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1、-毕业设计（论文）-乳化液泵站自动控制系统研究-第 33 页乳化液泵站自动控制系统研究摘 要为了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
2、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“乳化液泵自动控制系统”的实施方案。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，
3、避免了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，设计故障在线监控系统，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
4、行情况。本课题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积极的贡献。第一章 绪 论随着煤矿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，应用矿用隔爆型乳化液泵站自动控制箱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
5、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。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
6、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
7、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。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
8、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68s/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
9、、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
10、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，本课题所研发的乳化液泵自动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乳化液泵自动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
11、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 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
12、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
13、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。第二章 乳化液泵自动控制系统设计2.1液压支架的工作特性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。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。液压支架的四个基本动作是：升架、
14、降架、移架、和推溜。以支撑式支架为例，升架和降架的动作过程为：高压乳化液由泵站经操纵阀和液控单向阀，进入立柱下腔，立柱上腔回液，使支架升起并撑在顶底板之间。泵站工作压力达整定值时，支架对顶板的支撑力称为初撑力。支撑式支架的初撑力为： （kN） （2-1）式中泵站工作压力，MPa；D支架立柱的缸径，m；n支架立柱数量。从顶梁接触顶板至达到初撑力为支架的初撑阶段。初撑力较大能延缓顶板的下沉，因此，希望提高泵站工作压力。图2-1支撑式液压支架工作原理1顶梁；2立柱；3运输机；4底座；5推移千斤顶；6立柱安全阀；7液控单向阀；8、9操纵阀初撑阶段结束后，操纵阀移到中间阀位，由液控单向阀封闭立柱下腔。顶
