煤矿充填材料制备工艺控制系统的研制.pdf

青岛理工大学 硕士学位论文 煤矿充填材料制备工艺控制系统的研制 姓名李克 申请学位级别硕士 专业控制理论与控制工程 指导教师张天开 201206 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 煤矿充填工艺是近年来发展起来的一项高效、环保、安全的煤矿开采利用技 术，能够有效的解决我国在煤炭开采中存在的诸多问题，例如地表沉降严重、生 态环境破坏等。 本课题主要针对高水膨胀充填材料的整个制备过程进行研究，并制作控制系 统以实现充填材料的自动制备工艺和自动输送工艺。该系统以可编程逻辑控制器 P L C 为控制核心，以触摸屏和琴式按键操作台为操作平台，利用各类传感器 检测液位、料位、流量等信息，同时根据制定的控制策略来自动调节变频器的输 出频率和电动阀的阀门开度，实现材料制备过程及输送过程的自动化。 通过对整个充填工艺的了解，自主研制了一种新型沉筒式液位计作为在高水 膨胀材料制备过程中的液位检测装置。该装置能够适应高温、高压、重粉尘、蒸 汽、搅拌及材料本身具有粘附性和凝固性等复杂工业环境，能够保证液位检测数 据的准确性。 控制系统主要分为三个子系统料浆制备系统、料浆输送系统及自动控制系 统。其中自动控制系统是整个控制系统的核心，完成处理检测数据、发送控制指 令及处理系统故障报警等功能。 本系统自安装调试以来，一直保持持续稳定、高效的运行，很大程度上提高 了充填的效率，保证了充填的安全性。 关键词煤矿充填；可编程逻辑控制器；新型沉筒式液位计；触摸屏 A bs t r a c t T h ec o a lm i n ef i l l i n gp r o c e s si sa ne f f i c i e n t ，e n v i r o n m e n t a la n ds a f et e c h n o l o g y i nt h ec o a lm i n i n gu s i n gi nr e c e n ty e a r s ．I tC a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m si no u r c o u n t r y ’Sc o a lm i n i n gp r o c e s s ，s u c ha st h es e r i o u ss u r f a c es u b s i d e n c ea n dt h e d e s t r u c t i o no fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ． T h i st o p i cm a i n l ys t u d i e st h ep r e p a r a t i o no ft h ew a t e re x p a n s i v em a t e r i a l s ，a n d t h e np r o d u c e st h i sc o n t r o ls y s t e mt or e a l i z et h ea u t o m a t i cp r o c e s so ft h ef i l l i n g m a t e r i a l sp r e p a r a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n ．T h es y s t e mu s e dt h ep r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r P L C a st h ec o n t r o lc o r e ，t h et o u c hs c r e e na n dj e a nt y p ek e ya so p e r a t i o n p l a t f o r m ，a n dk i n d so fs e n s o rd e t e c t i o n t o g e tt h el i q u i dl e v e l ，f l o wa n do t h e r i n f o r m a t i o n ．