关于液压支架中乳化液泵监控系统的设计研究.pdf

2 0 2 0年第0 5期 关于液压支架中乳化液泵监控系统的设计研究 李伟伟 山西汾西中兴煤业有限责任公司, 山西 吕梁 0 3 0 5 0 0 摘 要 不断提高矿用液压支架中乳化液泵站的可靠性及安全性, 是当前保障井下安全作业的关键。因此, 以乳化 液泵站分析为基础, 开展了监控系统在乳化液泵站中的应用研究, 并重点对其进行了现场应用测试。结果 表明, 该监控系统具有更高的可靠性及稳定性, 监控功能更加全面, 提高了乳化液泵站的作业安全性, 这为 提高液压支架的工作效率及企业的经济收入提供了重要保障。 关键词 煤矿; 液压支架; 乳化液泵站; 监控系统 中图分类号 T D 3 5 5. 3 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 5. 0 0 8 0 引言 近年来, 煤矿的开采量呈逐渐增长趋势, 液压支架作 为煤矿开采中的关键设备, 不断提升其设备的牵引速度 成为提高采煤机开采效率的重要基础。保证液压支架具 有充足的液压油供应量显得尤为重要, 而乳化液泵站则 是液压支架中的重要供油设备[ 1]。目前, 液压支架中一 般采用了1台主泵和1台备用泵, 以此来满足液压支架 的快速跟进。但鉴于井下环境的特殊性, 乳化液泵站未 大面积地运用监控系统, 对泵的启停或加载等操作仍以 人工操作为主, 导致泵在使用过程中极容易出现各类故 障问题, 无法较好地为井下作业提供良好的供液环境[ 2]。 因此, 将更加先进的监控系统应用到乳化液泵站中显得 十分必要。由此, 在分析乳化液泵站及监控系统的基础 上, 开展了乳化液泵站监控系统的设计研究, 并对其进行 现场应用验证, 提高了乳化液泵站的作业安全性, 也为提 高液压支架的工作效率提供了重要保障。 1 乳化液泵站及监控系统简介 乳化液泵站作为液压支架设备中的重要组成部分, 其主要由乳化液泵组、 乳化液箱、 过滤器、 液压油等组成, 在工作过程中主要随工作面向前推进而不断移动[ 3]。目 前, 常见的乳化液输送管为直径7 0 mm左右的厚壁无缝 钢管, 回油管则采用直径为6 0 mm的高压胶管, 并与油 箱进行连接。泵站与液压支架之间相对固定, 故不必考 虑泵站的移动问题。随着技术的不断发展, 提高泵站中 的液压油流量、 工作压力、 结构可靠性, 实现对泵站工作 过程的远程化自动监控, 已成为当下重要的发展方向[ 4]。 结合市场上常见的乳化液泵站监控系统方案, 确定 了本文的监控系统初步设计思路, 具体为 采用D C S分 散式控制系统, 由主站P L C控制器进行总体检查控制, 再由各分站进行现场的具体控制。主站控制器在汇总所 有分站所收集的相关信号后, 根据其内部的控制程序及 算法, 实时对各分站发出相应的控制指令, 并根据泵站的 相关参数值情况, 发出相应的报警提示, 并以数字文本方 式进行信号的显示, 以此实现对乳化泵站的监测控制[ 5]。 2 乳化液泵站监控系统总体设计 为提高液压支架乳化液泵站的作业效率及作业安全 性, 对此泵站中的监控系统进行了设计研究。该监控系 统主要由前端的温度及压力等传感器、 前端的泵站电机、 前端的泵站电磁阀、P L C控制主站、 P L C控制从站、 工控 机、 显示界面、 报警设备等组成。监控系统中的被控量为 液压支架所需的液压油流量, 被监控对象为乳化液泵站, 控制的目标值为管路压力。其工作过程为 首先将检测 转换后的压力信号与管路中的压力值进行对比, 在计算 出两者的压力差值后, 将此差值参数传输至P L C控制器 中进行分析处理, 由此发出相应的控制指令, 完成对乳化 液泵设备的开启、 加载或卸载等操作控制, 最终实现对液 压支架中液压油流量的有效控制, 整个乳化液泵站监控 系统的结构原理如图1所示。其中,P L C控制器采用了 西门子的S 7 - 3 0 0型, 温度传感器采用了P T 1 0 0型, 且显 示界面均采用I D E C自动化过程控制面板。显示仪在该 监控系统中所需完成的监控对象包括 乳化液泵曲轴箱 内润滑油油位的监测、 箱体贮油池内的油温监测、 过滤器 进出口压差监测、 泵箱内液位监测、 乳化液油位监测等。 在监测过程中, 若某一个监测参数超过或低于所规定的 上下限值时, 监控系统则发出相应的声光报警提示, 并对 当前的相关参数进行实时显示, 并根据声光报警等级的 高低来判断是否实现对泵站电机、 补油泵、 补油阀等设备 的停机控制, 以此实现对液压支架乳化液泵站工作状态 的实时监测与控制。 