张妮
国家能源集团神东设备维修中心一厂四部 陕西省神木市?719300
摘要：煤矿使用的乳化液泵站设备额定的乳化液压力通常都超过实际需要的乳化液压力．又因为工艺要求需要在运行中变更乳化液．而目前采用溢流阀控制压力和流量的调节方式较为普遍，虽然方法简单，但实际上是通过人为增加阻力的办法达到调节的目的．这种节流调节方法浪费大量电能．回收这部分电能损耗会收到很大的节能效果。而随着技术的发展，乳化液泵站变频自动化控制系统的诞生使乳化液泵站系统的增效有了实际的应用，并收到很好的效果。
关键词：乳化液泵；自动化变频；工作原理
在大流量的工作背景下，乳化油浓度过高，会大大增加乳化液的成本，降低乳化液的消泡能力，增加橡胶等材质的密封设备的溶胀性，当乳化液发生气泡空蚀和密封设备损坏时，更会降低采煤设备的使用寿命；同时系统一旦发生泄漏高比例的乳化油会对环境造成极大的污染。现有的乳化液配比系统大多采用浓度传感器测量所配置乳化液浓度信号并进行反馈调控的闭环浓度控制系统。但由于综采工作面覆盖范围广，响应时间和反馈时间都比较长，且乳化油的亲水性导致浓度传感器浓度测量困难，测量精度不高等原因，导致现有的闭环控制系统不能很好的达到乳化液自动配比系统的精度要求。
一、乳化液自动系统的工作原理
本方案设计乳化液自动配比系统通过利用容积效率高的三柱塞水介质柱塞泵为执行元件，利用 PLC 调控变频器为控制元件，借由系统输出体积为固定比值的静压水和乳化油进行乳化液不同浓度的精准配置并通过多套系统同时工作满足大流量需求。通过永磁电动机的变频调速满足不同浓度配置下的浓度精准调控。在本设计方案中，控制系统即 S7-300 接收水箱和油箱的液位计显示的液位信号决定系统启停，当任一液位低于最低值时，系统始终处于关闭状态无法开启，同时指示灯工作提醒工作人员补液；在系统运行中，液位过低时系统进行紧急制动。当油箱和水箱液体充足时，系统检测混合油箱液位，若混合油箱液位过高，系统仍旧不能启动。当上述两信号均满足系统要求时，泵控主站进行配置浓度模式选择，进而设定水泵电动机的转速和油泵电动机初始转速。由于水泵流量较大，而在柱塞泵运行过程中，受多种因素影响，水泵本身实际输出流量波动较大，因此需要利用系统中静压水的实际输出流量信号计算得出系统中所需的乳化油实际流量。泵控主站检测系统中实际输入的静压水的流量信号反馈调节进行乳化油的输出流量，通过与吸油泵相连接的变频器调节带动油泵电动机的转速，进行流量的实时调控。
二、乳化液自动配比系统控制系统设计
乳化液自动配比系统的控制系统设计要求是应在保证本质安全的情况下，主要满足精准调控和实时响应两大设计要求。因此本节将对乳化液自动配比系统进行电气控制元件及各传感器设计研究，主要从传感器设计选型、可编程控制器设计和外接电源电路设计方面进行研究。
1、传感器选型。乳化液自动配比系统使用到的传感器是对水路实时流量进行检测的流量传感器。在已有的很多方案中，设计者大多采用测量乳化液浓度的浓度传感器作为闭环控制的反馈信号，但由于乳化液中乳化油浓度很低，且乳化油具有一定的亲水性，使得现有的浓度传感器不能实现乳化液浓度的精准测量，进而无法精准的反馈浓度信号。因此在本设计方案中，转换思路方式，选择更为成熟可靠的流量传感器实现两种液体体积比固定的方式进行浓度调控。因此在本设计方案中，能够精准测量并准确反馈流量的信号的流量传感器分外重要。现有的流量传感器有很多种，本方案设计使用涡轮流量传感器作为水路流量信号采集的装置。其流量传感器的流量方程为：
通过公式可以发现，控制系统需要测量并采集静压水的实时流量，并在控制系统中进行计算，进而实现对油路的输出量调控，实现浓度的精准控制。因此，结合可以实时输出流量信号的涡轮流量传感器，在控制系统流量调控方面建立由直流稳压电源、流量传感器、数据采集卡和上位机组成的流量信号采集系统。
