CN109012257A

CN109012257A - 一种乳化液自动配制精度控制装置及控制方法

Info

Publication number: CN109012257A
Application number: CN201810953315.6A
Authority: CN
Inventors: 卢爱红; 茅献彪; 徐金海
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2018-12-18
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: CN109012257B

Abstract

本发明公开了一种乳化液自动配制精度控制装置及控制方法，装置：变频电机驱动油泵，油泵的出油口和供水管路的出液端分别与混合器的两个进液口连接；混合器的出液口与乳化液箱连接；供油管路上依次串接有油路电磁阀和乳化液流量计；供水管路上依次串接有加水电磁阀和加水流量计；在乳化液箱上设置有液位检测器；控制器分别与乳化油流量计、油路电磁阀、加水流量计、液位检测器和加水电磁阀连接；变频电机通过PID调节模块与控制器连接。方法：设定基础参数；采集实时数据；启动乳化液配制；快速跟踪设定值；停止乳化液配制。该装置和方法能精确计量水与乳化油的质量比，能提高乳化液的配制精度，且能实时控制补充的乳化液浓度。

Description

一种乳化液自动配制精度控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于乳化液配制技术领域，具体涉及一种乳化液自动配制精度控制装置及控制方法。

背景技术

乳化液作为液压系统的传动介质，广泛地应用在矿山支护设备等领域，不仅起到动力传递作用，而且还起到润滑、冷却、防腐以及防锈等作用。乳化液是由水与乳化油按一定的比例配制而成的完全混合液体，其浓度是否适当会直接影响到液压支柱、液压支架以及其他液压元件的寿命周期以及生产运营成本。另外，乳化液在矿山支护设备运行中容易大量流失，必须及时补充，否则会严重影响支护设备的安全使用。

现有的乳化液配制装置多无法精确计量水与乳化油的质量比，乳化液配制精度难以得到有效保证。另外，现有的乳化液配置装置采用先进行乳化液浓度检测再补偿相应液体的方式，难以实现实时控制补充的乳化液浓度。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种乳化液自动配制精度控制装置及控制方法，能精确计量水与乳化油的质量比，提高乳化液的配制精度，且能实时控制补充的乳化液浓度。

为了实现上述目的，本发明提供一种乳化液自动配制精度控制装置，包括变频电机、油泵、乳化油箱和供水管路；所述变频电机与油泵同轴连接，所述油泵的吸油口通过乳化油管路与乳化油箱连接，油泵的出油口通过供油管路与混合器的一个进液口连接；所述供水管路的出液端与混合器的另一个进液口连接，供水管路的进液端与水源连接；混合器的出液口通过出液管路与乳化液箱连接；

还包括PID调节模块和控制器；所述供油管路上依次串接有油路电磁阀和乳化油流量计；

所述供水管路上依次串接有加水电磁阀和加水流量计；

在乳化液箱上设置有检测其内部液位的液位检测器；

所述控制器分别与乳化油流量计、油路电磁阀、加水流量计、液位检测器、加水电磁阀、PID调节模块和变频电机连接；

所述PID调节模块与变频电机连接。

进一步地，为了方便调整管路的水压，还包括串接在供水管路上的调压阀，所述调压阀与控制器连接。

进一步地，加水流量计为质量流量计；乳化油流量计为电磁流量计；液位检测器为超声波液位探测仪。

本装置通过液位检测器实时检测乳化液箱的液位高度，能自动地控制乳化液配制过程的启停，并能在乳化液量不足时及时地补充乳化液。加水流量计能实时检测加水流量和加水累计值，乳化油流量计能实时检测乳化油流量和乳化油累计值，从而能便于控制器计算出乳化油瞬时流量设定值，并反馈给PID调节功能模块，PID调节功能模块能实时比较乳化油流量和乳化油瞬时流量设定值，并反馈给变频电机，通过使变频电机的输出功率改变来实现乳化油瞬时流量快速跟踪设定值，这样，有效地提高了乳化液的配制精度。本装置机械结构简单，控制精度高，易于电控程序的设计和实现，适合于矿山支护用乳化液和其他类似液体的混合配制。

本发明还提供一种乳化液自动配制精度控制方法，该方法能精确的计量水与乳化油的质量比，能实现乳化液的精度配制，且能及时地对乳化液进行补充。

为了实现上述目的，本发明提供一种乳化液自动配制精度控制方法，包括以下步骤：

S1：设定基础参数，即根据乳化液配制比例要求，设定乳化油和水的混合比为K，乳化液箱的液位高限为H_高，液位低限为H_低，延时误差补偿时间T，误差补偿系数A；

S2：采集实时数据，通过加水流量计实时检测加水流量Q_水和加水累计值W_水，通过乳化油流量计实时检测乳化油流量Q_油和乳化油累计值W_油，通过液位检测器实时检测乳化液箱内液位值H；

