煤礦乳化液水處理及自動配比控制系統(tǒng)

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【摘要】本文針對傳統(tǒng)的乳化液人工配比并且用光折射計(jì)判斷乳化液濃度高低的方式中存在的配比精度低、效率低下、乳化液穩(wěn)定性差等問題，研發(fā)一種通過“PLC+計(jì)量泵”自動完成乳化液配比的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PLC進(jìn)行運(yùn)算和邏輯控制，采用電磁式計(jì)量泵控制投加時(shí)間及單次投加量實(shí)現(xiàn)定量投加，操作員僅需輸入目標(biāo)濃度即可完成自動配比，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停。通過這種方式進(jìn)行乳化液的配比，可實(shí)現(xiàn)投入少量成本即可高效獲得高精度的乳化液配比濃度，方便快捷。

【關(guān)鍵詞】乳化液配比；PLC；自動化；高精度；計(jì)量泵

根據(jù)隆德煤礦業(yè)主提供資料及調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國95%以上的礦山工作面使用液壓支護(hù)設(shè)備，以保證采煤面的不塌陷。乳化液是煤礦液壓支架和液壓支柱的傳動介質(zhì)，在液壓系統(tǒng)中起血液作用，并且在鋁金屬及其合金的加工行業(yè)中，乳化液的應(yīng)用也是極其廣泛的，能夠起到防腐保護(hù)、潤滑的作用。乳化液通過水和乳化油配比而成，濃度要求3%~5%，乳化液配比濃度受很多因素的影響，包括水壓、水質(zhì)、流量、配比裝置準(zhǔn)確度等。傳統(tǒng)的乳化液配比方式采用人工投加水和乳化油的方式，判斷乳化液濃度采用光折射計(jì)判斷濃度高低，該種配比方式存在配比精度不高，效率低等問題。為提高煤礦設(shè)備自動化程度，提高配比精度及效率，研制一套乳化液自動配比裝置實(shí)現(xiàn)乳化液配比具有一定的必要性與經(jīng)濟(jì)性。

1與當(dāng)前國內(nèi)外同類研究、技術(shù)比較

現(xiàn)有的乳化液配比主要通過兩種方式完成。第一種是人工完成配比，人工定量添加水和乳化油完成配比，配比濃度靠取樣用光折射計(jì)人工觀察，其精度不高，效率低，受人為因素影響較大；第二種通過“PLC+變頻器+計(jì)量泵”完成配比，該方式通過PLC作為控制中心，變頻器調(diào)速完成乳化液配比，該方式精度較高，效率高，但花費(fèi)成本也高。本文提出的應(yīng)用于乳化液自動配比的“PLC+計(jì)量泵”控制系統(tǒng)具有效率高、精度高、成本低并且能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停，自動化程度較高。以上方法具體對比如表1所示。

