陳建平，姚喜林，韓 浩

（晉城金焰機電有限責(zé)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(shè)備之一，可將機械能轉(zhuǎn)變成液壓能為液壓支架系統(tǒng)提供動力，確保采煤工作面采煤作業(yè)的安全[1]。除此之外，乳化液泵站還為刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機等提供動力。然而，乳化液泵站所處工作環(huán)境惡劣，操作人員大多憑借自身經(jīng)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(xiàn)安全事故[5]。自動監(jiān)控系統(tǒng)隨智能制造理念的提出應(yīng)運而生，并在設(shè)備控制領(lǐng)域取得了較為廣泛的應(yīng)用，降低了工人操控的勞動強度，提高了設(shè)備利用率[6]。因此，研究基于PLC的乳化液泵站自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)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(tǒng)、過濾系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)。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(chǎn)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(tǒng)中，配置自動卸荷閥，設(shè)置安全閾值，當(dāng)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(xiàn)故障，當(dāng)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(guān)閉，使管路壓力恢復(fù)至工作面要求的壓力值。

圖1 乳化液泵站

2 控制系統(tǒng)功能要求

基于乳化液泵站組成及工作特點，監(jiān)控系統(tǒng)需要具備三個功能：一是數(shù)據(jù)實時采集和儲存功能，即能夠完成數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換；二是故障報警及歷史數(shù)據(jù)查詢功能，即系統(tǒng)故障時及時發(fā)出警報，可通過查詢已有數(shù)據(jù)呈現(xiàn)故障產(chǎn)生的歷程；三是實時參數(shù)顯示與設(shè)置功能，便于操控人員觀察乳化液泵站運行情況，并適時發(fā)出控制指令。

3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能

3.1 主站監(jiān)控系統(tǒng)

主站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，主要由輸入隔離、信號調(diào)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(tǒng)中的卸載閥實現(xiàn)）、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(tài)的乳化液泵有3臺，當(dāng)液壓泵出現(xiàn)故障時，能夠控制備用泵替換故障泵，避免出現(xiàn)卸壓情況）、自動監(jiān)控功能（監(jiān)控乳化液箱的液位、溫度和壓力，實時顯示數(shù)據(jù)并超差報警）。

圖2 主站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3.2 從站監(jiān)控系統(tǒng)

從站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jiān)控系統(tǒng)處于手動模式下實現(xiàn)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(huán)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(jiān)控功能，主要監(jiān)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(xiàn)故障并及時報警。

圖3 從站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

4 監(jiān)控系統(tǒng)的詳細設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

4.1.1 可編程邏輯控制器

乳化液泵站自動監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部控制多為開關(guān)量模塊，控制邏輯關(guān)系較為簡單，但是數(shù)據(jù)采集信息較多，需要較大的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)采集信號和控制信號的直接轉(zhuǎn)換，保證系統(tǒng)能夠根據(jù)實時采集的信息實現(xiàn)對乳化液泵站的控制。

4.1.2 傳感器

控制系統(tǒng)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(wěn)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(guān)，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(jiān)測乳化液泵輸出端口的壓力。

4.2 軟件設(shè)計

4.2.1 主站程序設(shè)計

基于乳化液泵站控制系統(tǒng)功能要求，設(shè)計完成主站控制系統(tǒng)控制流程，如圖4所示。乳化液泵站控制系統(tǒng)得電后先完成運行系統(tǒng)初始化和主從網(wǎng)絡(luò)通訊程序模塊化，無異常即進入數(shù)據(jù)采集程序，完成乳化液液位、溫度、壓力、壓差等的檢測。當(dāng)系統(tǒng)檢測得到采集數(shù)據(jù)存在異常時，控制系統(tǒng)將會自動發(fā)出報警信號，提示故障出現(xiàn)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(fā)出控制指令，使其及時進行卸載，關(guān)閉乳化液配比裝置和乳化液泵等，及時對液壓系統(tǒng)作出保護。

圖4 主站控制系統(tǒng)流程圖

4.2.2 從站程序設(shè)計

乳化液泵站控制系統(tǒng)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(zhí)行相應(yīng)的控制動作。從站控制系統(tǒng)功能如下：一是現(xiàn)場采集得到檢測數(shù)據(jù)、控制信號、控制流程運行數(shù)據(jù)并將其實時傳輸至主控制系統(tǒng)的可編程邏輯控制器；二是接收主站控制系統(tǒng)傳輸過來的控制指令，并將其發(fā)送至乳化液泵站使乳化液泵站完成相應(yīng)的控制動作，包括泵站定時循環(huán)運行、啟?？刂啤⒐收蠄缶?。

圖5 從站控制系統(tǒng)流程圖

5 應(yīng)用效果評價

為了驗證乳化液泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計效果，將其應(yīng)用于某乳化液泵站進行試運行，跟蹤記錄了半年時間內(nèi)的運行情況。應(yīng)用結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)人為誤操作原因?qū)е碌墓收希軌驖M足乳化液泵站的控制要求。相較于原乳化液泵站控制系統(tǒng)，本文研究設(shè)計的系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用效果。