實(shí)時監(jiān)測型乳化液自動配比系統(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

在煤礦生產(chǎn)中，綜采工作面能夠?qū)崿F(xiàn)支撐頂板、推溜、護(hù)壁、側(cè)護(hù)等一系列動作，背后的主要動力源就是乳化液泵對千斤頂供給乳化液從而實(shí)現(xiàn)的。但就目前而言，對乳化液的自動配制以及乳化液濃度監(jiān)測還沒有一個良好的實(shí)用方案，使得能夠?yàn)槿榛罕锰峁舛冗m中、配比均勻穩(wěn)定的乳化液以滿足工作面的需要[1]；對乳化液配制所需要的乳化油的運(yùn)輸，如果僅憑人工，費(fèi)工費(fèi)時，工作效率低，因此利用水油二相定比控制和流場乳化機(jī)理，在乳化液箱一端配制自動配比裝置，結(jié)合多種傳感器的使用，研制適應(yīng)井下與綜采工作面乳化液泵配套使用的實(shí)時監(jiān)測型乳化液自動配比系統(tǒng)。

1 二相流概述

相的概念通常是指某一系統(tǒng)中具有相同成分及相同物理、化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分[2]，相與相之間有明顯可分的界面。例如空氣是一個相，水是一個相，水和冰是兩個相，晶體相同的兩塊不同的硫磺是一個相，晶體不同的兩塊不同的硫磺是兩個相。但學(xué)科不同，相所指也有所區(qū)別，所謂相主要指物態(tài)，具有相同物態(tài)的物質(zhì)是一個相。在現(xiàn)實(shí)中，物質(zhì)的主要形態(tài)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，也稱固相、液相和氣相。在多相流體力學(xué)中，相不僅按物態(tài)，也按化學(xué)組成、尺寸和形狀等來區(qū)分，即不同化學(xué)組成、不同尺寸和不同形狀的物質(zhì)屬于不同的相。在兩相流動研究中，物質(zhì)被分為連續(xù)介質(zhì)和離散介質(zhì)。氣體和液體屬于連續(xù)介質(zhì)，也稱連續(xù)相或流體相。固體顆粒、液滴和氣泡屬于離散介質(zhì)，也稱為分散相或顆粒相。流體相和顆粒相組成的流動叫做兩相流動。

2 裝置原件組成

實(shí)時監(jiān)測型乳化液自動配比系統(tǒng)主要是由乳化油輔助輸送泵站、自動配比裝置及儲存裝置、隔爆本安PLC電控裝置組成。乳化液箱主要是由自動配比裝置和儲液箱集合而成，正因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)，才使得乳化液箱集成了配制、貯存、過濾等功能，乳化油輔助輸送泵站主要完成將巷道外的乳化油遠(yuǎn)距離輸送給工作面配比用的乳化油箱，這樣的配置便大大減少了人員的使用，提高了生產(chǎn)效率。實(shí)時監(jiān)測型乳化液自動配比系統(tǒng)整體的布置模擬圖如圖1所示。

圖1 實(shí)時監(jiān)測型乳化液自動配比系統(tǒng)布置圖

自動配比乳化液箱體放置在工作面平板列車上，負(fù)責(zé)對乳化液進(jìn)行配比，配比完成后通過乳化液泵進(jìn)行輸送，乳化油輔助輸送泵站被安裝在工作面1 500 m外的廢棄巷道之中，負(fù)責(zé)對油桶中的乳化油進(jìn)行抽取，并輸送到自動配比乳化液箱體以供其配制乳化液之需。隔爆本安型的大電控柜放置在工作面多功能乳化液箱體，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的起?？刂疲恍‰娍毓駝t和乳化油輔助輸送泵站一起放置于廢棄巷道中，主要用于手動操作。

