专家控制系统，其稳定性和可靠性非常高，而且维护工作相对容易。

典型的有美国MSA公司的DAN6400系统和德国的Bebro公司的PROMDS系统。

在洗煤厂自动化方面，国外50年代中期研制出介质比重控制系统，60年代末研制出灰分、浓度自动控制系统、胶带输送机自动累计称重系统及核子称、智能浓度测定仪、料位仪等，实现了受煤系统、备煤系统、产品装车系统、浮选系统及干燥系统的自动化；80年代初装备了计算机专家系统，与不同种类的在线监测仪表相配套，实现了选煤厂自动化、最优化操作管理和产品化选择；最近，随着在线监测仪表的发展，自动化的操作已开始影响传统的洗选工艺流程。

在煤矿泵站控制系统中，国外发达国家已经研制出了采用单片机或可编程控制器构成的多泵供液控制系统，典型的公司有英国RMI公司、德国的SIEMENS公司和美国的JOY公司等。

国内在对乳化液泵站的控制过程中，仍然采用单泵或双泵定量供液系统，由人工根据现场液压支架的跟进速度，凭借经验决定支架的供液量，由于人为操作的局限性，再加上没有监测系统，所以乳化液泵站很容易发生各种故障。

我国在乳化液泵站自动控制方面的研究比较少，近年来，随着不断引进国外先进采煤设备和技术外，一些科研单位也在积极地开发具有自主知识产权的乳化液泵站控制系统，但是由于种种原因，目前还没有比较成熟的产品问世。

因此，本课题所研发的智能高端乳化液泵站控制系统对于解决我国煤矿井下乳化液泵站自动化控制系统中存在的各种问题具有积极的参考价值。

1.3智能高端乳化液泵站控制系统简介

本课题针对以上国内外发展现状，提出开发研制新型乳化液泵站控制系统，其主要目的是提高液压支架的跟进速度和支柱压力，同时确保泵站连续安全供液。

所设计的泵站控制系统由四台乳化液泵组成，通过可编程控制器构成主从站集散式控制系统，整个控制系统由主站控制器进行集中控制，由各个分站进行相应的管理；主站控制器根据主管路压力的变化和当前各个从站的运行状态，根据程序中设定的优先级循环顺序，对相应的从站控制器发送加载或卸载控制指令；从站控制器接收到控制指令后控制各自乳化液泵的启动、停止、加载、卸载以及故障监测等，然后再将当前的运行状态上传到主站控制器中。

主从站均设置有人机接口，通过人机接口操作人员可以设定相关参数和查阅各个泵站的运行情况。

主从站通过PPI网络协议进行通讯。

1.4本文工作及内容安排

1.4.1主要研究工作

（1）针对当前采煤机牵引速度的不断提高，为了确保液压支架的跟进速度，在对乳化液泵站的工作原理以及液压支架的运动特性进行分析之后，提出了采用多台小流量泵供液代替现在普遍采用的大流量单泵或双泵供液形式，并对泵站液压系统进行了设计。

（2）通过对目前各类自动控制系统进行仔细比较研究，我们最终采用了由可编程控制器组成的集散式控制系统对泵站进行控制。

（3）通过对乳化液泵站液压系统的深入研究，提出了利用主管路压力信号代替流量信号作为控制对象，根据主管路压力的大小反映液压支架所需流量的大小，经试验验证，压力信号能很好地反映液压支架所需的流量。

（4）为避免泵站中各泵运行时间不一致，提出了优先级循环的方法，确保每台泵的运行时间基本相等。

（5）针对人工泵站控制所带来的种种缺陷和不足，提出利用多种传感器对各个乳化液泵、乳化液液箱等进行实时监控，一旦发生故障，应立即报警，同时显示故障类型，必要时停止泵的运行。

（6）对乳化液泵站控制系统进行总体设计，完成了控制系统的硬件和软件设计。

1.4.2内容安排

第一章主要介绍了课题的来源及意义，并就乳化液泵站控制系统的研究现状进行了阐述，提出本课题的研究内容。

第二章介绍了液压支架和乳化液泵站液压系统的工作原理，液压支架与采煤机的工作特性和相互关系，基于此，提出采用多泵供液的方法。

同时给出了乳化液泵站主要参数的计算方法，并设计了乳化液泵站自动监控系统。

第三章对现有的控制理论进行分析，建立了泵站闭环反馈控制模型；对能够实现该模型的所有控制系统进行比较，最后提出采用可编程控制系统对泵站进行集散式控制，并论证了通过主管路压力信号反映液压支架所需流量大小的合理性。

第四章对乳化液泵站控制系统所需的硬件进行合理设计，包括可编程控制器的选型，传感器的选择，主从站控制面板的设计，以及针对煤矿井下的特殊要求设计了隔离电路等。

第五章根据课题要求，对乳化液泵站控制系统进行软件设计，包括根据主管路压力的变化进行加载/卸载、保证各个乳化液泵损耗相同的优先级循环、对系统在运行时的故障监控以及故障替换等程序的设计。