I no r d e rt or e a l i z et h ea u t o m a t i o no ft h em a t e r i a lp r e p a r a t i o np r o c e s sa n d t r a n s p o r t a t i o np r o c e s s ，t h es y s t e mC a na d j u s tt h ei n v e r t e rf r e q u e n c ya n dt h eo p e n i n g o ft h ee l e c t r i cv a l v e sa u t o m a t i c a l l y ． W i t ht h eu n d e r s t a n d i n go ft h ew h o l ef i l l i n gp r o c e s s ，an e w s i n k i n gt u b el e v e l g a u g eh a sb e e np r o d u c e da st h el e v e ld e t e c t i o ni nt h i ss y s t e m ．T h i sd e v i c eC a na d a p t t ot h es i t u a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hv o l t a g e ，h e a v yd u s t ，s t e a m ，m i x i n g ．I tn o t o n l ya v o i dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f a d h e s i o na n ds o l i d i f i c a t i o nw h i c ht h em a t e r i a l sh a v e ， b u ta l s og u a r a n t e et h ea c c u r a c yo ft h et e s td a t a ． T h ec o n t r o ls y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot h r e es u b s y s t e m s m a t e r i a l sp r e p a r a t i o n s y s t e m ，m a t e r i a l st r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma n da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ．A m o n gt h e m t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi st h ec o r eo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ．I tm a i n l y c o m p l e t e st h ep r o c e s s i n go ft e s t i n gd a t a , s e n d i n gc o n t r o li n s t r u c t i o na n dd e a l i n gw i t h t h es y s t e ma l a r m ． T h i ss y s t e mh a sb e e nk e p tas t a b l ea n de f f i c i e n to p e r a t i o ns i n c et h ei n s t a l l a t i o n ． I th a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ef i l l i n g ，a n de n s u r e dt h es a f e t yo ft h i s p r o c e s s ． K e yw o r d s c o a lm i n ef i l l i n g ；P L C ；n e ws i n k i n gt u b el e v e lg a u g e ；t o u c hs e r e e l l Ⅱ 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 ．1 本课题的研究背景 第一章绪论 煤炭是我国的主要能源物资，在我国能源结构中占7 0 ％以上，随着国民经济 的发展，煤炭的需求量不断增加。