15、板下沉，立柱下腔压力和支架对顶板的支撑力都大，这是支架的增阻阶段。由于立柱安全阀的作用，立柱下腔压力和支架对顶板的支撑力都保持稳定，这是支架的恒阻阶段。顶板下沉时，安全阀溢流，立柱收缩，支架降低。支架对顶板的最大支撑力称为工作阻力，是由立柱安全阀的整定压力决定的。支撑式支架的工作阻力为： （kN） （2-2）支架支撑力与时间的关系，用支架工作特性曲线表示如图2-5：图2-2液压支架工作特性曲线初撑阶段；增阻阶段；恒阻阶段增阻阶段的长短，决定于顶板下沉速度及支架初撑力对工作阻力的比值。液压支架的恒阻特性，既对支架自身有安全保护作用，又可防止因工作阻力过大而压碎顶板。液控单向阀与立柱安全阀经常组合
16、在一起，称为控制阀。将液控单向阀打入降压阀位，高压乳化液进入立柱上腔，同时开启液控单向阀，立柱下腔回液，支架就下降。支架和运输机的前移，都是由底座4上的推移千斤顶5来完成的。移架的动作过程为：1、收缩主架后柱，主架前柱降压，操纵移架千斤顶使主架顶梁擦顶前移一个步距，然后撑紧主架后柱，此时，副架仍撑紧着，主架前柱前倾，主架纵拉千斤顶收缩；2、使用同样的方法使副架顶梁擦顶前移一个步距，此时，主副架的前柱都向前倾斜，后柱都垂直支撑顶梁，纵拉千斤顶收缩；3在采煤机后适当距离，操纵纵拉千斤顶使其伸长，同时收缩主副架前柱，使前柱和运输机向前移一个步距；4、在以上各步动作时，横拉千斤顶要相应地动作。2.2液
17、压支架与采煤机速度匹配分析 采煤机是机械化采煤作业的主要机械设备，其功能是落煤和装煤，目前应用最为广泛的采煤机械是滚筒采煤机。综采工作面通常由双滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机及液压支架等主要设备组成。用液压支架支护顶板，实现了支护、移架及推移输送机过程的机械化。采出的煤经转载机和可伸缩胶带机运到采区煤仓。采煤机沿工作面移动的速度称为牵引速度。采煤机在工作过程中，由于煤层的机械力学性质复杂多变，需要随时调节牵引速度，使采煤机能在正常负载下工作6。采煤机的实际牵引速度和液压支架的移架速度相互制约。新型采煤机的最大牵引速度可达20m/min左右，这就需要液压支架的移架速度也要相应的提高，即单位时间内移
18、动的支架数量增加。目前，对液压支架的供液，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，而对泵的启停完全依靠人工经验式控制，这种方法不仅很难保证液压支架快速跟进，而且很容易出现各种故障。为了解决液压支架的快速跟进，最根本的是要增大液压支架的供液量，而采用大流量泵，虽然能提供很大流量，但是由于井下的特殊环境，大流量泵存在占地面积大等问题，流量超过500L/min乳化液泵，在制造和使用两方面都存在很大的困难。经过广泛查阅相关资料和现场论证，采用多泵运行来解决大流量供液问题，即采用多台小流量泵，当采煤机快速运行时，由多台泵同时给液压支架供液，从而使支架快速跟进，当采煤机
19、低速运行时，只开启少数泵甚至单台泵供液，这种供液方法能让液压支架随采煤机的运行速度跟进，既能够增加单位时间的供液量，又能有效降低乳化液泵站的电能消耗。多泵供液控制系统满足了采煤机牵引速度的提高，使综采工作效率大幅提高。2.3乳化液泵站设计乳化液泵站一般由乳化液泵组、乳化液箱配套而成。并具有完善的控制、过滤及安全保护。随着高产高效综合机械化工作面的发展，乳化液泵站也不断更新换代。总体趋势是增大其主要性能参数，如提高乳化液泵的压力、流量、改进结构、提高可靠性、引入微机自动监控技术等。目前，国内广泛使用的乳化液泵站均为随工作面的推进而不断前移动式泵站。近年来国内外相继出现了一种远距离集中供液的固定式
20、泵站。采用50mm70mm的厚壁无缝钢管将高压乳化液送到工作面，再转接胶管分供液压支架。回液用56mm胶管再接80mm100mm的钢管返回液箱。泵站相对固定，不必每日移动，改善了泵站的安装、运行和维护管理，并可同时向两个工作面供液。泵站工作过程如下：低压乳化液从液箱经打开的截止阀吸入乳化液泵，通过泵将压力提高后，排出的高压乳化液经安全阀、高压过滤器、电液-机械卸载阀、截止阀通过输液管向工作面液压系统供液。在输液管与工作面供液管之间连接有两个高压蓄能器及压力传感器。卸载阀的卸载回液管路与削峰器相联，可减少卸载回液的对系统返回的乳化液经过回液过滤器返回液箱。配制乳化液的过程是：当液箱中乳化液的液位
