原 铖

（晋能控股煤业集团王家岭煤业，山西 忻州 036600）

综采工作面生产效率的提高，要求支架动作速度和支护能力必须满足要求，乳化液泵站作为工作面供液的动力源，其输出压力的准确性、稳定性和响应的快速性对工作面的高效运行起着关键的作用。为了满足乳化液泵站大流量、高稳定性、快速响应的需求，对乳化液泵站的智能控制技术与装备提出了更高的要求，乳化液泵站智能化控制[1-3]是综采工作面实现智能化、无人化的重要环节。

1 原乳化液泵站的应用情况及问题分析

晋能控股煤业集团王家岭煤矿18104 和18106综采工作面配备有2 套乳化液泵站，每套泵站为“两泵一箱”形式，采用SRB2BA 型乳化液泵。额定流量≥630 L/min，额定压力≥37.5 MPa，电机功率≥500 kW，单泵蓄能器容量≥25 L，润滑方式为润滑式油泵强制润滑。

从18104 和18106 综采工作面的生产过程可知，液压支架原乳化液泵站系统自动化和智能化水平不够，无法适应当前煤矿智能化开采要求。主要表现为：（1）工作面开采安全问题频发。原乳化液泵站工作过程中常出现有流量不够、不稳定、压力不恒定、故障多、维修量大等问题，进而影响到液压支架、刮板输送机等设备的正常工作，安全隐患较大，煤矿生产无安全保障。（2）原乳化液泵站运行能耗较大。经计算可知，该煤矿两套原乳化液泵站系统单台电机工作的用电量约为400 000 kW·h，耗电量较大。（3）液压元件的使用寿命较短。原乳化液泵站系统采用人工配液，容易造成乳化液的污染，乳化液浓度无法保证，会降低液压元件的使用寿命。

2 乳化液泵站智能控制系统的构建

针对王家岭煤矿18104 和18106 综采工作面原乳化液泵站存在的问题，构建了SAP 综采智能乳化液泵站系统，建立了基于工作面用液需求的智能供液控制决策系统。为了实现SAP 泵站系统的智能化运行，设计了两套不同控制方式的泵站控制系统。

2.1 基于PLC 的集中式泵站控制系统

集中控制式泵站智能控制系统主要由矿用隔爆兼本安型PLC 可编程控制柜、矿用本质安全型操作台、矿用隔爆兼本质安全型交流变频器、监控主机、矿用本质安全型变送接线盒各类传感器及控制电缆组成。

PLC 控制柜的控制对象是泵站系统，能够采集泵站系统的油压、油位等开关量信号，也能采集油温、出口压力等模拟量信号，并将这些采集到的信号与设定值进行比较。如果采集到的值超限，则控制柜会发出相关的控制信号，对泵站系统进行保护，以达到对设备或是对操作人员的保护。控制柜内部采用PLC 为控制核心，并组合了相关的数字量采集模块与模拟量采集模块，完成对输入信号的采集，以及输出模块完成对泵站的启停控制、泵站卸荷阀的控制，以实现对整个泵站的控制。

2.2 基于泵站控制器的集中分布式泵站控制系统

泵站控制器是分布式泵站控制系统的核心部件。泵站控制器主要用来进行泵站的启停控制、传感器数据采集和数据通信，由供液工作面泵站控制器使用连接器互连形成通信网络系统，实现集成供液系统数据传输。泵站控制器采用ARM7CPU 为核心，通过按键电路、显示电路、采集电路和执行电路实现相应的功能。每台泵站、液箱都配有独立泵站控制器，控制器独立控制设备的运行，并接受命令进行动作。

3 SAP 综采乳化液泵站智能控制关键技术分析

3.1 智能控制技术建模

SAP型泵站智能控制系统开发了以压力、流量、液位、浓度等参数为感知条件，以工作面按需供液的智能供液模型为决策依据，以电磁卸荷和变频技术为控制手段，以高压大流量泵站为执行元件的泵站智能控制系统。

SAP 泵站智能控制系统最核心的部分是工作面按需供液的智能供液模型。该模型是以综采工作面液压系统的执行机构—液压支架的工作状态为需求终端，建立在以液压支架设计参数、采煤机牵引速度等为边界条件，以液压支架流量需求函数为依据，以执行元件快速响应为特征的基础上，建立在通过与电液控制系统的互联互通，从而达到预知预判，通过变频和电磁卸荷控制等手段，保证供液流量与需求相匹配的基础上的。

在综采工作面开采过程中，液压支架的移架速度应大于采煤机的截煤牵引速度。移架速度主要取决于泵站系统的供液流量Q'b，而Q'b应该大于液压支架流量需求Qb。

液压支架流量需求函数Qb可以用下式表示：

式中：k1为移架数量；k2为泵站到支架管路泄漏损失系数，一般取1.1～1.3；∑Qi为单架支架所有立柱和千斤顶完成全部动作所需的乳化液体积，cm3；Vq为采煤机工作牵引速度，m/min；A为液压支架中心距，m。