由于之前我国在煤炭开采过程中存在的诸多问 题以及开采技术的限制，我国煤炭开采利用率只有不到5 0 ％，煤炭的充填回采利 用率更低。 煤炭开采引起了岩层运动和地表塌陷等严重的地质灾害，并对地上建筑物， 铁路，水体和周边环境造成了严重的影响[ 1 】。随着煤炭开采技术水平的提高，为 了解放“三下”压煤以及对生态环境的保护，煤矿充填开采技术得到了极大发展 【2 】 o 煤矿充填开采法是将充填材料输送到井下，通过对采空区的回填起到控制岩 层移动，延缓地表沉降及保护地面建筑的作用。 1 ．2 我国煤矿充填开采工艺现状分析 从我国的煤矿充填开采工艺的发展过程来看，煤矿充填开采主要分为传统充 填开采法和现代充填开采法。 传统充填法采用的充填材料主要是煤矸石和粉煤灰等固体原料，充填方式主 要有矸石自溜充填、矸石带状充填和风力充填等。 1 矸石自溜充填是用辅助运输工具把矸石由开采工作面直接运输到采空 区进行冲填作业，此方法适用于煤层开采倾角较大时。由于矸石不用运出掘进工 作面而直接倾斜到采空区，一方面减少了环境污染，另一方面采用矸石自溜方式 节省了运输成本【3 】。 但该方法适用条件较窄，只能在煤层开采倾角较大的情况下适用，不能够得 到大面积的推广使用，且充填效果较差。 2 矸石带状充填是沿掘进工作方向，通过垒砌矸石带来支撑顶板，保证 矿道的顶板不至于塌陷，达到减缓地表沉降的目的。该方法需要借助运输工具将 青岛理工大学工学硕士学位论文 煤矸石等充填材料运送到采空区，运输成本较高且工作过程较为复杂。现场检测 研究表明，带状充填可以有效控制地表沉降，地表下沉系数可控制在O ．3 【4 】。但 是其最大的缺点是条带煤炭将会永久性的损失掉，工作面的采出率大约在 3 0 ％一5 0 ％，这是制约其大面积推广的重要原因。 3 风力充填是利用压缩空气将粉碎到一定粒度的煤矸石，加上各种粘结 剂和惰性材料，通过垂直管路输送到井下贮料仓，并利用风压将充填材料输送到 采空区进行充填。该方式工作过程较为复杂，充填成本较高，实际充填效果一般， 地表下沉系数在0 ．5 o ．6 之间【5 】。 由以上可以看出，传统的煤矿充填主要采用开采出的煤矸石来起到回填抗压 的作用，有效地遏制了地表塌陷和沉降灾害，并减少了矿区的生态污染以及由此 所引发的生态破坏和土地退化。但是就传统充填方式来看，其运送充填材料的高 昂成本及工作复杂性，制约其大范围的推广使用，此外该方法的实际充填效果因 其材料及工艺的限制，地表下沉系数在O ．3 ～0 ．6 之间，从地表沉降控制效果上看， 该方式对于地面上重要建筑物的保护尚不可靠。 相对于传统的充填开采，现在充填开采法主要在充填材料和充填方式上进行 了改进，一般分为膏体充填，似膏体充填和高水材料充填等。 1 膏体充填主要利用煤矸石、尾矿、粉煤灰等在地面上制成无临界流速 的膏状浆体，利用高密度固体充填泵和重力作用通过管路泵送到采空区来进行充 填【6 】。该方法在采空区形成由膏状浆体为主的支撑体系，依靠构筑充填条带来支 撑覆岩，以达到控制地表沉降的目的。该方法具有高采出率、环保及材料选择广 泛等优点，充填后的地表下沉系数最大为0 ．1 1 ，能够很好地保证地面建筑物的安 全。 2 似膏体充填是利用工业垃圾或河沙等作为骨料，全砂土固结材料作为 胶结剂，制成重量浓度为7 4 ％7 6 ％的似膏体材料。似膏体充填可以利用泵压 或重力作用输送到采空区来形成支撑体系，有效控制岩层活动【7 1 。似膏体材料 既具有良好的流动性，又具有较高的强度性，其充填后的地表下沉系数在0 ．1 左 右。 3 高水膨胀材料充填是近几年发展起来的新型充填方式，主要采用新型 高水膨胀材料作为充填用料。高水膨胀材料是利用粉煤灰、赤泥、尾矿、风积沙 青岛理工大学工学硕士学位论文 等硅质材料，加上各种辅料和水制成的一种固水质量比在1 1 ．3 左右的浆体材料。 其主要特点是具有良好的流动性，能够实现自流输送；在8 h 以后形成固体并 可承受压力，1 2 h 后单向抗压强度大于O ．5 M P a ，2 8 天单向抗压强度大于2 ．2 M P a ， 2 个月单向抗压强度大于1 5 ．6 8 M P a 【8 1 。高水材料充填采用管路自流充填方式，不 需要外部的输送动力，节约了运输成本；在采空区可采用挂包充填和隔板充填方 式，逐渐形成支撑体系，充填后的地表沉降最小值为2 m m ，平均值为3 ．6 6 m m ， 地表沉降控制效果显著。 