CN107461321A - 矿用多泵多变频乳化液泵站系统及定量供液控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿用多泵多变频乳化液泵站系统，所述系统包括400KW变频控制柜、110KW变频控制柜，四台400L/min乳化液泵和一台80L/min乳化液泵，所述400KW变频控制柜一端连接110KW变频控制柜，另一端分别连接四台400L/min乳化液泵，所述110KW变频控制柜还与所述80L/min乳化液泵连接。本发明系统采用多泵+多变频的驱动方式，配置了4台400L/min额定流量和1台80L/min额定流量的乳化液泵，每台泵都可实现变频调速和电控加卸载，其供液流量调节范围可达0‑1680L/min、调节精度最高可达1.6L/min；在此系统基础上，提出了一种定量供液控制方法，该方法通过控制柜内PLC程序编程，控制多台泵工频运行和多变频调速，实现高压乳化液流量的精确、定量控制，为进一步智能供液提供可靠的底层控制基础。

Description

矿用多泵多变频乳化液泵站系统及定量供液控制方法

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及矿用多泵多变频乳化液泵站系统及定量供液控制方法。

背景技术

乳化液泵站系统与液压支架系统及相应管路共同组成了工作面液压系统，为工作面生产推进提供保障。其中，乳化液泵站系统是液压动力源，主要作用是为工作面液压支架提供合格的、充足的高压动力乳化液。

现有乳化液泵站驱动技术中，大多采用多台乳化液泵并联供液，每台泵配备电磁卸载阀，通过乳化液泵组快速加载和卸载实现供液流量的多级调节。此外，一些乳化液泵站系统还配备一台变频器，通过变频“一拖多”的驱动方式实现供液流量的无级调节。当前供液控制技术中，大多采用液压系统压力控制，通过压力阈值判断、PID调节、模糊控制等方法，控制泵组加载卸载、变频调速实现系统压力恒定。然而这些压力控制方法效果并不理想，经常造成液压系统压力强烈波动，对设备造成损耗。实际中，供液流量与液压支架动作由直接关系，研究表明：不同液压支架动作对供液流量的需求差别很大，为实现液压支架动作过程快速完成和压力稳定，每种液压支架动作类型、动作行程、动作数量需要一个准确的、定量的供液流量。而当前的乳化液泵站存在供液流量调节精度低，且没有精确地供液流量控制技术。因此，本发明重点设计一种多泵多变频驱动方式的乳化液泵站系统，并在此基础上设计研发定量供液控制技术，实现多泵多变频供液流量的准确调节，为工作面液压支架快速推进和压力稳定提供供液技术保障，具有广阔的应用前景。

发明内容

为了解决上述问题，避免因单台泵故障导致整个泵站瘫痪，加上技术限制和成本考虑，现有供液大多采用多台乳化液泵配一台变频器的组合形式，这种单台变频器对多台电动机的“一拖多”控制方式，不仅可实现乳化液泵组的顺序软启动，还可对其中单台乳化液泵进行调速，实现供液系统的流量调节，本发明在此基础上，设计配备了多泵加多变频驱动方式；

本发明提供一种矿用多泵多变频乳化液泵站系统，所述系统包括400KW变频控制柜、110KW变频控制柜，四台400L/min乳化液泵和一台80L/min乳化液泵，所述400KW变频控制柜一端连接110KW变频控制柜，另一端分别连接四台400L/min乳化液泵，所述110KW变频控制柜还与所述80L/min乳化液泵连接；

进一步地，所述系统还包括四台配备电磁卸载阀，四台所述配备电磁卸载阀分别安装在所述四台400L/min乳化液泵上；

进一步地，所述400KW变频控制柜和110KW变频控制柜用于控制各个乳化液泵的启停、卸载阀开关和变频调速；

进一步地，所述配备电磁卸载阀用于在一定范围内控制调整卸载-恢复压力限制和控制卸载阀实现短时间的泵组卸载运行；

进一步地，一种定量供液控制方法，所述方法通过控制多个乳化液泵站系统多泵工频运行和多变频转速调节，实现以目标供液流量向工作面液压系统供给高压乳化液；

进一步地，所述方法包括：

S1：计算确定工频运行泵加载数量和变频调节频率；

S2：控制乳化液泵组工频运行至目标数量；

S3：控制乳化液泵组工频加载至目标数量；

S4：变频调节乳化液泵运行频率至目标值；

进一步地，所述S1包括：

S11：主站PLC接收来自智能层或手动输入的供液流量目标值，

S12：根据式(3-18)、(3-19)计算供液流量所需的工频运行泵加载目标数量、400/min变频运行乳化液泵目标频率F_g和80/min变频运行乳化液泵目标频率f_g；