SAP 型泵站智能控制系统与液压支架电液控制系统无缝对接，实现信息的互联互通。液压支架电液控制系统在执行动作功能之前，将控制信息传达给集成供液系统，实现工作面用液需求的预知预判和及时响应。SAP 型泵站智能控制系统在获得流量需求函数Qb后，通过流量恒压反馈法，转化为变频和电磁卸荷的耦合控制，从而满足供液流量Q'b≥Qb的要求。

3.2 变频与电磁卸荷联动智能控制

智能控制系统和电磁卸荷阀的结合使用实现了多泵站的智能联动，通过设置主、次、辅、备多泵站编组和不同泵站不同调定压力的办法，实现多泵站的智能联动和功率匹配。系统根据压力检测和电磁卸荷阀状态智能判断工作面用液情况，并通过主泵变频调速达到变量控制，从而实现多泵站基于负载的智能启停和卸载，有效控制泵站系统时间，发挥各自最大效率。SAP 泵站空载过程中，功率损耗为泵站额定功率的30%左右，有效地利用不同泵站不同压力，控制不同站处于合理的卸荷时间，可以大大降低功率损耗，同时结合用液判断，及时实现泵站、备用泵站和富余泵站的停机，降低工作面用电损耗。

3.3 乳化液智能配比控制

在乳化液智能配比控制逻辑方面，通过对乳化液浓度的实时监测，当乳化液浓度不满足用液质量要求时，通过乳化液自动配比器和校正机构，自动调整乳化油和水的配比参数，达到液箱内乳化液浓度的动态平衡过程。乳化液智能配比控制核心设备是乳化液自动配比器和高精度浓度传感器。在进水环节增加过滤、稳压措施，确保自动配比系统的稳定、可靠。针对水压较高且波动不大的矿井，在乳化液自动配比系统中加入过滤减压装置。在稳定水压的同时对自动配比用水进行高精度过滤，保证乳化液配比用水的清洁、稳定。同时使用增压泵为乳化液自动配比系统供水用来适应水压波动大的问题。

3.4 工作面爆管保护智能控制

煤矿综采工作面液压系统一旦出现故障，如安全阀喷液、液压管路破裂和设备危及工作人员安全时，需要立刻瞬间停泵。现有技术中采用的都是由泵站工作人员现场拉闸停电，由于处理时间长，液压和电网冲击大，特别是管路和储能器中的高压液体由于没有卸压，仍然会发生二次事故，严重危害安全生产。为了解决供液系统技术难题，SAP 泵站控制系统独创以关储卸压阀为核心的工作面爆管保护控制技术。该技术以主管路流量、压力传感器的实施监测信号为基准，当主管路流量、压力同时迅速降低时，监控主机通过电信号以电磁先导控制技术为手段，控制关储卸压阀，从而实现关储、卸压和停泵可以在瞬间完成，避免了故障的延续与扩大，确保安全生产，实现泵站的失压保护和安全停机，同时也避免了管路振动和储能器中能量的损耗，达到了节能的效果。

3.5 泵站供电及越级保护智能控制技术

泵站在启动瞬间，启动电流一般是额定电流4～7 倍，泵站通过电磁卸荷技术，使泵站实现空载启动，从而降低启动电流，减小对工作面供电系统的冲击。在工作面生产过程中，泵站智能控制系统通过工作面反馈的信息，如果监测到工作面设备故障，出现紧急情况，集控中心根据事先预定的原则，对供电系统实施越级保护。

3.6 泵站智能故障诊断系统

SAP 型泵站控制系统设置有一套传感器监测单元，通过将泵站系统的油温、油位，油压系统压力、液位传感器等信号接入到核心控制模块，实时检测泵站系统运行状态。通过监控主机的逻辑判断，在泵站系统运行状态出现异常时，以声光、动态显示为手段进行预警，在地面与井下同时提示工人与管理人员进行系统维护。当设备运行状态达到系统故障临界值时，系统瞬间停机保护泵站系统并告知故障信息与解决方案，以避免故障的延续与扩大，确保安全生产，从而减少设备不必要的损失。

4 应用效果分析

王家岭煤矿18104 和18106 综采工作面采用SAP 综采智能乳化液泵站系统，建立了基于工作面用液需求的智能供液控制决策系统，系统自动化和智能化明显提高，适应该煤矿智能化开采的要求，系统实现恒压控制，供液压力稳定。SAP 综采智能乳化液泵站应用后，经计算两套系统每年可节省电量约为100 000 kW·h，可减少泵站工6 人，能提高部分液压元件的使用寿命，两套系统每年一共可产生经济效益约50 万元。SAP 综采智能乳化液泵站应用后，保证了设备的安全稳定运行，为实现王家岭煤矿高产高效安全开采奠定了基础。