21、低于所规定的最低液位时，浮球阀起作用而自动打开水路，使水源的清水通过打开的截止阀，经过滤器过滤后，通过浮球阀水路至混液阀，在混液阀中由负压作用吸入乳化油室的乳化油而自动配制成具有一定比例的乳化液，然后流入乳化液箱中，当液箱中液位达到规定的高度后，浮球阀自动切断清水水路，而停止乳化液的配制。乳化油是由于手动泵经双向快速断路器泵入机化油室的。安全阀是为了防止支架液压系统供液压力超过规定值，保护乳化液泵和支架液压系统的安全。该安全阀是应急用的，正常工作情况下处于关闭状态，当系统压力突然升高达到临界值时，安全阀迅速开启进行保护。乳化液泵与液箱相连的吸液口处及乳化泵排液的输液管处都加装了截止阀与截止阀，
22、它的作用是对不工作的备用乳化液泵进行隔离；与输液管相连的两个高压蓄能器改善了支架液压系统及高压乳化液泵的工况，减少压力脉动，提高了寿命及可靠性。压力传感器将工作面支架液压系统中的压力信号传送到卸载阀电子控制系统，通过程序来控制系统中四个电液/机械卸载阀的动作。当系统压力大于预先调定的卸载阀的卸载压力时，卸载阀在其内部电磁先导阀（或机械先导阀）的控制下使泵自动卸载。当系统压力低于卸载阀预先调定的系统恢复压力时，泵重新向系统供液。2.4乳化液泵站主要参数计算1、乳化液泵相关参数计算根据泵站系统要求，采用卧式三柱塞往复泵的结构型式作为乳化液泵。卧式三柱塞往复泵的三个柱塞水平放置，泵工作时电动机的旋转
23、运动通过一对齿轮副减速后带动曲轴旋转，再通过连杆、十字头滑块将曲轴的旋转运动转化为柱塞在泵缸体中的往复运动。当这种曲柄连杆机构带动柱塞远离柱塞腔时为柱塞吸液行程，这时柱塞内的密闭空间增大形成负压，乳化液在大气压力作用下打开吸液阀进入柱塞腔；曲柄连杆机构推动柱塞使柱塞腔容积减少时为柱塞排液行程，乳化液在柱塞推力作用下打开排液阀进入支架液压系统7。曲轴旋转一周完成柱塞的一个往复行程即完成该柱塞的一个吸排液过程。柱塞泵的结构示意图如图2-3所示：图23柱塞泵的结构示意图1曲轴；2十字滑块；3齿轮箱； 4电机；5柱塞；6单向阀 柱塞泵排量计算： （） （2-3）柱塞泵的输出流量计算： （2-4）式中z
24、柱塞数目； 柱塞直径（m）； 柱塞行程(m)； - 曲轴转速； - 柱塞泵容积效率流量脉动计算：实际上泵的流量并不是均匀的。由于柱塞的运动速度随时间成正弦变化，且泵压出区同时工作的柱塞数目也在变化，因此泵的流量也将瞬息变化，流量存在着脉动。为了度量流量脉动的大小，引入了流量脉动率： （2-5）式中液压泵的流量脉动率； 液压泵最大瞬时流量（）； 液压泵最小瞬时流量（）； 液压泵的时间平均流量（）。流量的脉动必然引起液压系统管道内的压力变化，从而导致压力脉动。在泵站液压系统中，蓄能器就是为了削减泵流量脉动而设置的。由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，滑动表面配合精度高，所以这类泵的特点是泄漏小、工作压
25、力高、结构简单、工作可靠、使用寿命长、维护方便等特点。2、乳化液泵电机功率的计算驱动乳化液泵的电动机功率N：N（千瓦） （2-6）式中乳化液泵的总效率； 、乳化液泵的工作压力和流量，bar、升/分；乳化液箱应能容纳以下三部分液量：1）乳化液泵三分钟的流量和箱底存液量： （升） （2-7）2）停泵时管路回液流量： （升） （2-8）式中和分别为主供液和回液管路的内径和长度,cm；3）煤层厚度变化造成的液量差： （升） （2-9）式中D立柱缸径，cm； 工作面煤层厚度变化量，cm； 每架支架的立柱数； Z同时动作的支架数。根据上述主要参数的计算即可进行乳化液泵站及其配套设备的选型。此外，乳化液箱的
26、有效容积应为以上三部分液量之和，还应配备足够量的副油箱，以备采高变化较大或清洗液箱时储液用。3、泵站额定压力的计算泵站压力必须满足立柱初撑力和千斤顶最大推力的要求。所需的泵站压力为： （2-10）式中 根据立柱初撑力或千斤顶推力算得的工作压力； 考虑从泵站到支架管路中的压力损失系数，一般取1.11.2，支架管路长，且弯曲处多，应取大值。4、泵站流量的计算液压支架的移置速度应该大于采煤机的工作牵引速度，一般按一架支架全部立柱和千斤顶同时动作来估算所需泵站的流量，也就是乳化液泵的流量为：（升/分） （2-11）式中一台支架全部立柱和千斤顶同时动作所需的流量，; 采煤机的最大牵引速度，m/min;
27、A支架中心距，m； 考虑从泵站到支架管路泄漏损失系数，一般取1.11.3。2.5乳化液泵站自动监控系统设计乳化液泵站自动监控系统设计主要包括以下几部分：乳化液泵曲轴箱内润滑油油位监测：当曲轴箱内润滑油低于油位开关限定的最低油位时，传感器将低位信号传到分站控制器中，经过分站控制器判断，发送停机信号给该乳化液泵，使该泵停机，同时分站控制器声光报警，显示油位过低信息。乳化液泵传动端箱体的贮油池内润滑油油温监测：当箱体油池内的润滑油油温超过最高油温时，信号将传递到分站控制器中，分站显示器显示油温过高的信息，同时声光报警，并发送停机信号，使泵的电机停止运转。过滤器进出口压差监测：通过压差传感器检测管路高
