煤矿乳化液水处理及自动配比控制系统

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【摘要】本文针对传统的乳化液人工配比并且用光折射计判断乳化液浓度高低的方式中存在的配比精度低、效率低下、乳化液稳定性差等问题，研发一种通过“PLC+计量泵”自动完成乳化液配比的控制系统。该系统通过PLC进行运算和逻辑控制，采用电磁式计量泵控制投加时间及单次投加量实现定量投加，操作员仅需输入目标浓度即可完成自动配比，能够实现一键启停。通过这种方式进行乳化液的配比，可实现投入少量成本即可高效获得高精度的乳化液配比浓度，方便快捷。

【关键词】乳化液配比；PLC；自动化；高精度；计量泵

根据隆德煤矿业主提供资料及调查发现，目前我国95%以上的矿山工作面使用液压支护设备，以保证采煤面的不塌陷。乳化液是煤矿液压支架和液压支柱的传动介质，在液压系统中起血液作用，并且在铝金属及其合金的加工行业中，乳化液的应用也是极其广泛的，能够起到防腐保护、润滑的作用。乳化液通过水和乳化油配比而成，浓度要求3%~5%，乳化液配比浓度受很多因素的影响，包括水压、水质、流量、配比装置准确度等。传统的乳化液配比方式采用人工投加水和乳化油的方式，判断乳化液浓度采用光折射计判断浓度高低，该种配比方式存在配比精度不高，效率低等问题。为提高煤矿设备自动化程度，提高配比精度及效率，研制一套乳化液自动配比装置实现乳化液配比具有一定的必要性与经济性。

1与当前国内外同类研究、技术比较

现有的乳化液配比主要通过两种方式完成。第一种是人工完成配比，人工定量添加水和乳化油完成配比，配比浓度靠取样用光折射计人工观察，其精度不高，效率低，受人为因素影响较大；第二种通过“PLC+变频器+计量泵”完成配比，该方式通过PLC作为控制中心，变频器调速完成乳化液配比，该方式精度较高，效率高，但花费成本也高。本文提出的应用于乳化液自动配比的“PLC+计量泵”控制系统具有效率高、精度高、成本低并且能够实现一键启停，自动化程度较高。以上方法具体对比如表1所示。

2主要研究内容

2.1系统总体结构

该基于PLC控制的乳化液自动配比系统设备布置图如图1所示。该系统包括液位计①②③三支，浓度计④一支，计量泵⑤⑥两台以及搅拌器⑦一台，其中水位浓度及①安装于水容器正上方用于监控水的液位状态；乳化液液位计②安装于乳化液封闭容器的盖子底部用于监控乳化液液位状态；乳化油液位计安装于乳化油容器的正上方用于监控乳化油的液位状态；浓度计④固定安装于乳化液容器壁上，并且浓度计④距离乳化液容器底部约2cm，以便在乳化液到达下限位置时仍能正常显示乳化液浓度信息；电磁计量泵1⑤与水容器和乳化液容器通过不锈钢管连接，以便及时自动根据控制命令从水容器定量向乳化液容器投加水；电磁计量泵2⑥与乳化油容器和乳化液容器也通过不锈钢管连接，以便及时自动根据控制命令从乳化油容器定量向乳化液容器投加乳化油，从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内时，系统自动启动搅拌器⑦完成使乳化液均匀混合的关键的步骤。以上设备布置均可以根据实际使用需要进行相应的调整。该基于PLC控制的乳化液自动配比系统设备布置到位后，所有设备均需连接至该系统控制核心PLCⅪ，系统连接示意图如图2所示。系统中所有传感器水位液位计Ⅰ、乳化液液位计Ⅱ、乳化油液位计Ⅲ、浓度计Ⅳ均通过RVVP电缆连接至PLCⅪ模拟量输入模块，PLCⅪ数字量输出模块与电磁计量泵Ⅴ、电磁计量泵Ⅵ、搅拌器Ⅶ通过RVV线缆连接。操作员通过上位机Ⅻ输入设定浓度和乳化液需求量，并且可通过上位机Ⅻ查看液位、浓度等状态，传感器获取的液位浓度信号输入至PLC，PLC经过内部逻辑处理后，输出信号使中间继电器Ⅷ动作，中间继电器Ⅷ的触点Ⅸ闭合，从而使得接触器Ⅹ动作，接触器Ⅹ的触点闭合，即使得电磁计量泵Ⅴ动作，电磁计量泵Ⅵ和搅拌器Ⅶ的动作原理与电磁计量泵Ⅴ一致。系统流程图即控制方法如图3所示。操作员通过上位机Ⅻ设定乳化液配比浓度和需求量，PLCⅪ获取浓度和需求量信息后，即可计算出水和乳化油的需求量，计算完成后PLCⅪ输出打开电磁计量泵Ⅴ、电磁计量泵Ⅵ进行水和乳化油的定量投加，由于计量泵单次投加量固定，所以通过PLCⅪ分别计算电磁计量泵Ⅴ、电磁计量泵Ⅵ的打开时间，通过时间控制水和乳化油的定量投加控制，若在投加过程中水位液位计Ⅰ、乳化油液位计Ⅲ达到液位下限时，投加停止上位机提示添加溶液，第一次定量投加完成后，通过浓度计Ⅳ获取乳化液浓度，与设定浓度进行比较，若实际浓度大于设定浓度，则再次打开电磁计量泵Ⅴ加水，若实际浓度小于设定浓度，则再次打开电磁计量泵Ⅵ加乳化油，直到实际浓度与设定浓度差不超过0.3%，且乳化液浓度在3%~5%范围内，配比流程停止。系统控制计量泵定量投加方法：电磁计量泵可以通过面板设定冲程和频率，冲程表示单次投加的量，频率表示投加的快慢程度，该方法通过电磁计量泵面板设定好冲程和频率，即可确定每秒计量泵投加的量，以“水投加速度V1”和“乳化液投加速度V2”表示；操作员通过上位机Ⅻ设定好所需乳化液浓度和容量，PLC通过计算得出配比所需水和乳化油的量，分别以“水量L1”和“乳化油量L2”表示。即可通过以上数据计算出加水时间T1和加乳化油时间T2，有T1=L1/V1和T2=L2/V1。实例说明：假设操作员设定配比乳化液浓度为4%，需要量为10升，则通过计算需添加0.4升乳化油和9.6升水，电磁计量泵Ⅴ、电磁计量泵Ⅵ的冲程分别设定为0.2毫升和4.6毫升，频率均为2Hz（即1s投加2次），通过计算即可得出V1=0.4毫升/秒，V2=9.6毫升/秒，PLC控制电磁计量泵Ⅴ、电磁计量泵Ⅵ的通电投加时间为T1=400/0.4=1000秒，T2=9600/9.6=1000秒。该方法中T1可以不等于T2。