2主要研究內(nèi)容

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該基于PLC控制的乳化液自動配比系統(tǒng)設(shè)備布置圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括液位計(jì)①②③三支，濃度計(jì)④一支，計(jì)量泵⑤⑥兩臺以及攪拌器⑦一臺，其中水位濃度及①安裝于水容器正上方用于監(jiān)控水的液位狀態(tài)；乳化液液位計(jì)②安裝于乳化液封閉容器的蓋子底部用于監(jiān)控乳化液液位狀態(tài)；乳化油液位計(jì)安裝于乳化油容器的正上方用于監(jiān)控乳化油的液位狀態(tài)；濃度計(jì)④固定安裝于乳化液容器壁上，并且濃度計(jì)④距離乳化液容器底部約2cm，以便在乳化液到達(dá)下限位置時(shí)仍能正常顯示乳化液濃度信息；電磁計(jì)量泵1⑤與水容器和乳化液容器通過不銹鋼管連接，以便及時(shí)自動根據(jù)控制命令從水容器定量向乳化液容器投加水；電磁計(jì)量泵2⑥與乳化油容器和乳化液容器也通過不銹鋼管連接，以便及時(shí)自動根據(jù)控制命令從乳化油容器定量向乳化液容器投加乳化油，從而完成配比乳化液所需水和乳化油的定量投加；水和乳化液均被投加至乳化液容器內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)自動啟動攪拌器⑦完成使乳化液均勻混合的關(guān)鍵的步驟。以上設(shè)備布置均可以根據(jù)實(shí)際使用需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。該基于PLC控制的乳化液自動配比系統(tǒng)設(shè)備布置到位后，所有設(shè)備均需連接至該系統(tǒng)控制核心PLCⅪ，系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。系統(tǒng)中所有傳感器水位液位計(jì)Ⅰ、乳化液液位計(jì)Ⅱ、乳化油液位計(jì)Ⅲ、濃度計(jì)Ⅳ均通過RVVP電纜連接至PLCⅪ模擬量輸入模塊，PLCⅪ數(shù)字量輸出模塊與電磁計(jì)量泵Ⅴ、電磁計(jì)量泵Ⅵ、攪拌器Ⅶ通過RVV線纜連接。操作員通過上位機(jī)Ⅻ輸入設(shè)定濃度和乳化液需求量，并且可通過上位機(jī)Ⅻ查看液位、濃度等狀態(tài)，傳感器獲取的液位濃度信號輸入至PLC，PLC經(jīng)過內(nèi)部邏輯處理后，輸出信號使中間繼電器Ⅷ動作，中間繼電器Ⅷ的觸點(diǎn)Ⅸ閉合，從而使得接觸器Ⅹ動作，接觸器Ⅹ的觸點(diǎn)閉合，即使得電磁計(jì)量泵Ⅴ動作，電磁計(jì)量泵Ⅵ和攪拌器Ⅶ的動作原理與電磁計(jì)量泵Ⅴ一致。系統(tǒng)流程圖即控制方法如圖3所示。操作員通過上位機(jī)Ⅻ設(shè)定乳化液配比濃度和需求量，PLCⅪ獲取濃度和需求量信息后，即可計(jì)算出水和乳化油的需求量，計(jì)算完成后PLCⅪ輸出打開電磁計(jì)量泵Ⅴ、電磁計(jì)量泵Ⅵ進(jìn)行水和乳化油的定量投加，由于計(jì)量泵單次投加量固定，所以通過PLCⅪ分別計(jì)算電磁計(jì)量泵Ⅴ、電磁計(jì)量泵Ⅵ的打開時(shí)間，通過時(shí)間控制水和乳化油的定量投加控制，若在投加過程中水位液位計(jì)Ⅰ、乳化油液位計(jì)Ⅲ達(dá)到液位下限時(shí)，投加停止上位機(jī)提示添加溶液，第一次定量投加完成后，通過濃度計(jì)Ⅳ獲取乳化液濃度，與設(shè)定濃度進(jìn)行比較，若實(shí)際濃度大于設(shè)定濃度，則再次打開電磁計(jì)量泵Ⅴ加水，若實(shí)際濃度小于設(shè)定濃度，則再次打開電磁計(jì)量泵Ⅵ加乳化油，直到實(shí)際濃度與設(shè)定濃度差不超過0.3%，且乳化液濃度在3%~5%范圍內(nèi)，配比流程停止。系統(tǒng)控制計(jì)量泵定量投加方法：電磁計(jì)量泵可以通過面板設(shè)定沖程和頻率，沖程表示單次投加的量，頻率表示投加的快慢程度，該方法通過電磁計(jì)量泵面板設(shè)定好沖程和頻率，即可確定每秒計(jì)量泵投加的量，以“水投加速度V1”和“乳化液投加速度V2”表示；操作員通過上位機(jī)Ⅻ設(shè)定好所需乳化液濃度和容量，PLC通過計(jì)算得出配比所需水和乳化油的量，分別以“水量L1”和“乳化油量L2”表示。即可通過以上數(shù)據(jù)計(jì)算出加水時(shí)間T1和加乳化油時(shí)間T2，有T1=L1/V1和T2=L2/V1。實(shí)例說明：假設(shè)操作員設(shè)定配比乳化液濃度為4%，需要量為10升，則通過計(jì)算需添加0.4升乳化油和9.6升水，電磁計(jì)量泵Ⅴ、電磁計(jì)量泵Ⅵ的沖程分別設(shè)定為0.2毫升和4.6毫升，頻率均為2Hz（即1s投加2次），通過計(jì)算即可得出V1=0.4毫升/秒，V2=9.6毫升/秒，PLC控制電磁計(jì)量泵Ⅴ、電磁計(jì)量泵Ⅵ的通電投加時(shí)間為T1=400/0.4=1000秒，T2=9600/9.6=1000秒。該方法中T1可以不等于T2。