结合综采工作面的实际工况和系统设计需求，本方案使用的流量传感器为LWG型涡轮流量计，最大工作压力为 6.3MPa，输出信号幅值为 4-20m A。采集卡采集信号有电流信号和电压信号两种模式，但以抗干扰信号最强为选择标准。在本设计中，选择使用采集卡USB2884，这种采集卡可以实现通道信号的同步采集，且采样频率较高，最高为 250ks/s，ADC 分辨率为 16 位，可以很好的采集并还原系统所需的实时流量信号，同时输出量程有±10V、±5V 两种模式可选。但由于该采集卡端口接收信号为电压型模拟量，因此需要将流量传感器实时采集的 4-20m A 模拟量电流信号，转换为 0-5V 电压信号后才能被采集卡采集。同时结合系统所使用的可编程控制器，可以很好的接收并使用电压型模拟量，因此将流量传感器采集到的电流信号转换成电压信号可以方便系统进行数据采集并实现控制程序计算。在实际工作环境下只需要将静压水的信号输送至可编程控制器进行计算控制，但在进行模拟实验室，由于需要系统的实时流量进行实验结果的检验，因此采集油路和水路两条支路的流量信号，具体信号采集方式。信息采集系统主要应用于模拟实验，因此在设计时不需要考虑本安条件。上位机程序由 Lab VIEW 编写。调用采集卡带有的板卡驱动函数，使得用户可以在使用采集卡进行信号采集时，只需要将接口单元加入到用户工程中，标注接口模块即可以顺利使用采集卡进行数据采集。操作简单便捷，由于调用函数结构简单，增加系统的可靠性。
2、可编程控制系统设计。本设计方案的控制系统需要实现安全警报，启停，模式切换，浓度自调等多种功能，因此在进行控制系统设计时，需要根据系统需求对输入、输出信号进行分类统计，以选择性价比较高的 PLC 控制芯片并配置相应的控制模块，在满足系统功能所需的基础上实现资源利用最大化。开关量输入信号包括三种浓度配置模式选择，总开关，启动开关，急停开关、两油箱液位指示开关以及停止按钮，水路流量传感器输入直流电压信号等 13 个输入信号；输出到变频器的频率调节信号和各故障指示灯等 7 个输出信号。为满足上述输入输出信号，控制系统应配有相应的系统硬件选型。
3、变频器连接线路设计。乳化液自动配比系统中的控制系统采用 S7-300 系列 PLC 控制，执行系统的全部动作。控制内容包括两条支路电动机的启停，急停，报警指示灯，液位控制开关、模式选择开关等。其中通过可编程控制器结合变频器进行油量的精准调控是本设计控制系统的重中之重。因此在本方案中变频器的控制电路尤为重要，首先控制系统应实现变频器的启停动作，其具体接线如图所示。
可编程控制器在控制变频器启停时，主要是连接变频器后水路和油路两条支路的电动机启停控制。由于水路电动机的功率为 7.5KW，运行功率较大，在启动过程中电路中的电流脉冲较大，因此在控制该电动机启动时，应使用 Y-Δ 启动方式启动，避免在启动过程中电压和电流过大，对控制电网造成较大损伤，同时保护系统电路，增加系统可靠性。油路电动机功率相对较低，可以直接启动，提高系统响应速率。因此 380V 的工业电源线从变频器的 U/V/W 端连入后，在变频器的 R/S/T 端，油路电动机（M2）接线方式为直接连接，水路电动机（M1）的接线方式为 Y-Δ 方式接线。由于油路电动机为永磁电动机，在接线时一定要保证接地线可靠连接，避免因漏磁产生安全事故。
基于乳化液自动配比系统的控制系统。以乳化液自动配比系统需执行动作为分析对象。选择S7-300 系列 CPU312 的 PLC 控制器，结合各开关信号和流量传感器，实现了乳化液自动配比系统的自动化控制；并对控制系统进行硬件设备的设计与选型，以及系统运行程序设计。
参考文献：
[1] 王东, 王正良,高庆峰. 乳化液溶液浓度自动配比装置[J]. 煤炭技术, 2019, 22(3): 18-19.
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