基于PLC的乳化液泵站自動監控系統設計與應用研究

陳建平，姚喜林，韓 浩

（晉城金焰機電有限責任公司，山西 晉城 048021）

引言

乳化液泵站作為煤炭采掘工作面的重要設備之一，可將機械能轉變成液壓能為液壓支架系統提供動力，確保采煤工作面采煤作業的安全[1]。除此之外，乳化液泵站還為刮板輸送機、轉載機等提供動力。然而，乳化液泵站所處工作環境惡劣，操作人員大多憑借自身經驗和主觀感覺確定乳化液泵站是否正常工作，極易因操作失誤出現安全事故[5]。自動監控系統隨智能制造理念的提出應運而生，并在設備控制領域取得了較為廣泛的應用，降低了工人操控的勞動強度，提高了設備利用率[6]。因此，研究基于PLC的乳化液泵站自動監控系統設計與應用研究，對于提高乳化液泵站工作效率和安全性意義重大。

1 乳化液泵站基本組成

如圖1所示，乳化液泵站總成包括乳化液泵組和乳化液箱，并配置完善的控制系統、過濾系統和安全保護系統。乳化液箱主要由儲存、回收、過濾和沉淀乳化液的裝置組成，配合乳化液泵產生壓力液體供給采煤工作面液壓支架正常工作。吸液過濾器被置于乳化液箱和乳化液泵之間，過濾進入乳化液泵的乳化液，避免污物阻塞乳化液泵和輸液管道。斷路器主要用于防止乳化液箱泄露。在高壓乳化液管路系統中，配置自動卸荷閥，設置安全閾值，當乳化液泵輸出液體的壓力超過卸荷閥安全閾值時，卸荷閥打開，避免管道和乳化液泵承受高壓甚至出現故障，當乳化液泵輸出液體的壓力降低到卸荷閥安全閾值時，卸荷閥關閉，使管路壓力恢復至工作面要求的壓力值。

圖1 乳化液泵站

2 控制系統功能要求

基于乳化液泵站組成及工作特點，監控系統需要具備三個功能：一是數據實時采集和儲存功能，即能夠完成數據的A/D轉換；二是故障報警及歷史數據查詢功能，即系統故障時及時發出警報，可通過查詢已有數據呈現故障產生的歷程；三是實時參數顯示與設置功能，便于操控人員觀察乳化液泵站運行情況，并適時發出控制指令。

3 監控系統結構組成及功能

3.1 主站監控系統

主站監控系統結構組成如圖2所示，主要由輸入隔離、信號調理、PLC、模擬量擴展、通信、觸摸屏等模塊組成，其控制功能有自動加載和卸載功能（通過控制乳化液傳輸系統中的卸載閥實現）、故障泵的替換控制功能（乳化液泵站正常工作時處于工作狀態的乳化液泵有3臺，當液壓泵出現故障時，能夠控制備用泵替換故障泵，避免出現卸壓情況）、自動監控功能（監控乳化液箱的液位、溫度和壓力，實時顯示數據并超差報警）。

圖2 主站監控系統結構組成

3.2 從站監控系統

從站監控系統結構組成如圖3所示，主要由輸入隔離、繼電器輸出、光電隔離、PLC、通訊、觸摸屏等模塊組成，主要是在監控系統處于手動模式下實現單臺乳化液泵的啟停、加載和卸載等功能。具體功能如下：一是乳化液泵定時循環功能，以便最大限度地均勻各個乳化液泵的壓力載荷，使其壽命接近，避免單臺乳化液泵長期高壓而出故障；二是自動監控功能，主要監控乳化液泵的潤滑油溫和油位、高壓出口壓力等，以便判斷乳化液泵是否出現故障并及時報警。

圖3 從站監控系統結構組成

4 監控系統的詳細設計

4.1 硬件設計

4.1.1 可編程邏輯控制器

乳化液泵站自動監控系統內部控制多為開關量模塊，控制邏輯關系較為簡單，但是數據采集信息較多，需要較大的數據處理和計算能力，因此，選擇了西門子S7-200系列的CPU226機型作為PLC。該機型具有較大的可擴展模塊及I/O接口，具有足夠的程序存儲空間和數據存儲空間，不足之處是沒有集成模擬量輸入/輸出模塊，需要額外配置模擬量擴展模塊EM235和EM231。模擬量輸入/輸出模塊能夠完成系統采集信號和控制信號的直接轉換，保證系統能夠根據實時采集的信息實現對乳化液泵站的控制。

4.1.2 傳感器

控制系統信號采集需要多個傳感器，如流量傳感器、液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、壓差變送器等。流量傳感器，選擇渦輪流量傳感器，具有體積小、工作可靠穩定、抗干擾能力強等特點；液位傳感器，選擇SL-3002型浮球液位開關，具有工作可靠性高、防腐耐用等特點；溫度傳感器，選擇PT100鉑電阻溫度傳感器，具有溫度檢測精度高、抗氧化能力強、電阻率大等特點；壓力傳感器，選擇型號為GD-307的傳感器，能夠可靠監測乳化液泵輸出端口的壓力。

4.2 軟件設計

4.2.1 主站程序設計

基于乳化液泵站控制系統功能要求，設計完成主站控制系統控制流程，如圖4所示。乳化液泵站控制系統得電后先完成運行系統初始化和主從網絡通訊程序模塊化，無異常即進入數據采集程序，完成乳化液液位、溫度、壓力、壓差等的檢測。當系統檢測得到采集數據存在異常時，控制系統將會自動發出報警信號，提示故障出現的位置和原因等，顯示在人機交互界面。之后啟動故障處理程序，給電液卸荷閥繼電器發出控制指令，使其及時進行卸載，關閉乳化液配比裝置和乳化液泵等，及時對液壓系統作出保護。

圖4 主站控制系統流程圖

4.2.2 從站程序設計

乳化液泵站控制系統從站控制程序如下頁圖5所示，主要依從于主站給出的控制指令，執行相應的控制動作。從站控制系統功能如下：一是現場采集得到檢測數據、控制信號、控制流程運行數據并將其實時傳輸至主控制系統的可編程邏輯控制器；二是接收主站控制系統傳輸過來的控制指令，并將其發送至乳化液泵站使乳化液泵站完成相應的控制動作，包括泵站定時循環運行、啟停控制、故障報警等。

圖5 從站控制系統流程圖

5 應用效果評價

為了驗證乳化液泵站控制系統的設計效果，將其應用于某乳化液泵站進行試運行，跟蹤記錄了半年時間內的運行情況。應用結果表明，控制系統運行穩定可靠，未出現人為誤操作原因導致的故障，能夠滿足乳化液泵站的控制要求。相較于原乳化液泵站控制系統，本文研究設計的系統的應用減少了乳化液泵站近15%的運行維護成本，改善了操作人員的勞動條件，使乳化液泵站的利用率提高了近20%，取得了很好的應用效果。