S13：如果则

如果则

当时，变频调节流量部分由400L/min和80L/min乳化液泵共同实现流量的精确调节，分给80L/min乳化液泵至少16L/min的流量调节任务；当时，变频调节流量部分小于等于80L/min，单独利用80L/min乳化液泵进行变频调节供液流量，400L/min乳化液泵提升至50Hz全速供液；

进一步地，所述S2包括:

S21：感知当前工频运行的乳化液泵数量N_r，计算工频运行泵的调整数量N_e如式(3-20)

S22：根据3-20结果，当N_e≤0时，说明当前运行泵数量满足目标数量，进行S3，调用乳化液泵泵组加卸载控制程序；当N_e≠0时，调用泵组启停顺序控制程序，控制泵组顺序启停，增加或减少乳化液泵工频运行数量；

S23：当增加乳化液泵工频运行数量时，调用变频工频切换控制程序，实现变频至工频无扰切换，S23循环执行，直至满足N_e≤0；

进一步地，所述S3包括：

S31：感知当前工频运行泵的加载数量N_l，满足N_l≤N_r，工频泵的加载数量一定不大于运行数量；

S32：计算工频加载泵的调整数量N_d如式(3-21):

S33：当前工频泵运行数量不小于目标数量，N_e≤0，进行S33；当N_d＝0时，说明当前加载泵数量满足目标数量，跳至S4，开始乳化液泵变频调节过程；

S34：当N_d≠0时，调用泵组加卸载控制程序，通过控制卸载阀开关，改变乳化液泵工频加载数量；

S35：重复S34，直至满足N_d＝0；

进一步地，所述S4包括：

S41：当满足N_d＝0时，工频运行泵的加载数量达标，开始控制变频器调节乳化液泵运行频率；

S42：感知当前变频运行的400L/min乳化液泵频率F_q和80L/min乳化液泵频率f_q，分别计算频率误差F_c和f_c如式(3-22)、(3-23)；

S43：定义F_c和f_c均小于1Hz时，频率达到目标值，否则，继续调整频率直到达标；

S44：乳化液泵组工频加载数量和变频调节频率同时达标后，供液流量达到目标值，实现多泵加多变频的定量供液控制技术；

本发明的有益效果如下：

1)本发明系统采用多泵+多变频的驱动方式，配置了4台400L/min额定流量和1台80L/min额定流量的乳化液泵，每台泵都可实现变频调速和电控加卸载，其供液流量调节范围可达0-1680L/min、调节精度最高可达1.6L/min；

2)在此系统基础上，本发明提出了一种定量供液控制方法，该方法通过控制柜内PLC程序编程，控制多台泵工频运行和多变频调速，实现高压乳化液流量的精确、定量控制，为进一步智能供液提供可靠的底层控制基础。

附图说明

图1为本发明所述系统结构框图；

图2为本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图2所示，本发明提供一种矿用多泵多变频乳化液泵站系统及定量供液控制方法；为避免因单台泵故障导致整个泵站瘫痪，加上技术限制和成本考虑，国内供液大多采用多台乳化液泵配一台变频器的组合形式，这种单台变频器对多台电动机的“一拖多”控制方式，不仅可实现乳化液泵组的顺序软启动，还可对其中单台乳化液泵进行调速，实现供液系统的流量调节。本发明在此基础上，设计配备了多泵+多变频驱动方式，系统结构如图1。

