CN110652934B - 矿用乳化液浓度配比控制器及配比系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用乳化液浓度配比控制器及配比系统，控制器包括浓度配比本安控制板和浓度配比主控板，浓度配比本安控制板包括本安开关量输入接口、本安开关量输出接口、第一传感器模拟电流信号输入接口和本安CAN总线接口；浓度配比主控板包括主控芯片、显示屏通信接口、远程数据通信接口、内部CAN总线接口、第二传感器模拟电流信号输入接口和开关量输出接口；采用供水和供油积分算法进行调控，考虑到各个浓度传感器的迟滞响应，液箱供油按照浓度比例的反馈机制进行调节，系统响应快且精准，在整个泵站系统的供液循环中能够持续修正浓度比例达到设定浓度值，解决矿用乳化液浓度配比存在的配比浓度不稳定的问题。

Description

矿用乳化液浓度配比控制器及配比系统

技术领域

本发明属于矿用控制技术领域，具体地说，是涉及一种矿用乳化液浓度配比控制器及配比系统。

背景技术

乳化液在开采矿行业中常用作液压装置的传动介质，具有价格低廉、防腐、防锈、粘性小、润滑性、难燃等优点。

矿用乳化液一般由乳化油和清水按照一定比例进行配比混合而成，矿用乳化液浓度一般为3%-5%；乳化液的浓度过低会影响抗硬水能力、稳定性、防锈性和润滑性，液压装置在水的侵蚀作用下易发生锈蚀，使用寿命缩短，严重影响矿业生产的经济效益；乳化液的浓度过高，会增加乳化油的下号、减弱消泡能力，同时对橡胶等密封材料的溶胀性也相应增大，容易产生介质泄漏。

因此，矿用乳化液的浓度及稳定性对矿业生产的经济性和安全性有着重要的作用，传统的乳化液配比多采用手动或比例阀控制配比法，存在配比效率低、乳化液浓度不稳定的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿用乳化液浓度配比控制器及配比系统，解决现有矿用乳化液浓度配比中存在的上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

提出一种矿用乳化液浓度配比控制器，包括：浓度配比本安控制板，包括本安开关量输入接口、本安开关量输出接口、第一传感器模拟电流信号输入接口和本安CAN总线接口；浓度配比主控板，包括主控芯片、显示屏通信接口、远程数据通信接口、内部CAN总线接口、第二传感器模拟电流信号输入接口、开关量输出接口、和外部CAN总线接口；其中，所述第一传感器模拟电流信号输入接口连接液位传感器、油位传感器和浓度传感器的输入；所述第二传感器模拟电流信号输入接口连接水流量传感器和油流量传感器的输入；所述开关量输出接口连接受控电磁阀和启动油泵电机的先导开关；所述本安CAN总线接口与所述内部CAN总线接口相接。

进一步的，所述控制器还包括：第一供电电源，为所述浓度配比主控板、显示屏、受控电磁阀和远程数据通信模块供电；第一本安供电电源，为所述浓度配比本安控制板、本安开关量输入模块和本安开关量输出模块供电；第二本安供电电源，为所述液位传感器、油位传感器和浓度传感器供电。

进一步的，所述远程数据通信接口为Ethernet/IP通信接口或外部CAN总线接口。

进一步的，所述本安开关量输出接口连接声光报警器。

提出一种矿用乳化液浓度配比系统，包括：如上所述的矿用乳化液浓度配比控制器；液箱，设置有液箱浓度传感器；配液箱，用于预制乳化液，设置有液位传感器和配液箱浓度传感器；连接供水管路和配液输出管路，所述供水管路上设置有水流量传感器和供水电磁阀；所述配液输出管路连接所述液箱；油箱，安装有油位传感器，连接油泵；所述油泵的输出设置有油流量传感器；所述油泵的输出连接液箱供油管路、配液箱供油管路和回油管路；所述液箱供油管路连接所述液箱，设置有液箱供油阀；所述配液箱供油管路连接所述配液箱，设置有配液供油阀；所述回油管路连接所述油箱，其上设置有回油电磁阀；其中，所述液箱浓度传感器、所述液位传感器、所述配液箱浓度传感器、所述水流量传感器、所述供水电磁阀、所述油位传感器、所述油流量传感器、所述液箱供油阀、所述配液供油阀和所述回油电磁阀均连接所述矿用乳化液浓度配比控制器。

