實時監測型乳化液自動配比系統的研究

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

在煤礦生產中，綜采工作面能夠實現支撐頂板、推溜、護壁、側護等一系列動作，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現的。但就目前而言，對乳化液的自動配制以及乳化液濃度監測還沒有一個良好的實用方案，使得能夠為乳化液泵提供濃度適中、配比均勻穩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輸，如果僅憑人工，費工費時，工作效率低，因此利用水油二相定比控制和流場乳化機理，在乳化液箱一端配制自動配比裝置，結合多種傳感器的使用，研制適應井下與綜采工作面乳化液泵配套使用的實時監測型乳化液自動配比系統。

1 二相流概述

相的概念通常是指某一系統中具有相同成分及相同物理、化學性質的均勻物質部分[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。但學科不同，相所指也有所區別，所謂相主要指物態，具有相同物態的物質是一個相。在現實中，物質的主要形態有固態、液態和氣態，也稱固相、液相和氣相。在多相流體力學中，相不僅按物態，也按化學組成、尺寸和形狀等來區分，即不同化學組成、不同尺寸和不同形狀的物質屬于不同的相。在兩相流動研究中，物質被分為連續介質和離散介質。氣體和液體屬于連續介質，也稱連續相或流體相。固體顆粒、液滴和氣泡屬于離散介質，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

實時監測型乳化液自動配比系統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，正因為這種設計，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，提高了生產效率。實時監測型乳化液自動配比系統整體的布置模擬圖如圖1所示。

圖1 實時監測型乳化液自動配比系統布置圖

自動配比乳化液箱體放置在工作面平板列車上，負責對乳化液進行配比，配比完成后通過乳化液泵進行輸送，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，負責對油桶中的乳化油進行抽取，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，負責整個系統的起停控制；小電控柜則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

本套系統的控制核心是PLC，根據系統設計的需要，初步選擇西門子公司S7-200系列CPU226型PLC作為本套系統的控制裝置，此PLC具有強大的邏輯運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一性，故采用中間繼電器傳遞設備和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

該系統的控制中心是PLC，執行機構主要是變頻器、電磁閥和齒輪泵，流量傳感器和液位傳感器組成系統的反饋裝置。系統的控制原理：通過電磁閥的使用，對水源進行通斷控制，在裝置內部，流量傳感器實時監測乳化液流量的變動，傳感器所輸出的電信號根據檢測到的流量值的不同而變化，并實時輸出，經A/D轉換器轉換為PLC可處理的數字信號。PLC接收到信號之后即將信號數值代入事先設定的程序中進行計算，所得結果與系統事先設置的取值范圍進行對比，當計算所得結果小于范圍最小值，則輸出信號至變頻器，再由變頻器調節齒輪泵的轉速使其增大，以使進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經過計算對比，結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速，以降低向混合箱體內注入乳化油的流速，通過這種方式進行循環檢測、計算對比、控制調節，最終使得混合的乳化液的濃度保持在 2%～5%[3]。

實時監測型乳化液自動配比系統主要由三部分組成，分別是PLC電控系統、定量供給系統和自動配比油箱，全過程由PLC實時控制。在配比油箱中裝有高精度液位傳感器，實時監測油箱內的乳化液液位位置，可有效避免油箱的空載和乳化液過滿而造成的溢出浪費。在配比油箱中，當乳化液達到高液位時，高液位傳感器向PLC發出信號，控制電磁閥失電，停止加水，齒輪泵停止配比混合工作：當乳化液達到低液位時，低位傳感器向PLC發出信號，控制電磁閥得點，齒輪泵開始運轉，系統開始配比工作，如此往復循環。系統控制原理圖如圖3所示。

圖3 系統控制原理框圖

5 控制技術

1）綜合運用基于水油二相流定比與流場乳化機理的可調式乳化液定比配制技術，變頻控制技術和濃度實時在線檢測技術來保證配制的乳化液濃度均勻穩定。

2）將乳化液自動配比技術集成于大型乳化液箱中，開發集配比、回收、過濾及存儲于一體的實時監測型乳化液自動配比系統。

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

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

6 結語

本文論述的乳化液自動配比裝置在實際生產過程中具有方便操作、結構簡單等優點，將會在實際使用的過程中大大提高生產效率，對未來煤礦智能化生產具有參考價值和推進意義。