2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）乳化液全自動配比該系統(tǒng)僅需操作員在上位機(jī)輸入所需乳化液的濃度和體積，PLC即可自動完成相應(yīng)的所需水和乳化油量的計(jì)算，并且自動控制計(jì)量泵定量定時(shí)投加水和乳化油，以及控制攪拌器完成乳化液的配比，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)全自動化配比，無須人工干預(yù)。若操作員需要對配比濃度進(jìn)行微調(diào)，上位機(jī)可提供操作接口進(jìn)行相應(yīng)的操作。（2）低液位保護(hù)為了更好地保證乳化液配比濃度，避免計(jì)量泵空轉(zhuǎn)，系統(tǒng)通過PLC程序設(shè)定水和乳化油的下限液位，當(dāng)液位計(jì)獲取的液位值小于或等于下限時(shí)，系統(tǒng)停止配比，并關(guān)閉計(jì)量泵和攪拌器。（3）實(shí)時(shí)查看配比過程及結(jié)果該系統(tǒng)上位機(jī)軟件直觀反映乳化液配比系統(tǒng)的組成，并且通過液位計(jì)和濃度計(jì)獲取液位和濃度信息顯示在上位機(jī)軟件界面，實(shí)現(xiàn)配比過程的實(shí)時(shí)更新，操作員能夠?qū)崟r(shí)查看配比過程及結(jié)果。

3乳化液配比關(guān)鍵技術(shù)

3.1PLC控制技術(shù)

系統(tǒng)采用PLC作為控制核心，通過收集油、水、乳化液液位和濃度，自動計(jì)算指定用量和濃度的乳化液配比所需的乳化油和水的用量，并通過控制計(jì)量泵的工作時(shí)間以達(dá)到添加定量的水和乳化油。

3.2網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

乳化液配比系統(tǒng)位于煤礦井下，為了減少工人下井次數(shù)以及實(shí)現(xiàn)配比的遠(yuǎn)程全自動化操作，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將乳化液配比的濃度、液位、溫度等信息傳輸至集控中心。

3.3計(jì)量泵投加技術(shù)

計(jì)量泵為無級調(diào)速抽水泵，可根據(jù)需要調(diào)整計(jì)量泵的流量和開啟時(shí)間，從而控制用量，通過PLC控制計(jì)量泵投加時(shí)間，可控制水和乳化油的投加量。

3.4傳感器控制技術(shù)

系統(tǒng)采用液位、濃度傳感器采集水、乳化油、乳化液的液位和濃度并傳輸至PLC，給PLC完成計(jì)算所需的基本變量，從而能夠使PL更精確、更快速地完成配比。

4總結(jié)

該煤礦井下乳化液自動配比裝置與傳統(tǒng)的配制方法相比能夠大幅度節(jié)約成本，并且在有高配比精度的同時(shí)還可以應(yīng)用在其它乳化液配比過程中具有很高的通用性。系統(tǒng)配比的適合濃度的乳化液用于礦井支護(hù)設(shè)備，還可以提高支護(hù)設(shè)備的使用壽命以及提高支護(hù)設(shè)備運(yùn)行效率，從而避免因支護(hù)設(shè)備的老化而產(chǎn)生的安全問題，該裝置的研究及應(yīng)用在煤礦行業(yè)具有很大的應(yīng)用前景。

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作者：黃春犁 胡美玲 單位：華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司