多泵乳化液泵站的控制策略与控制算法

0．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（追机）速度必须相应提高，以确保对裸露顶板的及时支护，保证工作面设备和人员的安全，充分发挥采煤机的工作能力。液压支架的追机速度要随着采煤机的工作牵引速度而变化，采煤机工作牵引速度增加时，液压支架的跟进速度快，采煤机工作牵引速度降低，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相匹配。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，移架速度快；流量小，移架速度降低。位于工作面顺槽内的移动乳化液泵站为液压支架提供动力，乳化液泵站主管路与工作面依次排列的液压支架相并联。1．液压支架的工作特点1）几个基本概念（1）移架时间是指单台液压支架在采煤机截割过后从原工作位置移至新位置所花费的时间。移架时间是由乳化液流量、支架吨位（实际上是指液压缸的数量、内径和工作行程）以及操作工的熟练程度（电液控制液压支架不考虑此项）所组成。单台液压支架从原工作位置移动到新工作位置需要完成不同的动作，一般有四个主要动作和一些辅助动作构成，四个主要动作分别为“降架”、“移架”、“升架”和“推溜（推移刮板输送机）”；辅助动作一般有前梁的升降、防偏帮以及侧护板的收放等等，单台液压支架的移动方向与工作面长度方向垂直，移动距离等于采煤机的截深。液压支架稳定安全完成这些动作所耗费的时间一般应在10秒钟左右，支架移动过快，会对设备和人员构成威胁。（2）移架速度移架速度又称追机速度，是综采工作面设备的配套参数，是指单位时间内移动到位的液压支架沿工作面长度方向的长度，与单台液压支架的移动方向垂直。配套选型时，要求移架速度大于采煤机的工作牵引速度。移架速度的大小等于单台液压支架的宽度除以移架时间的商。例如移架时间为10秒，按照液压支架宽度系列1.5米或2.0米计算，则在自动控制条件下，工作面液压支架的移架（追机）速度为9m/min或12m/min，若需要提高移架速度，则应该两架或三架成组运行，或单架、两架、三架分时运行，以确保追机速度与采煤机工作速度相匹配。（3）基本要求移架速度需要变化时，工作介质-乳化液的流量改变是前提，在单台液压支架移动时间不变的前提下，乳化液流量变化必须与支架成组运行相适应；液压支架的吨位较大，液压缸的直径可达300mm以上，要提高液压支架的移架速度，首先要保证移架时间不能过长，因此乳化液泵站所提供的最小流量必须足够大；单个支架的移架时间不能过短，即支架移动速度不能过快。因为大吨位液压支架的重量一般都在20吨以上，过快地移动速度会给设备造成冲击，损坏设备，过快地移动速度也会给现场工作人员的人身安全构成威胁。2.满足基本要求的乳化液泵站（1）单泵大流量变量乳化液泵作为液压支架的动力源，对于供液流量超过1000L/min、压力为32MPa的乳化液泵，其驱动功率达600kW左右。至少有以下几个方面的弊端和技术难点：1）泵站的几何尺寸和重量过大，搬运移动困难，巷道的通风阻力加大，风速过高；2）由于单台液压支架运行时移动速度不允许过快，乳化液泵的变量机构的实现存在一定的技术困难；3）低移架速度和待机时，如此大的电动机空载运行和低负荷运行必然造成电力浪费，不符合节能要求。通过以上分析，采用单泵乳化液泵站供液的方案是不可行的。（2）使用多泵乳化液泵站配以科学的控制策略和控制算法，作为高工作牵引速度采煤机的配套设备，为一科学合理的选择。首先，多泵系统可以充分满足支架成组运行的要求，即单台支架运行时，采用一台泵供液，两台支架运行两台泵供液，依次类推，按照当前采煤机的生产技术水平所能达到的工作牵引速度，最多使用四台泵组成的泵站即可满足要求。多泵泵站除了需要比较复杂的控制系统之外，单泵的机械结构不需要进行大的变动即可构成新的多泵系统。3、多泵乳化液泵站的控制策略与控制算法（1）液压支架的工作特性设单台泵供液泵站卸荷阀调定压力为pc，流量QⅠ，下面我们仅以支架升架支撑过程中的压力特性曲线的形状（特定时间点的压力）来判断工作面液压支架工作情况。液压支架可以单架运行（支架工作特性曲线如图1所示），图中所示曲线可以明显分成三个阶段，0—t0为初撑增阻阶段，压力Pc为泵站卸荷阀调定压力；t0—t1为增阻阶段，Pa为立柱下腔安全阀的调定压力，t1之后为随顶板不断下沉安全阀不断开闭的恒阻阶段。液压支架也可以两架、三架隔架成组运行。由于乳化液泵为定量泵，成组运行时，其支架移动速度会相应降低，即移架时间成倍提高。我们将单架、两架、三架运行压力特性曲线初撑增阻阶段的特性曲线绘制在同一图形中（如图2所示）。由图2可知，单台泵供液，一架单独移架时，主管路初撑增阻阶段的压力特性曲线为a，初撑过程所需时间为0t;两架同时移架，主管路压力特性曲线为b，初撑过程所需时间为1t，1t＝20t；三架同时移架，主管路压力曲线为c，初撑过程所需时间为2t，2t＝30t;t0ppppt0t1tPPcP1P2t0t2abct1图1.液压支架的工作特性曲线图2初撑增阻阶段主管路压力特性曲线单台泵供液，当系统正常运行时，液压支架在不跟进的状态下，泵站始终有一台泵工作，一旦支架跟进时，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，也即在0t时刻两架升架时压力为P1，三架升架时压力为P2。通过以上分析可知，采用某时刻的压力值作为判断工作面同时运行的支架数量。如果乳化液泵站系统仅仅由一台泵供液时，每次移动一架液压支架，移架速度能够与采煤机的某一工作牵引速度相匹配。如果采煤机工作牵引速度增加，就必须提高支架的追机速度。单台泵供液，支架无论是单架还是成组运行，追机速度是固定不变的，势必造成顶板暴露时间延长，增加了顶板冒顶的危险。因此提高追机速度，采用多泵乳化液泵站,通过改变同时运行的乳化液泵数量的方法，来满足液压支架成组移动的需要。（2）乳化液泵站的组合型式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：由于采用缩短移架时间的方法提高追机速度可能对人员和设备造成伤害。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，设支架支护宽度为L，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当前采煤机最高工作牵引速度的需要。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。由上述分析可知，对乳化液泵同时加载运行数量的控制，最重要的是如何知道当前正在移动的支架数量。采用某时刻泵站主进液管的压力值作为判断工作面同时运行的支架数量，是一种行之有效的方法。（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由泵站卸载阀决定，我们这里取31.5MPa。根据图2，因为系统中始终由一台泵处于加载状态，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同时动作，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。此时加载的乳化液泵数量一定，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工作牵引速度速度降低时，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tt1时，次优先泵卸载并延时停机；当tt2时，第三优先泵卸载并延时停机。4、结论根据本文的研究成果，设计了四泵乳化液泵站控制系统，解决了工作面支架同时运行数量与乳化液泵运行数量相匹配的自动控制。本系统采用不同组合形式的轮换工作制，使乳化液泵保持等工作时间，有效地增加了乳化液泵的使用寿命，增加了乳化液泵站的工作可靠性和稳定性。