S3：启动乳化液配制，通过控制器运算比较，当H≤H_低时，控制器开启变频电机、油路电磁阀和加水电磁阀，开始配制乳化液；在配制乳化液过程中，实时计算乳化油瞬时流量设定值Q设，并发送给PID调节功能模块；

S4：快速跟踪设定值，PID调节功能模块实时比较Q_油与Q_设的差值，并反馈至变频电机，以通过调节其输出频率进而改变油泵的转速，使乳化油瞬时流量快速跟踪设定值；

S5：停止乳化液配制，当H≥H_高时，控制器关闭变频电机、油路电磁阀和加水电磁阀，以停止乳化液配制，并对加水累计值和乳化油累计值进行清零。

进一步地，为了能实现乳化油瞬时流量能更精确更快速地跟踪设定值，在S3中，在开始配制乳化液到T之前的时间段内，根据公式：Q设＝Q水*K，计算Q设；在经过T之后，进入误差补偿阶段，根据误差补偿量Y的计算公式：Y＝A*(W水*K-W油)/(W水*K)*100％，得出补偿后的Q设＝Q水*K*(1+Y)。

进一步地，为了便于进行有效的提醒，同时，为了保证配制精度，在乳化液配制过程中，通过控制器实时计算瞬时误差δ，具体根据公式：δ＝|(Q油-Q设)/Q设|*100％进行计算；当5％≤δ＜10％时，控制器控制与其连接的报警装置发出一级报警信号；当δ≥10％时，控制器与其连接的报警装置发出二级报警信号，并停止配制。

进一步地，为保证瞬时配制精度，Y限定在-3％～3％的范围内。

本方法通过液位检测器能实时检测乳化液箱内液位值，并与液位高限值和液位低限值进行比较，当低于液位高低值进行补充，当高于液位高限值进停止补充，实现了自动化地对乳化液配制的启停进行控制。通过加水流量计实时检测加水流量和加水累计值，通过乳化油流量计实时检测乳化油流量和乳化油累计值，从而能便于控制器计算出乳化油瞬时流量设定值，并反馈给PID调节功能模块，PID调节功能模块能实时比较乳化油流量和乳化油瞬时流量设定值，并反馈给变频电机，通过使变频电机的输出功率改变来实现乳化油瞬时流量快速跟踪设定值，这样，能有效提高乳化液的配制精度。在乳化液配制过程中，存在因瞬间流量波动所引起的误差，通过设定延时误差补偿时间来分段进行行误差补偿，并经PID调节功能块平滑升高或降低变频器输出频率，以实现乳化油瞬时流量能更精确更快速地跟踪设定值，能有效的提高误差补偿精度。本方法运用了误差补偿算法,修正了乳化油设定流量，PID调节模块调节油泵转速实时跟踪设定流量，并通过比较配制误差，及时发出报警信息，有效提高乳化液瞬时配制精度。由于采用了实时在线式补偿相应液体的方式，因而能实时控制所补充乳化液的浓度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电路原理框图；

图3是本发明的流程示意图。

图中：1、乳化油箱，2、乳化油管路，3、油泵，4、变频电机，5、油路电磁阀，6、乳化油流量计，7、调压阀，8、加水电磁阀，9、加水流量计，10、混合器，11、液位检测器，12、乳化液箱，13、供水管路，14、供油管路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种乳化液自动配制精度控制装置，包括变频电机4、油泵3、乳化油箱1和供水管路13；所述变频电机4与油泵3同轴连接，所述油泵3的吸油口通过乳化油管路2与乳化油箱1连接，油泵3的出油口通过供油管路14与混合器10的一个进液口连接；所述供水管路13的出液端与混合器10的另一个进液口连接，供水管路13的进液端与水源连接；混合器10的出液口通过出液管路与乳化液箱12连接；

还包括PID调节模块和控制器；所述供油管路14上依次串接有油路电磁阀5和乳化油流量计6；

所述供水管路13上依次串接有加水电磁阀8和加水流量计9；

在乳化液箱12上设置有检测其内部液位的液位检测器11；

所述控制器分别与乳化油流量计6、油路电磁阀5、加水流量计9、液位检测器11、加水电磁阀8、PID调节模块和变频电机4连接；加水流量计9优选为质量流量计；乳化油流量计6优选为电磁流量计。液位检测器11优选超声波液位探测仪。还包括串接在供水管路13上的调压阀7，所述调压阀7与控制器连接。控制器优选为可编程控制器PLC，其用于数据处理和动作指令的发出。