综上所述，在如今比较多的充填开采方法中，高水膨胀材料充填应该是今后 煤矿充填开采的重点推广技术，该技术与上述充填方式相比具有明显的优势。 表1 ．1 高水膨胀材料充填开采技术优势 ＼＼类别 ＼ 高水膨胀材料充填开采技术其他充填开采技术 比较项目＼ ＼ 流动性 自流输送机械输送 膨胀性1 0 ％2 0 ％收缩1 ‰5 ％ 接项情况主动接顶无法接项 适用范围所有“三下煤矿“ 回采低等级保护下开采 采空区充实率 1 0 0 ％7 0 ％ 地表沉降不明显明显 8 h 以后形成固体，1 2 h 后单2 4 h 不能形成固体且不 充填体强度向抗压强度大于0 ．5 M P a ，2 8能承压 天单向抗压强度大于 2 ．2 M P a 1 ．3 本课题的研究内容和核心工作 本课题针对某煤矿充填开采的实际情况，结合高水膨胀材料的制作要求，研 制出一套充填材料制备工艺控制系统。 本课题的研究内容有 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 、研究高水膨胀材料的制备过程； 2 、通过对充填过程的了解，设计一种新型沉筒式液位计作为在高温、高压、 重粉尘、蒸汽及材料本身有较强粘附性和凝固性等复杂工业环境下的液 位检测装置。 3 、研究控制系统的电气原理设计并完成硬件结构设计； 4 、完成控制系统的软件设计； 5 、完成上位机软件的开发和设计； 6 、完成控制系统的制作、安装、调试； 7 、完成现场的安装调试运行及数据的采集、分析。 其中核心工作 1 、通过对充填过程中各个过程罐的工作了解，自主设计了一种新型沉筒式液 位计作为在高温、高压、重粉尘、蒸汽及材料本身的粘附性和凝固性等复 杂工业环境下的液位检测装置。 2 、制定高水膨胀材料制备工艺控制策略，设计P L C 及触摸屏的软件环节，根 据使用要求来设计人机界面。 3 、上位机与P L C 之间通过R S 4 8 5 进行连接、P L C 与触摸屏之间通过R S 2 3 2 进行连接，数据信息、控制指令及时、有效的传输，建立稳定、可靠并具 有一定规模的控制系统。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 第二章煤矿充填材料制备工艺控制系统的研究 在本章中，将详细介绍该控制系统的整体方案研究。根据材料制备工艺现场 环境和系统的控制要求，制定完善的控制系统方案，包括系统的硬件实现和软 件实现。 2 ．1 系统的总体研究 煤矿充填材料制备工艺控制系统主要是通过对材料制备过程中各个过程罐 的信息采集和数据处理，根据制定好的控制策略来控制变频器输出频率及相关电 动阀的开度大小，来完成材料制备的自动化过程。该系统主要分为三个子系统 料浆制备系统、料浆输送系统和自动控制系统。 2 ．1 ．1 料浆制备系统 料浆制各系统是由两个制各初浆材料的初浆罐、两个贮存各种辅助材料的辅 料罐、一个成浆罐以及辅助的送料设备组成。在正常工作情况下，1 j [ i } 初浆罐进行 充填作业的同时，2 ≠} 初浆罐进行初浆的制备准备工作，两者之间成一种切换关系， 保证成浆充填的连续性。此外，系统根据辅料罐的料位数据来判断辅料的使用情 况，并在辅料储备不多的情况下，提醒工作人员进行辅料的补充。 料浆制备系统将基料、辅料、水按照配方指定的比例混合后制成固水质量比 为1 1 ．3 ～1 ．5 的充填料浆，即高水膨胀材料。 2 ．1 ．2 料浆输送系统 料浆输送系统是由钢复合超高分子量聚乙烯管路和控制流量的恒流盘装置 组成，用来将料浆制备系统产出的高水膨胀材料输送至充填区域。为防止意外情 况发生时料浆凝结在成浆罐内，在成浆出口处设置成浆紧急排放口，确保充填的 安全性。 2 ．1 ．3 自动控制系统 自动控制系统是本系统的重要控制子系统，实现本系统中包括成浆液位控制 及各种信息数据的采集和处理。 青岛理工大学工学硕士学位论文 其主要功能是 1 、检测、控制初浆制备过程中各种基料的使用量。 2 、检测、控制辅料制备过程中各种辅料的使用量。 3 、检测、控制成浆制各过程中各种初浆、辅料的添加量，实现制备工艺要 求的混合比将各种材料混合制备成为合格的高水膨胀材料。 4 、根据数据检测单元检测的实时数据，包括初浆罐的液位高度、温度、流 量，辅料的料位高度以及成浆罐的液位高度、浮球高度、温度、流量等 信息。按照既定的控制策略，调节各变频器的输出频率和各电动阀的阀 门开度，保证成浆液位稳定在设定值允许的范围内。 5 、检测料浆制备系统、料浆输送系统在运行过程中的状态，并依据各系统 的运行情况做出系统运行正常或系统运行故障报警。 