28、低压过滤器进出口两边压差，当压差超过设定置时，分站控制器发送停机信号使泵停机，同时在文本显示器显示该故障信息并声光报警。当发生由润滑油油温过高或过滤器压差过高而停泵时，应查找故障产生的具体原因，待故障解除后，用手按下该分站控制器的启动按钮，即可重新启动乳化液泵。乳化液箱液位监测：当乳化液液位低于设定值时，低液位传感器将信号发送给主控制器，经主站控制器处理后发送配液信号给配液装置，同时主站显示器显示液位过低信息，当液位升高到高液位时，配液装置停止工作。乳化油油位监测：当乳化油油位低于设定值时，低油位传感器将信号发送给主控制器，主站控制器发送补油信号，开启补油泵和补油阀，同时主站显示器显示油位过低
29、信息，当油位达到设定的高油位时，关闭补油阀。第三章 泵站控制系统的理论依据3.1泵站控制系统的原理和结构目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。控制理论的发展经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统按照被控变量的时间特性可以分为顺序控制和反馈控制。其中顺序控制是按照预先设定的操作次序逐一进行操作而达到系统的目标值，包括时间顺序控制系统，逻辑顺序控制系统和条件顺序控制系统等；反馈控制是输出值不断的与目标值进行比较并修正，最后使输出结果达到和目标值一致，包括定值控制系统和随动控制系统8。3.1.1顺序控制系统如图3-1所示，顺序控制系统由输入输出接
30、口、控制器、执行机构、检出检测器、被控对象和显示报警组成。其中，控制器接收控制输入信号，按一定的控制算法运算后，图3-1顺序控制系统的结构原理输出控制信号到执行机构，控制器具有记忆功能，能实现所需控制运算功能；输入接口实现输入信号的电平转换；输出接口实现输出信号的功率转换；检出检测器主要检测被控对象的状态信息；显示和报警装置显示系统的输入、输出、状态、报警等信息，用于了解系统运行状态和对过程的操作、调试以及故障处理。时间顺序控制系统是一类根据固定时间执行程序的控制系统。它以执行时间为依据，每个设备的运行或停止都与时间有关。这类控制系统的特点是各设备运行时间是事先确定的，一旦程序执行，将按照预定
31、时间执行操作命令。物料输送机和交通信号灯控制系统就是典型的时间顺序控制系统。逻辑顺序控制系统按照逻辑的先后顺序执行操作指令，它与执行的时间无严格的关系。工业生产过程中，这类控制系统的应用较多。典型的控制系统为物料混合控制系统。条件顺序控制系统以执行操作命令的条件是否满足为依据，当条件满足时，相应的操作被执行，不满足时，执行另外的操作。电梯控制系统是其典型示例。3.1.2反馈控制系统反馈控制系统是将输出信号和目标值进行比较并将其差的控制信号传递给控制装置如图3-2所示。在控制装置中产生出被控对象的操作量，并使被控对象达到目标值。图3-2 反馈控制系统原理图目标值与被控量进行比较时必须是同一类的量
32、，所以在设置标准输入时要把它变成和反馈信号同类的信号，或者把被控量变换成和目标值同类的信号之后，才能进行比较。常用的反馈控制系统有闭环控制系统和PID控制系统等。1、闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈；若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。2、PID控制系统在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年的历史，它以其结构简单、
33、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分（I）控制中，控制器的输出与
34、输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后组件，具有抑制
35、误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性9。3.2乳化液泵站的控制系统设计通过上节对控制系统理论的分析，结合本课题的实际，我们对乳化液泵站的控制采用反馈控制理论。对所要控制的泵站