第六章对全文进行总结。

第二章乳化液泵站及相关设备设计

2.1引言

乳化液泵站是煤矿综采工作面的一项重要设备，它是液压支架的动力源，因此，在对乳化液泵站进行设计时，必须对液压支架及其工作特性进行深入研究。

2.2液压支架的工作特性

液压支架一般由架体、工作机构、液控系统及附件四大部分组成。

架体主要包括顶梁、前梁、掩护梁、连杆、底座和侧护板等构件；液控系统包括操纵阀、控制阀（液控单向阀与安全阀）、供液、回液软管等；附件包括防倒、防滑、防转等机构。

图2-1液压支架

Fig.2-1Hydraulicsupport

2.2.1液压支架的作用及分类

在煤炭生产的采煤工作面中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。

而液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，具有强度高、支护性能好、移架速度快、安全可靠等优点。

它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序，是技术上先进、经济上合理、安全上可靠的实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。

实践表明：

液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成的综合机械化采煤设备的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产有着重要的作用。

按液压支架在采煤工作面的安装位置来划分，分为端头液压支架和中间液压支架。

端头液压支架简称端头支架，安装在每个采煤工作面的两端；中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。

中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即：

支撑式、掩护式和支撑掩护式[5]。

1954年，英国研制出垛式支架，它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁构成，并且装备了世界上第一个由液压支架完成支护工作的综采工作面，把采煤工作面的支护技术推进到了一个新的阶段。

随后，世界各主要产煤国根据各自的具体条件不断研制和发展液压支架。

1958年，为克服垛式支架移架困难的问题，法国试验成功了采用“迈步式”结构的节式支架。

垛式支架和节式支架都属于支撑式液压支架，它利用立柱与顶梁直接支撑来控制采煤工作面的顶板，没有掩护梁。

它的优点是：

工作阻力较大，切顶性能好，支撑效率高，成本低。

缺点是：

立柱较多，垂直布置，承受水平力的能力差，顶梁较长，造成对顶板重复支撑，挡矸帘防止采空区冒落的碎岩窜入工作空间的能力差。

这种支架适合于稳定的坚硬顶板条件，早期应用较多，现己趋于淘汰。

图2-2支撑式液压支架示意图

Fig2-2Sketchmapofhydraulicsupport

为了克服支撑式支架不适合在破碎顶板下采煤的缺点，1961年前苏联研制成功了掩护式液压支架，其顶梁较短，顶梁与掩护梁铰支连接，防矸性能好。

但梁端的轨迹是圆弧状，支架升降过程中梁端距变化大，不利于顶板维护。

为此又研制出支架滑座和伸缩前梁等架型。

直到引入四连杆机构，实现了掩护式支架梁端轨迹近似为铅垂化，才从根本上解决了梁端距变动大和支架不能承受水平力的问题。

四连杆机构的掩护式液压支架的问世，是液压支架技术发展史上的一次飞跃，现在主要有两种架型：

直接撑顶型和间接撑顶型。

它的结构特征如下：

顶梁较短，靠平衡千斤顶来调节顶梁俯仰角，以适应不同的顶板；立柱较少，一般为单排，呈倾斜布置；掩护梁直接与冒落矸石相接触，靠其掩护作用来维护工作空间，因此调高范围大，适应煤层厚度变化的能力强；支撑合力靠近煤壁，能较好地维护新裸露的顶板。

由于顶梁短，对顶板的重复支撑次数也就少，支护强度较高；架间密封好、能有效地防止窜矸、漏矸；采用四连杆机构，支架抗侧向干扰能力大、稳定性好；立柱少且不承受水平力，因此移架速度快；重量轻，长度小，造价低，便于运输和安装。

如此众多的优点使掩护式液压支架成为破碎和不稳定顶板条件下使用的主要架型。

为克服掩护式支架支护能力相对较弱、切顶能力差、抗冲击能力低的缺点，日本于1964年研制出了支撑掩护式液压支架，并且发展成为稳定和坚硬顶板条件下的主要架型。

它集支撑式和掩护式二者的优点于一体，利用支撑和掩护双重作用来维护工作空间，因此通风断面大，工作阻力大，挡矸掩护性能好，采用四连杆机构可以承受较大的侧向力，适用范围较宽。

现在的支撑掩护式液压支架主要有双排立柱直接撑顶和间接撑顶两种结构型式。

随着液压支架技术的发展，液压支架的结构型式也在增多。

例如适合坚硬顶板下的短尾掩护梁支撑掩护式支架，适合厚煤层开采的分层铺网支架和放顶煤支架，适合薄煤层开采的立柱X型布置的液压支架等。

图2-3支撑掩护式液压支架示意图

Fig2-3Sketchdrawingofshieldhydraulicsupport

我国自19