下图为煤矿充填材料制备工艺系统结构图 进水主管 №进水控制 滁测 ∑Z 二二∑z ，_ 小初浆泵1 液位检测I e 一 温度检测I 初浆罐1 两 掣控制 №初浆l 什流量检测 妒进水控制 黻测 Zf 型 小初浆泵2 ＼V 液位检测I e 一 温度检测{流量控制 初浆罐2 舻肾 №初龅 成浆 流量检测 成浆 恒流盘装置①过滤器 料位检测I I 料位检测 辅料罐1l 辅料罐2 雩测隅黼制隅⋯ 射成浆泵小凼 液位检测浮球检测 Q 温度传感器 图1 ．1 系统工艺结构图 6 成浆罐 输送机 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 ．2 控制系统整体方案 在该系统中选用可编程逻辑控制器 P L C 作为程序处理、数据采集、加工 及各项检测、控制的核心器件‘9 1 ，配合上位机、触摸屏和琴式按键操作台提供人 机界面和操作平台，完成充填材料制备过程的自动化控制。 该控制系统主要完成以下功能 1 、实现各个初浆罐、成浆罐的液位高度、温度、流量、浮球高度以及辅料 罐的料位高度等信息的准确检测。 2 、根据检测到的成浆罐液位高度和当前浮球的高度，调节初浆罐的流量控 制电动阀的阀门开度，改变初浆流量，进而调整成浆液位高度保持在理 想值上下。 3 、通过检测到的初浆罐流量的大小，调节辅料变频器的输出频率，改变辅 料的进给量，使得初浆和辅料的配比能够按照事先制定的材料工艺配方 进行。 4 、完成和上位机以及触摸屏的数据传输工作，提供丰富的人机界面环境。 控制系统的整体控制结构图如下所示 榕制堕亓。 碰j l q 早兀 寸彳亍习1 私2 撑辅料罐科位检测传。擎器l I ，* 丛涧d “．瞎口曲 ／1 甜1 * 2 撑初浆罐液位检测传感器 ＼ 碧爿l 粕2 样初浆罐温度检测传感器 模拟量 输入单元 斧爿 成浆浮球高度检测传感器 显示 ／1卜 触摸屏 ＼厂] ／ 爿初浆罐及成浆罐流量传感器 ℃二爿成浆罐温度、液位检测传感器1 C P U ／1卜＼ 开关量 ／L 剖 各类状态输入 ＼厂] ／ 输入单元 ＼厂 单元 执行单元 卜＼ 爿1 蜘2 撑初浆罐搅梦电机变频器 ∥ 模拟量 浏 成浆罐搅拌电机变频器 输出单元 浏 1 撑．2 群辅料输送机变频器 电源及 辅助电路 爿 1 ．2 { | j } 初浆出浆量控制 几八 开关量 ．爿 成浆出浆量控制 ＼厂] 刀 输出单元l 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 ．3 本章小结 图1 ．2 控制系统整体控制结构图 本章主要介绍了系统的结构组成，并根据控制系统的要求和主要功能完成了 系统整体方案的设计。选择P L C 作为该方案的控制核心，以触摸屏和琴式按键 操作台作为工作人员的操作平台。由于本系统的控制实现多依赖于检测数据的准 确性，故液位检测装置的选择将关系到本系统的实现与否，在本文的后续部分将 重点阐述液位检测装置的研制以及系统硬件和软件的实现。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第三章新型沉筒式液位计的研制 在该系统中，控制策略的实现需要准确的检测数据作为强大的支撑。通过对 充填材料制备工艺现场环境的了解和分析，同时参考国内外众多液位检测装置发 现在该生产工艺下，传统的液位检测装置都无法实现初浆罐以及成浆罐液位数 据的检测工作。在本章中，将依据应用和现场状况要求设计一种新型沉筒式液位 计，它可以在高温、高压、重粉尘、蒸汽等复杂工业环境下正常、准确地检测液 位数值，为控制系统提供实时、准确的数据支持。 3 ．1 充填材料制备工艺现场环境分析 在充填材料制备工艺中，由于所加材料本身的特性以及制备工艺的特殊要 求，初浆罐和成浆罐内的液位检测环境处于一种十分复杂的工况下，为数据的检 测工作带来了不便。 1 高温。高水膨胀材料的主要原料是粉煤灰和各种尾矿等，其中含有大 量的碳酸钙 俗称“生石灰” 。当材料与水进行融合时产生大量的热量，造成了 初浆罐和成浆罐内浆料温度的升高。由于各个过程罐是密闭容器，温度散发困难， 数据显示初浆罐和成浆罐的温度最高可到6 0 ～7 0 摄氏度。高温能够损坏液位检测 装置的检测器件，特别是对于接触式检测装置有较大影响。 2 重粉尘。在材料制备过程中，需要将粉煤灰以及各种添加剂等原料用 高压空气泵打入初浆罐内。在此过程中，尽管有除尘过滤装置的喷雾除尘作用， 但是罐内能见度依然不足0 ．5 m ，大量粉尘充斥罐内。 3 蒸汽。