36、系统进行分析后，确定控制信号中的被控量为液压支架工作时所需流量，控制系统的目标值为主管路压力，被控对象为乳化液泵，控制装置为可编程控制器。将被控量转换为压力信号然后与主管路压力进行比较，得到压力偏差，通过可编程控制器控制乳化液泵的开启台数和加载/卸载，最后使主管路的流量满足液压支架跟进所需的流量。其泵站控制系统结构原理如图3-3。图3-3 乳化液泵站控制系统结构原理图3.2.1系统控制参数的选取原则智能乳化液泵站控制系统所要实现的主要功能是按照液压支架的跟进速度来提供不同流量的乳化液。因此，系统的被控量为液压支架所需流量。但是由于在控制系统中所选用的控制对象均为定量乳化液泵，又因为泵站液压系统
37、没有调速回路，根据液压系统原理，主管路中的液体流量只是几个固定的流量值，所以不能将被控量直接运用在控制系统中。然而在液压系统中，除流量外，管路压力也是系统中一个重要的参数量。液压支架的移架过程实质上是由乳化液推动各个液压缸及千斤顶通过做功来完成的，液压支架在升架、降架、推移过程中支架所需流量增加，同时由于负载的作用，对液压缸的压力逐渐增大，对液压缸产生的压力会随着支架的移架动作而发生变化，这一变化的压力将通过乳化液传递到主管路中，因此可以通过检测主管路压力的方法来代替对支架流量的检测。在液压系统中，管路的压力可以通过压力传感器检测得到，另外，为了确保压力信号的准确性，我们在主管路上安装了两个压
38、力传感器，以防止出现压力传感器损坏而造成控制系统无法正常工作。通过压力传感器检测到的主管路压力信号与目标值进行对比，得到压力偏差，将该偏差送入控制装置中进行运算，发出控制指令。另外，我们对泵站控制系统设计了监控系统，控制装置可以根据泵站的各种故障信号对泵站进行相应的控制。3.2.2系统控制装置的选择控制装置是整个泵站控制系统的关键组成部分，控制装置选取的好坏将直接影响控制系统的质量。我们所设计的泵站控制系统中，可以用多种控制装置来实现，例如，采用继电器控制系统、无触点控制系统、可编程控制器和计算机控制系统等来实现控制要求。经过对比由各种控制装置组成的控制系统后，我们采用了由可编程控制器组成的控
39、制系统作为智能高端乳化液控制系统的控制装置。可编程控制系统的主要特点有10：1、可靠性高可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，要求在各种恶劣工作环境和条件(如电磁干扰、灰尘等)下可靠工作，将故障率降至最低。PLC具有很高的可靠性和抗干扰能力，不会出现继电器接触器控制系统中接线老化、脱焊、触点电弧等现象，故被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。2、编程简单可编程控制器采用的标准语言有梯形图、语句表、功能表图、功能模块图和结构化文本编程语言等。目前，PLC大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到电气技术人员的读图习惯和应用实际，电气技术人员易于编程，程序修
40、改灵活方便。3、功能强PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。PLC系统的基本功能有：（1）多种控制功能（2）数据采集、存储与处理功（3）通信联网功能（4）输入/输出接口调理功能（5）人机界面功能（6）编程、调试功能4、易于实现机电一体化可编程控制器是专为工业过程控制而设计的控制设备，具有体积小、功能强、抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地组合在一个设备内，把仪表/电子和计算机的功能综合和集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、过程流程控制等领域的主要
41、控制设备。3.3可编程器控制系统与其它控制系统的比较 3.3.1与继电器控制系统的比较继电器控制系统的硬件设计复杂，需要大量继电器，继电器的触点由于硬件的原因它的平均无故障时间比较低，而且需要用控制柜安装相关设备，另外，硬件一经安装完成后，只能适用于一种工艺流程的控制，当工艺流程更改或控制算法稍有变化时，就要对硬件接线进行更改，所以，其调试及更改方案比较困难。11表3-1可编程控制系统与继电器控制系统的比较比较项目继电器控制系统可编程控制系统控制功能实现由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能通过程序实现各种控制功能对生产工艺变更的适应性适应性差，需重新设计、改变继电器和接线只需对程序进行修