2.2系统实现的功能

（1）乳化液全自动配比该系统仅需操作员在上位机输入所需乳化液的浓度和体积，PLC即可自动完成相应的所需水和乳化油量的计算，并且自动控制计量泵定量定时投加水和乳化油，以及控制搅拌器完成乳化液的配比，整个过程实现全自动化配比，无须人工干预。若操作员需要对配比浓度进行微调，上位机可提供操作接口进行相应的操作。（2）低液位保护为了更好地保证乳化液配比浓度，避免计量泵空转，系统通过PLC程序设定水和乳化油的下限液位，当液位计获取的液位值小于或等于下限时，系统停止配比，并关闭计量泵和搅拌器。（3）实时查看配比过程及结果该系统上位机软件直观反映乳化液配比系统的组成，并且通过液位计和浓度计获取液位和浓度信息显示在上位机软件界面，实现配比过程的实时更新，操作员能够实时查看配比过程及结果。

3乳化液配比关键技术

3.1PLC控制技术

系统采用PLC作为控制核心，通过收集油、水、乳化液液位和浓度，自动计算指定用量和浓度的乳化液配比所需的乳化油和水的用量，并通过控制计量泵的工作时间以达到添加定量的水和乳化油。

3.2网络传输技术

乳化液配比系统位于煤矿井下，为了减少工人下井次数以及实现配比的远程全自动化操作，通过网络传输技术将乳化液配比的浓度、液位、温度等信息传输至集控中心。

3.3计量泵投加技术

计量泵为无级调速抽水泵，可根据需要调整计量泵的流量和开启时间，从而控制用量，通过PLC控制计量泵投加时间，可控制水和乳化油的投加量。

3.4传感器控制技术

系统采用液位、浓度传感器采集水、乳化油、乳化液的液位和浓度并传输至PLC，给PLC完成计算所需的基本变量，从而能够使PL更精确、更快速地完成配比。

4总结

该煤矿井下乳化液自动配比装置与传统的配制方法相比能够大幅度节约成本，并且在有高配比精度的同时还可以应用在其它乳化液配比过程中具有很高的通用性。系统配比的适合浓度的乳化液用于矿井支护设备，还可以提高支护设备的使用寿命以及提高支护设备运行效率，从而避免因支护设备的老化而产生的安全问题，该装置的研究及应用在煤矿行业具有很大的应用前景。

参考文献

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[2]田成金.工作面泵站自动控制系统的研究与实现[J].煤矿开采,2011,16(1):83-85.

[3]武利民.乳化液泵站的智能控制与应用[J].煤,2008,17(10):47-48.

作者：黄春犁 胡美玲 单位：华电郑州机械设计研究院有限公司