原材料与水融合产生热量的同时，大量的蒸汽随着产生，遇到 罐内的粉尘会形成一种流质性的泥浆，泥浆带有材料本身的粘附性和凝固性，容 易附着在检测仪器上，造成检测数据产生较大偏差。 4 搅拌。为实现原材料与水及各种添加剂的充分混合，搅拌工艺在该制 备工艺中是必不可少的。料浆始终处于运动状态，且罐体震动幅度较大。 5 材料特性。充填材料本身在与水和各种辅料混合后，呈现出一种极强 的粘附性和凝固性，并且凝固时间短，在水中亦可以短时间内固化，凝固后本身 硬度较高。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 现场的液位检测环境基本上是处于高温、重粉尘、蒸汽、搅拌等工况下，加 上材料本身的粘附性和凝固性等特点，传统的液位检测装置无法在该环境下正常 工作。 3 ．2 传统液位检测装置分析 传统的液位检测装置根据是否与被测介质接触，主要分为接触型液位检测装 置和非接触型液位检测装置两部分，现选取较为常用的液位检测装置来做简单分 析【1 0 】。 1 浮筒式液位计。浮筒式液位计是根据阿基米德定律和磁藕合原理设计 而成的液位测量仪表，由四个基本部分组成浮筒、弹簧、磁钢室和指示器。其 工作原理是浸在液体中的浮筒受到自身重力、液体浮力及弹簧弹力的作用。当 受力平衡时，浮筒将静止在某一位置；当液位高度变化时，浮力变化，浮筒所受 合力变化，引起弹簧变形，以达到新的平衡。弹簧的伸缩导致与其刚性连接的磁 钢产生位移，通过其内的磁感应元件和传动装置来指示液位的变化【1 1 ] 。在该生产 工况下，制约浮筒式液位计的主要因素一方面在搅拌作用下，浮筒会随浆料在 罐内摆动，无法完成正常的液位检测。当浮筒位置变化较小时，磁钢产生位移较 小，容易受到搅拌作用的影响。另一方面，当材料附着在浮筒上后，导致其自身 重力发生变化，液位实际高度与所指示高度产生较大误差。此外，在搅拌状态下， 若浮筒撞击到搅拌的扇叶更容易产生危险。 2 电容式液位计。电容式液位计主要通过检测电容的变化来指示出液位 的高低。其工作原理是将金属棒插入被测液体容器内，金属棒作为一个电极， 容器壁作为另一个电极，两极间的介质即为该液体及其上面的气体。由于液体的 介电常数和液面上的介电常数不同，电容式液位计两电极间总的介电常数会随着 液位高度变化而改变，从而达到检测液位的目的【1 2 】。电容式液位计需要将金属 电极放入所测浆料内，考虑到扇叶韵搅拌作用以及材料本身的粘附性和凝固性等 因素，该液位计无法在此工况下完成液位检测工作。 传统的接触式液位检测装置还有浮子式液位计、磁致伸缩式液位计等，由于 材料本身的特性以及制备工艺的特殊要求，都不能正常、准确地检测初浆罐和成 浆罐的液位高度。 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 雷达式液位计。雷达式液位计主要采用发射．反射．接收的工作模式。 由天线发射出电磁波，经对象反射后再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间 与其到液面的高度成正比。即 H C T ／2 公式3 ．1 其中H 雷达液位计距液面的距离；C 光速；T 电磁波发射到接收的时 间[ 13 1 。 雷达式液位计属于非接触型检测装置，避免了与材料的直接接触。但是，由 于罐内扇叶的搅拌作用，使得反射回来的电磁波产生虚假回波，无法确定真实的 液面高度。另外，罐内大量的蒸汽和粉尘，容易把雷达的天线发射头掩埋，无法 正常发射电磁波。 非接触式液位检测装置除雷达式液位计外，常用的还有超声波液位计和激光 液位计等。其检测原理大体相同，都是依靠发射一反射一接收的方式来检测液位 高低。在此工况下，由于大量的粉尘和罐内扇叶的干扰，非接触式液位检测装置 不能正常工作。 综上所述，传统的液位检测装置在该工况下，都受到工艺要求和材料自身特 性的影响，无法完成液位检测工作，新型沉筒式液位计的优势见表3 ．1 。 表3 ．1 新型沉筒式液位计优势比较 ＼絮。 接触类非接触类新型沉筒式 比较项奇＼液位检测液位检测液位计 ＼ 搅拌作用影响较大 影响较大基本无影响 粉尘影响不明显影响较大无影响 蒸汽影响不明显影响较大无影响 材料粘附影响较大不明显基本无影响 3 ．3 新型沉筒式液位计设计 根据材料制备现场环境以及工艺本身的要求，综合考虑其它液位检测装置 后，自行设计一种新型沉筒式液位检测装置。 3 ．3 ．1 新型沉筒式液位计的结构 青岛理工大学工学硕士学位论文 沉筒式液位计主要由拉力传感器、变送器及沉筒组成，拉力传感器内部贴 有电阻应变片‘1 4 】，通过信号线将变送器输出的标准电流信号送到P L C 的A ／D 输 入端口，用以进行数据处理和远程控制。