所述PID调节模块与变频电机4连接。

如图3所示，一种乳化液自动配制精度控制方法，包括以下步骤：

S1：设定基础参数，即根据乳化液配制比例要求，设定乳化油和水的混合比为K，乳化液箱12的液位高限为H高、液位低限为H低，延时误差补偿时间T，误差补偿系数A；

S2：采集实时数据，通过加水流量计9实时检测加水流量Q水和加水累计值W水，通过乳化油流量计6实时检测乳化油流量Q油和乳化油累计值W油，通过液位检测器11实时检测乳化液箱12内液位值H；

S3：启动乳化液配制，通过控制器运算比较，当H≤H低时，控制器开启变频电机4、油路电磁阀5和加水电磁阀8，开始配制乳化液；在配制乳化液过程中，实时计算乳化油瞬时流量设定值Q设，并发送给PID调节功能模块；

S4：PID调节功能模块实时比较Q油与Q设的差值，并反馈至变频电机4，以通过调节其输出频率进而改变油泵3的转速，使乳化油瞬时流量快速跟踪设定值；

S5：当H≥H高时，控制器关闭变频电机4、油路电磁阀5和加水电磁阀8，以停止乳化液配制，并对加水累计值和乳化油累计值进行清零；

在S3中，在开始配制乳化液到T之前的时间段内，根据公式：Q设＝Q水*K，计算Q设；在经过T之后，进入误差补偿阶段，根据误差补偿量Y的计算公式：Y＝A*(W水*K-W油)/(W水*K)*100％，得出补偿后的Q设＝Q水*K*(1+Y)。

在乳化液配制过程中，通过控制器实时计算瞬时误差δ，具体根据公式：δ＝|(Q油-Q设)/Q设|*100％进行计算；当5％≤δ＜10％时，控制器控制与其连接的报警装置发出一级报警信号；当δ≥10％时，控制器与其连接的报警装置发出二级报警信号，并停止配制。

Y限定在-3％～3％的范围内。

实施例：

一般乳化液浓度要求在3％～5％范围内，本实例设定乳化油和水的混合比K值为4％，根据现场设备实际情况，设定乳化液箱12的液位高限H高为1.2米，液位低限H低为0.3米，延时误差补偿时间T为15秒，误差补偿系数A为2。

根据现场加水管径的情况，水源压力经调压阀7调节至0.3MPa，加水流量Q水基本保持在500Kg/h左右。

工作时，通过液位检测器11实时检测乳化液箱12内液位值H，当H≤0.3米时，开启变频电机4、油路电磁阀5和加水电磁阀8，开始配制乳化液。

在初始阶段，开始配制15秒内，开启油泵3、油路电磁阀5和加水电磁阀8，通过加水流量计9实时检测加水流量和加水累计值W水，通过乳化油流量计6实时检测乳化油流量Q油和乳化油累计值W油。由于开启瞬间乳化液和水的流量波动较大，暂时不进行误差补偿。若加水流量Q水为500Kg/h，计算乳化油瞬时流量设定值Q设，若检测的乳化油瞬时流量小于设定值，经PID调节功能块平滑升高变频器输出频率，加快油泵3转速，使乳化油瞬时流量快速跟踪设定值。反之，则平滑降低变频器输出频率，减缓油泵3转速。

在开始配制15秒之后，进入误差补偿阶段。若此时检测的加水累计值W水为15Kg，乳化油累计值W油为0.595Kg，加水流量Q水仍为500Kg/h，根据公式Y＝A*(W水*K-W油)/(W水*K)*100％计算误差补偿量Y，代入数值后求得Y＝2*(15*4％-0.595)/(15*4％)*100％＝1.67％。

所求Y符合-3％～3％的范围内，得出补偿后的乳化油瞬时流量设定值Q设＝Q水*K*(1+Y)＝500*4％*(1+1.67％)＝20.334Kg/h，相比未经误差补偿的乳化油瞬时流量设定值20Kg/h有所增加，经PID调节功能块平滑升高变频器输出频率，加快油泵3转速，以加大供油量。

若此时检测的加水累计值W水为100Kg，乳化油累计值W油为4.080Kg，加水流量Q水仍为500Kg/h，根据公式Y＝A*(W水*K-W油)/(W水*K)*100％计算误差补偿量Y，代入数值后求得Y＝2*(100*4％-4.080)/(100*4％)*100％＝-4％，超出-3％～3％的范围，Y值限定在-3％，得出补偿后的乳化油瞬时流量设定值Q设＝19.4Kg/h，需经PID调节功能块平滑降低变频器输出频率，减缓油泵3转速，以减少供油量。