图1 乳化液泵站监控系统结构原理图 12 自动化控制理论与应用 自动化应用 收稿日期 2 0 2 0 - 0 3 - 2 6 作者简介 李伟伟 1 9 8 3 , 男, 山西原平人, 毕业于太原理工大学采矿工程专业, 工程师, 现从事机电运输管理工作。 2 0 2 0年第0 5期 3 监控系统的关键部分设计 3. 1 P L C控制器匹配设计 P L C控制器作为一种成熟的控制设备, 已被广泛应 用到了煤矿各类设备的监控系统中。因此, 选用了西门 子的S 7 - 3 0 0型P L C进行乳化液泵站监控系统的监测控 制。该P L C控制器主要由输入/输出单元、 中央控制单 元、 输入/输出接口、 存储器及电源等部分组成, 而其内部 则主要通过C AN总线、 地址总线、 数据总线等进行通信 连接[ 6]。因此, 在此监控系统中, 设计了1台 P L C主站, 负责对该系统进行集中汇总控制。同时, 设计了2个从 站P L C, 负责对现场各类传感器、 泵站电机、 泵站电磁阀 等设备中的相关参数信号进行收集及控制。分站将采集 的相关状态参数通过P P I协议的方式传递至主站的P L C 控制器中, 而主站则在对所接收的信号进行分析处理后 向各分站发出相应的监测、 操作、 管理、 控制等指令, 同时 主轴也通过数字文本方式对从站的运行状态进行显示, 以此来更好地实现对现场终端的监测与控制, 在此过程 中的信号传输则主要通过C AN总线方式进行连接。整 个P L C控制器的网络控制原理如图2所示。 图2 P L C控制网络原理图 3. 2 开关量输出隔离电路设计 开关量输出隔离电路是整个监控系统的重要组成部 分, 主要负责将P L C控制器所接收的相关数据信息转换 为现场执行机构所需的各种开关信号。在此监控系统 中, 采用了以继电器输出电路为主的输出隔离电路。其 运行过程为 当P L C控制器输出一个接通电信号时, 该 电路中的继电器线圈接通, 使接点有效闭合, 实现负载的 通电。此时, 电路中的二极发光管发出通电的信号指示。 外部的交流电源或直流电源均可对该隔离电路进行供 电。乳化液泵站监控系统开关量输出隔离电路的工作原 理如图3所示。 3. 3 模拟量输入隔离电路设计 在乳化液泵站监控系统设计中, 除了P L C控制器、 开关量输入/输出隔离电路为该监控系统的重点外, 模拟 量输入隔离电路也相当重要, 故对此电路进行了设计。 该电路主要由信号转换、 多路选通、 光电隔离、 模数转换、 P L C接口等部分组成, 主要负责对管路中的压力信号、 温 度信号、 电流信号等进行隔离。当外部的电流信号输入 时, 首先将输入的电流正端及电压正端进行短接隔离, 并 将电流信号转换为标准的电压信号, 同时经过放大器的 信号放大及信号转换后, 变为了模数转换器可识别的大 范围电压信号, 最终经过光电耦合及隔离后, 有效防止了 电磁信号及其他信号对转换信号的干扰, 完成与P L C控 制器的接口连接。整个乳化液泵站监控系统模拟量输入 隔离电路的工作原理如图4所示。 图3 开关量输出隔离电路工作原理图 图4 模拟量输入隔离电路工作原理图 4 乳化液站泵监控系统的应用效果分析 结合前文建立的乳化液泵站监控系统, 在满足监控 使用功能的基础上, 对其运行情况进行了进一步的实际 应用验证。主要是将该监控系统与矿用液压支架乳化液 泵站进行系统兼容, 负责对乳化液泵站工作过程的实时 监控。在为期6个月的应用测试中, 该监控系统运行良 好, 稳定可靠, 信号传输速度较快, 信号的图文显示无其 他干扰信号影响。同时, 监控系统能对泵站中的箱内液 位、 油位高度、 油压及油流量情况进行准确显示, 在有异 常情况时能及时发出相应的声光报警提示, 由此, 大大提 高了乳化液泵站的作业安全性及液压支架的工作效率, 验证了该监控系统的可行性。该系统得到了企业人员的 一致好评, 建议进行系统的推广应用。 5 结论 提升液压支架乳化液泵站的作业效率及工作安全 性, 将更加先进的监控系统应用到该泵站设备中, 是当前 煤矿企业所重点期盼的方向。因此, 在分析乳化液泵站 及监控系统的基础上, 对监控系统的总体方案及关键分 系统进行设计研究, 并有针对性地开展了该监控系统的 现场应用验证。测试结果表明, 该监控系统各项性能稳 定可靠, 有效改善了当前乳化液泵站监控能力薄弱问题, 对提高乳化液泵站的作业安全及液压支架的工作效率具 有重要作用。 22 自动化应用 自动化控制理论与应用 2 0 2 0年第0 5期 参考文献 [ 1] 邢晨.矿用乳化液泵监控分站的设计与研发[D].太原 太 原理工大学, 2 0 1 7. 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