沉筒由上下两端封闭的空心材料制成， 并悬挂在拉力传感器的受力端，其余部分投入到储料罐中，拉力传感器用法兰盘 或自带螺纹固定在储料罐的上方，结构如下图所示。 图3 ．1 组成结构图 如上图所示，设沉筒的外径是R ，内径r ，管壁厚度是R ，r ，高度是H ，沉 筒的密度是P ，浸入液体中的体积是h ，被测液体的密度是p 液，则相关计算公 式如下 沉筒的质- J m p 7 r [ R 2 一 尺一r 2 ] 日 公式 3 ．2 沉筒的重力G m g一 公式 3 ．3 沉筒排开液体的体积y 7 r R 2 矗公式 3 ．4 浮筒受到的浮力厂 p 液g V 公式 3 ．5 3 ．3 ．2 新型沉筒式液位计的工作原理 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 沉筒浸在被测液体中，受到自身重力G 和液体浮力厂的作用，两者的合力F 由拉力传感器来测量，即 F G 一厂公式 3 ．6 拉力传感器检测的拉力大小随着液位高度的变化而变化。 当沉筒干燥时，拉力传感器只测得其自身的重力；当液位上升或下降引起浮 力变化时，由公式 3 - 6 得出的拉力值变化。拉力传感器内贴有电阻应变片， 受力端受力发生变化后测点发生应变，应变片发生变形而使应变片的电阻也发生 变化，通过变送器将电阻值的变化转化为标准的4 - 2 0 m A 电流信号输出，从而可 以利用P L C 和上位机进行数据远传和自动控制。 拉力传感器的检测精度为0 ．0 5 ％，满足工业要求，其量程的选择根据公式 3 - 2 及公式 3 5 的大小来决定。 为保证液位计正常工作，必须保证沉筒的重力始终大于它受到的浮力，必要 时可在沉筒下方加挂重物。 3 ．3 ．3 应用分析 新型沉筒式液位计能够适应高温、重粉尘、蒸汽、搅拌的环境，克服了传统 液位检测装置的弊端，将其与软件方法结合起来，能够很好地消除材料粘附性以 及凝固性带来的影响。下图为沉筒式液位计的检测结构图 青岛理工大学工学硕士学位论文 图3 ．2 沉筒式液位计检测结构图 如图3 ．2 示用固定件将沉筒束缚住，避免了沉筒随着扇叶的搅拌而出现比较 大的偏转。在液位计工作过程中，由于扇叶的搅拌，传感器测得的数据可能会出 现波动，这是无法避免的。沉筒式液位计检测的是垂直方向的拉力大小，而沿搅 拌方向的力与拉力是垂直的，因此影响相对较小。 考虑到充填材料本身有较强的粘附性和凝固性，沉筒下部肯定会凝固一层 材料，沉筒本身的重力会发生变化，导致检测数据出现偏差。结合软件方法能 够很好地去除粘附材料的影响。当沉筒的表面会附着一层或几层材料，导致其 体积发生变化，自身的重量也发生变化，其变化如图3 - 3 所示，其中沉筒截面 积中虚线层为附着材料层，设此时沉筒外径为足。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 沉筒截面图 虚线层为附着材料层 图3 ．3 附着材料说明图 沉筒式液位计克服了附着材料的影响，和软件结合能够彻底适应各种特殊 性工业材料，保证每次检测时都能将检测的零点进行调整。下面简单介绍调整 方法。 首先，罐内无液体时测得新的沉筒自重G ．；罐内注水，将沉筒完全浸没， 由此时拉力互和之前测得的自重G 。可知其浮力石大小，进而得出沉筒新的体积 K ；结合软件将P L C 或上位机的程序进行合理的更改 可在上位机上设置各项 相关参数 。之后加入工业材料，由上述新的检测数值根据公式 3 ．4 、 3 ．5 、 3 ．6 求得新的液位高度。 沉筒式液位计克服了传统液位检测装置无法在高温、粉尘、蒸汽、搅拌等 情况下工作的弊端，能够持续、准确地检测液位，并且不受材料粘附性和凝固 性的影响，为系统控制策略的顺利实现提供了准确的数据支持。 3 ．4 本章小结 本章主要介绍了该系统液位检测面临的复杂工况条件，并对比了常用的接触 式和非接触式的传统液位检测装置，设计了一种新型沉筒式液位计，作为在高温、 重粉尘、蒸汽、搅拌以及材料具有粘附性和凝固性等情况下的液位检测装置。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第四章系统的硬件原理设计 在本章中，主要介绍系统整体硬件设计、P L C 的端口分配以及各个扩展模块 的应用，并对系统硬件部分进行电气设计，绘制电气原理图。 4 ．