配制过程中，通过可编程控制器PLC实时计算瞬时误差δ，若此时乳化油瞬时流量设定值Q设＝20Kg/h，而实时检测乳化油流量Q油＝21.2Kg/h，则瞬时误差δ为6％，落在5％≤δ＜10％的范围，可编程控制器PLC发出一级报警信号；当δ≥10％时，可编程控制器PLC发出二级报警信号，并停止配制。

为避免设备故障、管路堵塞、缺水缺油等因素影响，进一步设定了加水流量下限100Kg/h，乳化油流量下限4Kg/h，低于下限值时，可编程控制器PLC发出报警信号，并停止配制。

当检测乳化液箱12内液位值H≥1.2米时，停止乳化液配制，关闭油泵3、油路电磁阀5和加水电磁阀8,对加水累计值和乳化油累计值进行清零，等待下一次配制循环。

Claims

1.一种乳化液自动配制精度控制装置，包括变频电机(4)、油泵(3)、乳化油箱(1)和供水管路(13)；所述变频电机(4)与油泵(3)同轴连接，所述油泵(3)的吸油口通过乳化油管路(2)与乳化油箱(1)连接，油泵(3)的出油口通过供油管路(14)与混合器(10)的一个进液口连接；所述供水管路(13)的出液端与混合器(10)的另一个进液口连接，供水管路(13)的进液端与水源连接；混合器(10)的出液口通过出液管路与乳化液箱(12)连接；

其特征在于，还包括PID调节模块和控制器；所述供油管路(14)上依次串接有油路电磁阀(5)和乳化油流量计(6)；

所述供水管路(13)上依次串接有加水电磁阀(8)和加水流量计(9)；

在乳化液箱(12)上设置有检测其内部液位的液位检测器(11)；

所述控制器分别与乳化油流量计(6)、油路电磁阀(5)、加水流量计(9)、液位检测器(11)、加水电磁阀(8)、PID调节模块和变频电机(4)连接；

所述PID调节模块与变频电机(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种乳化液自动配制精度控制装置，其特征在于，还包括串接在供水管路(13)上的调压阀(7)，所述调压阀(7)与控制器连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种乳化液自动配制精度控制装置，其特征在于，加水流量计(9)为质量流量计；乳化油流量计(6)为电磁流量计；液位检测器(11)为超声波液位探测仪。

4.一种乳化液自动配制精度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设定基础参数，即根据乳化液配制比例要求，设定乳化油和水的混合比为K，乳化液箱(12)的液位高限为H高、液位低限为H低，延时误差补偿时间T，误差补偿系数A；

S2：采集实时数据，通过加水流量计(9)实时检测加水流量Q水和加水累计值W水，通过乳化油流量计(6)实时检测乳化油流量Q油和乳化油累计值W油，通过液位检测器(11)实时检测乳化液箱(12)内液位值H；

S3：启动乳化液配制，通过控制器运算比较，当H≤H低时，控制器开启变频电机(4)、油路电磁阀(5)和加水电磁阀(8)，开始配制乳化液；在配制乳化液过程中，实时计算乳化油瞬时流量设定值Q设，并发送给PID调节功能模块；

S4：快速跟踪设定值，PID调节功能模块实时比较Q油与Q设的差值，并反馈至变频电机(4)，以通过调节其输出频率进而改变油泵(3)的转速，使乳化油瞬时流量快速跟踪设定值；

S5：停止乳化液配制，当H≥H高时，控制器关闭变频电机(4)、油路电磁阀(5)和加水电磁阀(8)，以停止乳化液配制，并对加水累计值和乳化油累计值进行清零。

5.根据权利要求4所述的一种乳化液自动配制精度控制方法，其特征在于，在S3中，在开始配制乳化液到T之前的时间段内，根据公式：Q设＝Q水*K，计算Q设；在经过T之后，进入误差补偿阶段，根据误差补偿量Y的计算公式：Y＝A*(W水*K-W油)/(W水*K)*100％，得出补偿后的Q设＝Q水*K*(1+Y)。

6.根据权利要求5所述的一种乳化液自动配制精度控制方法，其特征在于，在乳化液配制过程中，通过控制器实时计算瞬时误差δ，具体根据公式：δ＝|(Q油-Q设)/Q设|*100％进行计算；当5％≤δ＜10％时，控制器控制与其连接的报警装置发出一级报警信号；当δ≥10％时，控制器与其连接的报警装置发出二级报警信号，并停止配制。

7.根据权利要求5或6所述的一种乳化液自动配制精度控制方法，其特征在于，Y限定在-3％～3％的范围内。