如图1所示，乳化液泵站系统配备了4台400L/min额定流量的乳化液泵和1台400kW台变频控制柜，采用典型的变频器“一拖四”控制方式：至少1台泵变频运行，0～3台泵工频运行，使供液流量可以实现理论精度为8L/min(400kW变频精度1Hz)的粗略调节。对于变频调节乳化液泵转速，较低的转速会导致乳化液泵在低速重载状态下运行，连杆、滑块、齿轮等依靠流体动力润滑或飞溅润滑的运动部件的润滑条件变差；而且，转速越低，三相异步电动机的转差角越大，机电转换效率也越低。因此，为避免较低供液流量时400L/min额定流量的乳化液泵长期低转速运行，以及提高供液流量的调节精度，系统还配备了1台110kW变频控制柜驱动1台80L/min乳化液泵，使供液流量范围达到0L-1680L/min、理论精度达到1.6L/min(110kW变频精度1HZ)。此外，为避免供液流量调节过程中泵组频繁启动工况，每台400L/min乳化液泵上安装电磁卸载阀，不仅可以在一定范围内控制调整卸载-恢复压力限制，而且可以控制卸载阀实现短时间的泵组卸载运行。可见，上述多泵多变频乳化液泵站系统可实现供液流量的多级+无级双重调节，可大大减少供液动作惯性，提高流量调节速度和精度。

定量供液控制技术是指以某个供液流量值为目标，控制多个乳化液泵站系统多泵工频运行和多变频转速调节，实现以目标供液流量向工作面液压系统供给高压乳化液。定量供液控制技术以多泵多变频乳化液泵站系统为硬件基础，通过控制柜内PLC程序设计，控制各个乳化液泵的启停、卸载阀开关、变频调速等，实现定量供液功能，其控制程序的流程图如图2。

由图可知，多泵变频供液控制分为以下四个步骤：

步骤1，计算确定工频运行泵加载数量和变频调节频率

主站PLC接收来自智能层或手动输入的供液流量目标值，根据式3‐18、3‐19计算供液流量所需的工频运行泵加载目标数量、400/min变频运行乳化液泵目标频率F_g和80/min变频运行乳化液泵目标频率f_g。

如果则

如果则

式中，[]指取括号内数值的整数部分；{}指取括号内数值的小数部分。当时，变频调节流量部分由400L/min和80L/min乳化液泵共同实现流量的精确调节，为避免80L/min乳化液泵频率小于10Hz的低转速运行，分给80L/min乳化液泵至少16L/min的流量调节任务；当时，变频调节流量部分小于等于80L/min，为避免400L/min乳化液泵小于10Hz频率的低转速运行，单独利用80L/min乳化液泵进行变频调节供液流量，400L/min乳化液泵提升至50Hz全速供液，相当于1台泵工频运行。

步骤2，控制乳化液泵组工频运行至目标数量

感知当前工频运行的乳化液泵数量N_r，计算工频运行泵的调整数量N_e如式(3‐20)。

当N_e≤0时，说明当前运行泵数量满足目标数量，跳至步骤3，调用乳化液泵泵组加卸载控制程序；当N_e≠0时，调用泵组启停顺序控制程序，控制泵组顺序启停，增加或减少乳化液泵工频运行数量。当增加乳化液泵工频运行数量时，调用变频工频切换控制程序，实现变频至工频无扰切换。此步骤循环执行，直至满足N_e≤0，以确保供液过程中足够的乳化液泵工频运行数量，为卸载阀加载和卸载控制提供条件。

步骤3，控制乳化液泵组工频加载至目标数量

乳化液泵的工频加载状态是指该泵工频运行且卸载阀关闭(加载状态)，此时该泵向液压系统输入额定流量的压力液。感知当前工频运行泵的加载数量，且满足，即工频泵的加载数量一定不大于运行数量。计算工频加载泵的调整数量如式(3‐21)。

当前工频泵运行数量不小于目标数量时(N_e≤0)，该步骤开始执行；当N_d＝0时，说明当前加载泵数量满足目标数量，跳至步骤4，开始乳化液泵变频调节过程；当N_d≠0时，调用泵组加卸载控制程序，通过控制卸载阀开关，改变乳化液泵工频加载数量。此步骤循环执行，直至满足N_d＝0，以达到工频运行泵加载数量要求。特别地，为提高多泵+多变频供液控制的鲁棒性，当泵组运行中出现故障泵停机时，调用故障泵替换程序，实现正常泵代替故障泵运行的应急处理。

步骤4，变频调节乳化液泵运行频率至目标值

当满足N_d＝0时，工频运行泵的加载数量达标，开始控制变频器调节乳化液泵运行频率。感知当前变频运行的400L/min乳化液泵频率F_q和80L/min乳化液泵频率f_q，分别计算频率误差F_c和f_c如式(3‐22)、(3‐23)。