1 系统整体硬件设计 该控制系统以P L C 为控制核心，以上位机和触摸屏为控制输入单元，结合 琴式按键操作台来进行人工操作。 4 ．1 ．1 控制器及各扩展插件设计 根据控制系统的整体要求，选用F P ．X ．C 3 8 A T 可编程控制器作为该系统的控 制核心，利用各个功能插卡来实现通信及模拟量的输入／输出等。 F P ．X ．C 3 8 A T 系列P L C 其主要的技术参数为I ／O 点数为2 4 ／1 4 ，晶体管型输 出，最多可扩展8 台输入／输出扩展单元，考虑到该系统中输入／输出点数的需求， 扩展A F P X ．T R 8 模块来提供8 点的数字量输出端口；内置模拟量输入通道4 路， 模拟量输出通道2 路；其上可挂接的插件模块多样，包括通信插件、输入／输出 插件、模拟量输入／输出插件等。F P X C 3 8 A T 系列P L C 具有3 2 K 的程序容量， 考虑到设备的日后改造问题，程序容量也可满足要求‘1 5 】[ 1 6 】。 触摸屏通过专用的通信电缆与F P ．X ．C 3 8 A T 的标准编程口 R S 2 3 2 C 进行 对接，编程工具由P L C 自身的U S B 接口连接。通信插件C O M 4 ，包含一路的 R S 4 8 5 和一路的R S 2 3 2 其中R S 4 8 5 作为数据检测模块的通信端口，R S 2 3 2 作 为上位机和P L C 的通信端口，上位机和P L C 之间通过屏蔽双绞线连接，采用串 口通信方式传输数据。 模拟量输出插卡采用A F P X ．D A 2 和F P 0 ．A 0 4 I ，两种插卡提供2 路模拟量输 出通道和4 路模拟量输出通道，选择0 - 2 0 m A 的电流输出，数字值为K 0 - K 4 0 0 0 ， 分辨率为1 ／4 0 0 0 。在该系统中共有7 路模拟量输出，配合F P ．X ．C 3 8 A T 本身的2 路模拟量输出通道，能够很好地完成变频器和电动阀门的控制。 该控制系统需要1 2 路模拟量的输入，采用8 路模拟量检测转换模块和P L C 自身的4 路模拟量输入通道来实现数据采集工作。 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 图4 ．1 系统硬件结构图 4 ．1 ．2 触摸屏的选型 作为当前新一代输入和显示界面的显示触摸屏，具有反应速度快、节省空间、 坚固耐用等优点，已被广泛应用到自动化控制设备，数码产品等领域【1 7 】【1 8 】。 控制系统选用M T 6 1 0 0 i 系列触摸显示屏，1 6 9 宽屏，1 0 寸，分辨率8 0 0 x 4 8 0 。 具有3 个C O M 端口，1 个U S B 2 ．0 接口，1 个U S B l ．1 接口，用E A S Y B U I L D E R 8 0 0 0 软件进行绘图调试【1 9 】【2 0 1 。 4 ．1 ．3 新型沉筒式液位计的设计 新型沉筒式液位计采用J X L Y - Y S 型拉压力传感器，量程选择为2 0 0 K g ，内 置变送器，输出方式为标准直流信号4 2 0 m A ，检测精度为0 ．0 5 ％；沉筒选用直 径为1 0 0 r a m 的镀锌钢管，壁厚为5 m m ，一米的重量为1 1 ．5 3 K g 。在该设计中选 用长度为1 0 米镀锌钢管，其自身重量为1 2 0 K g 左右，而沉筒受到的浮力在1 0 5 K g 左右，符合系统的设计要求。 4 ．1 ．4 检测装置选型 根据本系统的设计要求，除了利用新型沉筒式液位计来检测初浆罐和成浆罐 的液位值外，还需要温度传感器和超声波传感器。其中，温度传感器用来检测各 个过程罐的温度值，而超声波传感器则用于成浆浮球高度的检测。 表4 ．1 传感器规格及明细 传感器类型测量范围测量精度 数目 温度传感器 0 ～1 0 0 ℃ 0 ．5 ℃3 超声波传感器 0 ．4 , - , - ．4 m 0 ．5 ％ 1 4 ．1 ．5 电动执行装置选型 本系统的管路中需要的控制阀有两种，开关型和调节型。开关型控制阀用 来控制管路的通断，调节型控制阀可以通过改变开度来改变管路中料浆流量的大 小。 本系统中选用了C H X ．0 1 5 型电动调节阀门和儿快开型电动开关型阀门。其 中，C H X ．0 1 5 型调节阀是由A C 2 2 0 供电，以4 - , 2 0 m A 电流信号为控制信号，控 制时间为3 0 秒，并设有位置反馈信号调节点，可以随时确定阀门的开度；儿快 开型电动开关型阀门性能可靠，也是由A C 2 2 0 供电，动作精