3PLC的選型

本套系統(tǒng)的控制核心是PLC，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，初步選擇西門子公司S7-200系列CPU226型PLC作為本套系統(tǒng)的控制裝置，此PLC具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力和邏輯解析能力，在市面上使用十分廣泛，此PLC同時配有拓展模塊作為控制器，由于礦井下實(shí)際條件使用的電源主要是交流660 V，故在使用PLC時需用變壓器將交流660V轉(zhuǎn)換成交流127V、直流24 V或直流36 V等，由于PLC的模塊具有互換性和統(tǒng)一性，故采用中間繼電器傳遞設(shè)備和PLC的I/O接口之間的信號。主電路控制圖如圖2所示。

圖2 主控制電路原理圖

4 控制工作原理

該系統(tǒng)的控制中心是PLC，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是變頻器、電磁閥和齒輪泵，流量傳感器和液位傳感器組成系統(tǒng)的反饋裝置。系統(tǒng)的控制原理：通過電磁閥的使用，對水源進(jìn)行通斷控制，在裝置內(nèi)部，流量傳感器實(shí)時監(jiān)測乳化液流量的變動，傳感器所輸出的電信號根據(jù)檢測到的流量值的不同而變化，并實(shí)時輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為PLC可處理的數(shù)字信號。PLC接收到信號之后即將信號數(shù)值代入事先設(shè)定的程序中進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果與系統(tǒng)事先設(shè)置的取值范圍進(jìn)行對比，當(dāng)計(jì)算所得結(jié)果小于范圍最小值，則輸出信號至變頻器，再由變頻器調(diào)節(jié)齒輪泵的轉(zhuǎn)速使其增大，以使進(jìn)入混合箱體的乳化油的流量增大，在保持水流量不變的前提下，從而提高乳化液的濃度。

反之同理，若PLC經(jīng)過計(jì)算對比，結(jié)果顯示乳化液濃度大于范圍最大值，則輸出信號至變頻器，再由變頻器控制齒輪泵降低轉(zhuǎn)速，以降低向混合箱體內(nèi)注入乳化油的流速，通過這種方式進(jìn)行循環(huán)檢測、計(jì)算對比、控制調(diào)節(jié)，最終使得混合的乳化液的濃度保持在 2%～5%[3]。

實(shí)時監(jiān)測型乳化液自動配比系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是PLC電控系統(tǒng)、定量供給系統(tǒng)和自動配比油箱，全過程由PLC實(shí)時控制。在配比油箱中裝有高精度液位傳感器，實(shí)時監(jiān)測油箱內(nèi)的乳化液液位位置，可有效避免油箱的空載和乳化液過滿而造成的溢出浪費(fèi)。在配比油箱中，當(dāng)乳化液達(dá)到高液位時，高液位傳感器向PLC發(fā)出信號，控制電磁閥失電，停止加水，齒輪泵停止配比混合工作：當(dāng)乳化液達(dá)到低液位時，低位傳感器向PLC發(fā)出信號，控制電磁閥得點(diǎn)，齒輪泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)開始配比工作，如此往復(fù)循環(huán)。系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制原理框圖

5 控制技術(shù)

1）綜合運(yùn)用基于水油二相流定比與流場乳化機(jī)理的可調(diào)式乳化液定比配制技術(shù)，變頻控制技術(shù)和濃度實(shí)時在線檢測技術(shù)來保證配制的乳化液濃度均勻穩(wěn)定。

2）將乳化液自動配比技術(shù)集成于大型乳化液箱中，開發(fā)集配比、回收、過濾及存儲于一體的實(shí)時監(jiān)測型乳化液自動配比系統(tǒng)。

3）利用高頻衰減原理，采用超聲波在線濃度監(jiān)測儀對定比配制乳化液進(jìn)行可調(diào)式在線濃度監(jiān)測，使配比濃度誤差控制在±0.1%范圍內(nèi)[4]。

4）隔爆兼本安的乳化油遠(yuǎn)距離輔助輸送泵站，解決了遠(yuǎn)距離乳化油輸送問題，降低了工人的勞動強(qiáng)度，簡單易操作。

6 結(jié)語

本文論述的乳化液自動配比裝置在實(shí)際生產(chǎn)過程中具有方便操作、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，將會在實(shí)際使用的過程中大大提高生產(chǎn)效率，對未來煤礦智能化生產(chǎn)具有參考價值和推進(jìn)意義。