42、改可靠性差、触点多、故障多高，元器件采取了筛选和老化等可靠性措施使用寿命短长安装连线多，安装线路复杂安装方便故障处理工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护量小继电器控制系统在运行过程中，由于大量继电器触点的吸合会产生电弧，同时外界环境的干扰以及大量的电缆之间的干扰，很容易引起控制系统的误动作，所以继电器控制系统的工作可靠性较低，不适合类似煤矿井下严格的工作环境；另外由于要驱动许多继电器，其耗电量较大，对环境和资源带来一定程度的负面影响。可编程器控制系统与继电器控制系统相比，存在许多优点，具体比较见表3-1。由于可编程器控制系统与继电器控制系统相比有无法比拟的优点，所以，传统的继电器控制系统会逐
43、渐被可编程控制系统所代替。3.3.2与无触点控制系统的比较无触点控制系统是指采用晶体管作为无触点开关的控制系统，它由用晶体管、集成电路和其它元器件组成各自的功能卡件，然后根据控制系统的功能要求，选择合适的功能卡件，通过适当的接线，完成所需的控制功能。无触点控制系统通过对各种功能卡件适当的组合，完成控制、报警、运算等功能12。无触点控制系统作为继电器控制系统的替代产品，在一定程度上解决了继电器控制系统的使用寿命短、可靠性低、对生产工艺的变更的适应性差等缺点，但是由于其采用单元组合的形式，一旦有功能卡件发生故障而停止工作，整个控制系统将全部停机，而且故障不易查找，另外，无触点控制系统的抗干扰能力较
44、低，因此，相比之下无触点控制系统的可靠性和适应范围没有可编程器控制系统好。3.3.3与计算机控制系统的比较计算机控制系统是指用单片机处理器或工业微机、工业控制机组成的计算机控制系统。虽然计算机控制系统具有强大的控制功能，但是与可编程控制系统相比，在某些方面特别是在工业环境下可编程控制系统有着较强的优势。因为计算机控制系统与可编程控制系统在工作目的、原理和方式上存在较大的差异，具体比较结果见表3-2。表3-2 可编程控制系统与计算机控制系统的比较比较项目计算机控制系统可编程控制系统工作环境对工作环境要求较高可在恶劣的工业现场工作工作目的科学计算工业自动控制编程语言汇编语言、高级语言梯形图、助记符
45、语言系统软件需配备功能较强的系统软件简单的监控程序对操作人员要求需专门培训，并具有一定的计算机基础一般技术人员，稍加培训即可操作价格高较低由以上可编程器控制系统与常见控制系统互相比较知，可编程器控制系统程序设计简单，更适合于工程技术人员。因此，可编程器控制系统已经广泛的在工业控制中用运。但是，计算机控制系统在信息处理方面要比可编程控制系统性能强，所以，在一些复杂的控制系统中，常常将两者结合起来使用，可编程控制系统用于进行现场控制，计算机控制系统进行数据处理，从而构成功能更为强大的自动化控制系统。3.4乳化液泵站集散控制系统的建立集散控制系统是工业自动控制系统的一种，其全称是微处理机集中分散型综
46、合控制系统。集散控制系统是以微型计算机作为过程控制工具，完成连续控制和顺序控制功能。用上位机实行数据处理、监视、控制，下位机进行现场控制，用数据通信电缆将各设备联系起来，从而构成以下位机为中心的现场控制系统，然后用上位机来管理(监视、操作)这些子系统。3.4.1集散控制系统的功能和意义 集散控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它通常由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成。集散控制系统的主要特征是它的集中管理和分散控制。集散控制系统将控制功能分散化、管理操作功能高度集中化，并吸收了模拟控制仪表的特点而发展起来的一种新型数字综合控制系统。
47、集散控制系统是一个集中管理、分散控制的体系，对生产过程进行监视、管理和分散控制。它是以微处理器(CPU)为基础，通过通信链路与操作系统连接起来的自动控制系统，将计算机、通信、控制、监视结合起来。分散控制系统按照分级分散原则组成，纵向分为若干级，而每一级又可在横向上分为若干子系统，每个子系统是一个独立的自主单元，它可以独立执行整个控制系统总任务中的一项任务。各个子系统分工协作，并行工作，并可以利用系统的通信网络进行数据交换，共享系统的资源，使控制系统形成一个完整的整体15。运用分散控制系统的现场控制仪表可以实现功能分散、地理位置分散，同时还可以实现集中显示。从而集散控制系统能较好地适应控制系统中控制对象地理位置分散的情况。同时还可以满足在中心控制室集中显示、打印、控制各系统的运行状态和参数的要求。因此，鉴于集散