定义F_c和f_c均小于1Hz时，频率达到目标值。否则，继续调整频率直到达标。

乳化液泵组工频加载数量和变频调节频率同时达标后，供液流量达到目标值，实现多泵+多变频的定量供液控制技术。

本发明所述系统采用多泵+多变频的驱动方式，配置了4台400L/min额定流量和1台80L/min额定流量的乳化液泵，每台泵都可实现变频调速和电控加卸载，其供液流量调节范围可达0-1680L/min、调节精度最高可达1.6L/min。在此系统基础上，本发明还提出了一种定量供液控制方法，该方法通过控制柜内PLC程序编程，控制多台泵工频运行和多变频调速，实现高压乳化液流量的精确、定量控制，为进一步智能供液提供可靠的底层控制基础。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种矿用多泵多变频乳化液泵站系统，其特征在于，所述系统包括400KW变频控制柜、110KW变频控制柜，四台400L/min乳化液泵和一台80L/min乳化液泵，所述400KW变频控制柜一端连接110KW变频控制柜，另一端分别连接四台400L/min乳化液泵，所述110KW变频控制柜还与所述80L/min乳化液泵连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括四台配备电磁卸载阀，四台所述配备电磁卸载阀分别安装在所述四台400L/min乳化液泵上。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述400KW变频控制柜和110KW变频控制柜用于控制各个乳化液泵的启停、卸载阀开关和变频调速。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述配备电磁卸载阀用于在一定范围内控制调整卸载-恢复压力限制和控制卸载阀实现短时间的泵组卸载运行。

5.一种定量供液控制方法，基于上述权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，所述方法通过控制多个乳化液泵站系统多泵工频运行和多变频转速调节，实现以目标供液流量向工作面液压系统供给高压乳化液。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：计算确定工频运行泵加载数量和变频调节频率；

S2：控制乳化液泵组工频运行至目标数量；

S3：控制乳化液泵组工频加载至目标数量；

S4：变频调节乳化液泵运行频率至目标值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S1包括：

S11：主站PLC接收来自智能层或手动输入的供液流量目标值

S12：根据式(3-18)、(3-19)计算供液流量所需的工频运行泵加载目标数量400/min变频运行乳化液泵目标频率和80/min变频运行乳化液泵目标频率

S13：如果则

如果则

当时，变频调节流量部分由400L/min和80L/min乳化液泵共同实现流量的精确调节，分给80L/min乳化液泵至少16L/min的流量调节任务；

当时，变频调节流量部分小于等于80L/min，单独利用80L/min乳化液泵进行变频调节供液流量，400L/min乳化液泵提升至50Hz全速供液。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S2包括：

S21：感知当前工频运行的乳化液泵数量N_r，计算工频运行泵的调整数量N_e如式(3-20)

S22：根据(3-20)结果，当N_e≤D时，说明当前运行泵数量满足目标数量，进行S3，调用乳化液泵泵组加卸载控制程序；当N_e≠0时，调用泵组启停顺序控制程序，控制泵组顺序启停，增加或减少乳化液泵工频运行数量；

S23：当增加乳化液泵工频运行数量时，调用变频工频切换控制程序，实现变频至工频无扰切换，S23循环执行，直至满足N_e≤0。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S3包括：

S31：感知当前工频运行泵的加载数量N_l，满足N_l≤N_r，工频泵的加载数量一定不大于运行数量；

S32：计算工频加载泵的调整数量N_d如式(3-21):

S33：当前工频泵运行数量不小于目标数量，N_e≤0，进行S33；当N_d＝0时，说明当前加载泵数量满足目标数量，跳至S4，开始乳化液泵变频调节过程；

S34：当N_d≠0时，调用泵组加卸载控制程序，通过控制卸载阀开关，改变乳化液泵工频加载数量；

S35：重复S34，直至满足N_d＝0。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S4包括：

S41：当满足N_d＝0时，工频运行泵的加载数量达标，开始控制变频器调节乳化液泵运行频率；

S42：感知当前变频运行的400L/min乳化液泵频率F_q和80L/min乳化液泵频率f_q，分别计算频率误差F_c和f_c如式(3-22)、(3-23)；

F_c＝|F_q-F_q| (3‐22)

S43：定义F_c和f_c均小于1Hz时，频率达到目标值，否则，继续调整频率直到达标；

S44：乳化液泵组工频加载数量和变频调节频率同时达标后，供液流量达到目标值，实现多泵加多变频的定量供液控制技术。