基于PLC 的智能型乳化液自動配制系統的研究

侯衛斌

（山西長治郊區三元南耀小常煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

乳化液是一種傳動介質，主要用于機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行使用，因其價格低廉、使用安全、潤滑性能好、防銹等優點，在各大行業中都有廣泛的應用。隨著中國煤炭工業的發展和改革，乳化液已被迅速推廣并應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生銹蝕，從而導致壽命降低，工作能力下降，甚至會有安全隱患；而濃度過高時則會使乳化油的使用量大幅提升，最直觀的結果就是成本提高，生產效益降低，對于機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]，會導致液體的泄露。因此，無論濃度過高過低都會對生產產生不可逆的影響。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。為了實現乳化液的自動配比，設計了基于PLC 的電控系統，通過安裝在油缸中的液位傳感器進行信號傳遞，通過PLC 計算控制油泵以及閥體的開關，而實時監測主要是依據安置于油缸中的高精度濃度傳感器。整套系統以PLC 為中心，結合多種傳感器的使用，有效達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械部件。乳化液系統框圖見圖1。

1 系統原理

圖1 乳化液系統框圖

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進行精確控制，實際執行機構由兩部分組成，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，多個機構協同運作，進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

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

2 系統操作方式

圖3 乳化液自動配比示意圖

此套系統共設計了三種不同的工作狀態，分別是手動、自動和半自動，當系統置于手動操作狀態時，系統的配比和輸送可以分開操作，兩者之間互不影響。保證系統中的過濾裝置、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，以保證系統管道的通暢。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行開關控制，同時啟動兩個閥，便可開始進行配制；因為系統設定的進水水流量是定值，而乳化油的流量是可調節的變量，當乳化油的流速增加時，必會導致乳化液的濃度升高，反之，當乳化油的流量降低時，乳化液的濃度會降低，因此，當出現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，便需要進行手動干預，通過手動調節變頻器從而調節乳化油的進給量，進而調節乳化液配制的濃度。當油箱中的液位傳感器檢測到乳化油低于最低限度時，便會觸發警報，系統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”的開關打開即可，電機開始運轉，齒輪泵開始向油箱中供給乳化油，當乳化油觸發高液位傳感器時，電機便自動停止運行。

當乳化液的配制量達到了高液位時，系統發出提醒并自動斷電停止配制，同時開始向工作位進行輸送。如若使用過程中發生突然事件或出現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行人為干預，系統便會依據事先的設定開始配制以用于進一步的供給，系統流程圖如圖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入工作區域，故實際中只能將乳化油箱安置在遠離工作面處[3]，在對乳化液進行配置時通過乳化油泵站將遠處的乳化油輸送至乳化液箱體內。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境等因素的考慮，用于防止在輸送裝置停止工作時出現乳化油的回流現象。輸送裝置如圖5 所示。

圖4 控制系統流程圖

圖5 遠距離乳化油輸送裝置

4 系統特點

1）系統最直接的特點便是能夠實現乳化液的自動配比，在實際使用中，可實時監測到乳化油箱和乳化液箱內的液面情況，監控系統實時監控系統運行狀況并記錄，同時具備自診斷功能[4]。

2）系統操作簡單，控制靈活，適用于多種不同控制需求，可在多種環境下使用。

3）系統的混合器選用專業的紊流乳化器，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定，對乳化液的質量有很大的提升。

4）遠距離輔助輸送乳化油泵站大大降低了工人的勞動強度，提高了生產效率。

5 結語

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