基于PLC 的智能型乳化液自動配制系統(tǒng)的研究

侯衛(wèi)斌

（山西長治郊區(qū)三元南耀小常煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046000）

引言

乳化液是一種傳動介質(zhì)，主要用于機(jī)械液壓的使用過程中，同時也在金屬切削過程中作為切削液進(jìn)行使用，因其價格低廉、使用安全、潤滑性能好、防銹等優(yōu)點，在各大行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用。隨著中國煤炭工業(yè)的發(fā)展和改革，乳化液已被迅速推廣并應(yīng)用于實際的煤炭開采過程。乳化液在實際煤礦的開采過程中，主要在液壓支架和支柱上進(jìn)行使用，這些器械的使用對于乳化液的濃度具有較高的要求，通常使用的乳化液濃度需維持在3%～5%[1]，如若濃度過低，會影響到乳化液的防銹能力以及潤滑能力，會使液壓器件之間發(fā)生銹蝕，從而導(dǎo)致壽命降低，工作能力下降，甚至?xí)邪踩[患；而濃度過高時則會使乳化油的使用量大幅提升，最直觀的結(jié)果就是成本提高，生產(chǎn)效益降低，對于機(jī)器的影響主要是消泡能力下降，橡膠等用于密封的材料的溶脹性提高[2]，會導(dǎo)致液體的泄露。因此，無論濃度過高過低都會對生產(chǎn)產(chǎn)生不可逆的影響。這樣一來，提高乳化液配比的精確性便成為解決問題的最主要的方式。為了實現(xiàn)乳化液的自動配比，設(shè)計了基于PLC 的電控系統(tǒng)，通過安裝在油缸中的液位傳感器進(jìn)行信號傳遞，通過PLC 計算控制油泵以及閥體的開關(guān)，而實時監(jiān)測主要是依據(jù)安置于油缸中的高精度濃度傳感器。整套系統(tǒng)以PLC 為中心，結(jié)合多種傳感器的使用，有效達(dá)到乳化液濃度的精確配比，乳化液配制完成后將由乳化液泵將混合完成的乳化液傳輸至各個機(jī)械部件。乳化液系統(tǒng)框圖見圖1。

1 系統(tǒng)原理

圖1 乳化液系統(tǒng)框圖

此套裝置的核心裝置便是控制單位PLC，通過PLC 強大的計算和邏輯能力對系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，實際執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩部分組成，第一部分是自動配比裝置，用于水和乳化油的混合，第二部分是加油裝置，主要用于乳化油的供給。多種傳感器組成系統(tǒng)的檢測裝置，有流量傳感器、液位傳感器、濃度傳感器組成，多個機(jī)構(gòu)協(xié)同運作，進(jìn)行乳化液的自動配比，以能夠及時將配制完成的乳化液供給至乳化液泵進(jìn)行輸送，滿足開采裝置的使用。液壓原理圖如圖2 所示。

圖2 液壓原理圖

該系統(tǒng)的核心是PLC，使用過程中根據(jù)乳化液配置比例固定配比箱中水流量的流速，通過調(diào)節(jié)乳化油進(jìn)給的流量，以達(dá)到對乳化液濃度的靈活和精準(zhǔn)的控制。其工作原理是通過電磁閥2 對水源的流入進(jìn)行控制，流量控制閥1 的主要目的是確保水流量及壓力的穩(wěn)定，濃度傳感器4 通過對乳化液濃度的實時監(jiān)測，并將捕捉的信號轉(zhuǎn)化為電信號傳入PLC，PLC 讀取信號后與給定的3%～5%數(shù)值進(jìn)行比較，若比較結(jié)果低于給定區(qū)間范圍，則調(diào)節(jié)齒輪泵的轉(zhuǎn)速，齒輪泵的轉(zhuǎn)速由變頻器7 調(diào)節(jié)，乳化油流量的提高需要通過提高齒輪泵的轉(zhuǎn)速方可實現(xiàn)；相反，如果結(jié)果相交給定區(qū)間范圍，則降低齒輪泵的轉(zhuǎn)速以降低乳化油的流量，齒輪泵的轉(zhuǎn)速和乳化油的流量成正比關(guān)系。配比示意圖如下頁圖3 所示。

2 系統(tǒng)操作方式

圖3 乳化液自動配比示意圖

此套系統(tǒng)共設(shè)計了三種不同的工作狀態(tài)，分別是手動、自動和半自動，當(dāng)系統(tǒng)置于手動操作狀態(tài)時，系統(tǒng)的配比和輸送可以分開操作，兩者之間互不影響。保證系統(tǒng)中的過濾裝置、配比裝置、乳化油箱、乳化液箱出口處的球閥均處于打開狀態(tài)，以保證系統(tǒng)管道的通暢。此時需打開電控柜，手動操作乳化液的配制工作需要通過對乳化油的油閥和水的水閥進(jìn)行開關(guān)控制，同時啟動兩個閥，便可開始進(jìn)行配制；因為系統(tǒng)設(shè)定的進(jìn)水水流量是定值，而乳化油的流量是可調(diào)節(jié)的變量，當(dāng)乳化油的流速增加時，必會導(dǎo)致乳化液的濃度升高，反之，當(dāng)乳化油的流量降低時，乳化液的濃度會降低，因此，當(dāng)出現(xiàn)在實際配制過程中乳化液濃度低于范圍下限或高于上限時，便需要進(jìn)行手動干預(yù)，通過手動調(diào)節(jié)變頻器從而調(diào)節(jié)乳化油的進(jìn)給量，進(jìn)而調(diào)節(jié)乳化液配制的濃度。當(dāng)油箱中的液位傳感器檢測到乳化油低于最低限度時，便會觸發(fā)警報，系統(tǒng)提醒工作人員及時補足油箱中乳化油，此時將“手動開輸油泵”的開關(guān)打開即可，電機(jī)開始運轉(zhuǎn)，齒輪泵開始向油箱中供給乳化油，當(dāng)乳化油觸發(fā)高液位傳感器時，電機(jī)便自動停止運行。

當(dāng)乳化液的配制量達(dá)到了高液位時，系統(tǒng)發(fā)出提醒并自動斷電停止配制，同時開始向工作位進(jìn)行輸送。如若使用過程中發(fā)生突然事件或出現(xiàn)緊急需求需要臨時加緊乳化液的配比工作，但箱中貯存的乳化液量還未觸及液位傳感器，此時只需啟動半自動模式進(jìn)行人為干預(yù)，系統(tǒng)便會依據(jù)事先的設(shè)定開始配制以用于進(jìn)一步的供給，系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

3 乳化油輸送裝置

由于乳化液的自動配比需要不間斷的乳化油供給，但實際使用情況不允許裝載乳化油的箱體進(jìn)入工作區(qū)域，故實際中只能將乳化油箱安置在遠(yuǎn)離工作面處[3]，在對乳化液進(jìn)行配置時通過乳化油泵站將遠(yuǎn)處的乳化油輸送至乳化液箱體內(nèi)。乳化油輸送裝置核心組成是加油裝置，其主要作用是源源不斷將乳化油添加至儲油箱，再根據(jù)工作面乳化液箱的配比工作需求，將儲油箱的油泵向乳化液箱體內(nèi)供給乳化油，其主要組成部分是齒輪泵及單向閥，單向閥的選用主要是出于對工作環(huán)境等因素的考慮，用于防止在輸送裝置停止工作時出現(xiàn)乳化油的回流現(xiàn)象。輸送裝置如圖5 所示。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

圖5 遠(yuǎn)距離乳化油輸送裝置

4 系統(tǒng)特點

1）系統(tǒng)最直接的特點便是能夠?qū)崿F(xiàn)乳化液的自動配比，在實際使用中，可實時監(jiān)測到乳化油箱和乳化液箱內(nèi)的液面情況，監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況并記錄，同時具備自診斷功能[4]。

2）系統(tǒng)操作簡單，控制靈活，適用于多種不同控制需求，可在多種環(huán)境下使用。

3）系統(tǒng)的混合器選用專業(yè)的紊流乳化器，此混合器的使用效果顯著，實際使用中，可使配制的乳化液更加均勻和穩(wěn)定，對乳化液的質(zhì)量有很大的提升。

4）遠(yuǎn)距離輔助輸送乳化油泵站大大降低了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

基于PLC 的乳化液自動配制裝置具有監(jiān)測、配制、存貯等多種功能，能夠通過電控的方式結(jié)合傳感器技術(shù)實現(xiàn)乳化液的高效配制，大大提高了實際的生產(chǎn)效率，降低了人員使用成本，同時推動了中國煤礦業(yè)的智能化和數(shù)字化發(fā)展。