进一步的，所述供水电磁阀的开启条件为：所述配液箱浓度不低于设定浓度且液位不高于最高设定液位；或，所述配液箱液位低于最低设定液位时，开启所述供水电磁阀，并积分计算水积分体积。

进一步的，所述油泵的启停条件为：所述液箱的浓度低于设定浓度的第一设定比例；或，所述配液箱浓度低于设定浓度的第二设定比例、且积分累计油水比例达到设定浓度要求时，开启所述油泵；否则，延迟设定时间后关闭所述油泵。

进一步的，所述配液箱供油配比逻辑为：当所述配液箱浓度低于设定浓度且水流量积分超过设定值时，所述配液供油阀开启，并积分计算油积分体积；当（水积分体积+油积分体积）*设定浓度的值不小于油积分体积，或，所述配液箱浓度不低于设定浓度时，流量积分配比完成，继续下一次的积分循环；和，

当所述配液箱浓度低于设定浓度的第三设定比例时，开启所述配液供油阀；当所述配液箱浓度不低于设定浓度的第四设定比例时，关闭所述配液供油阀。

进一步的，所述液箱包括：第一液箱，设置有第一液箱浓度传感器；第二液箱，设置有第二液箱浓度传感器；所述第一液箱浓度传感器和所述第二液箱浓度传感器连接所述矿用乳化液浓度配比控制器；所述液箱的供油配比逻辑为：在所述第二液箱的液箱浓度小于设定浓度的第五设定比例且所述第一液箱的液箱浓度小于设定浓度的第六设定比例时，所述液箱供油阀开启；当所述第二液箱的液箱浓度不小于设定浓度的第七设定比例或所述第一液箱的液箱浓度不小于设定浓度的第八设定比例时，关闭所述液箱供油阀。

进一步的，在所述第一液箱浓度传感器、所述第二液箱浓度传感器或所述配液箱浓度传感器采集数据失效时，采用其他两个浓度传感器的采集数据的均值替代采集失效的数据；在所述第一液箱浓度传感器、所述第二液箱浓度传感器或所述配液箱浓度传感器中的两个发生采集数据失效时，采用剩下一个浓度传感器的采集数据替代采集失效的数据；在所述第一液箱浓度传感器、所述第二液箱浓度传感器和所述配液箱浓度传感器的采集数据均失效时，控制停止配比。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的矿用乳化液浓度配比控制器及配比系统，采用供水和供油积分算法进行调控，考虑到各个浓度传感器的迟滞响应，液箱供油按照浓度比例的反馈机制进行调节，系统响应快且精准，能够判断出各种针对系统的故障和报警信息，在整个泵站系统的供液循环中能够持续修正浓度比例达到设定浓度值，具备乳化液的预制功能，为泵站系统大量需要供液时提供有力保障；该系统还配有CAN通讯和Ethernet/IP通讯方式，可以和泵站或其他上位控制器互联，实现数据上传或远程控制；该系统能够对后续液箱循环乳化液的浓度持续监测和调控，可以实现整个泵站系统的浓度调节和矫正，解决传统配比系统对泵站系统内乳化液浓度无法实时调节导致配比浓度不稳定的技术问题。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1 为本发明提出的矿用乳化液配比控制器的结构示意图；

图2为本发明提出的矿用乳化液配比系统的系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提出的矿用乳化液浓度配比控制器，考虑到安标要求、应用传感器和受控电磁阀的防爆结构要求，采用隔爆兼本质安全性设计，单独设计浓度配比本安控制板1，通过内部CAN总线与浓度配比主控板2连接的结构实现模拟量量化数据和开关量控制数据的交互。

具体的，浓度配比本安控制板1包括本安开关量输入接口J1、本安开关量输出接口J2、第一传感器模拟电流信号输入接口J3和本安CAN总线接口J4；其中，本安开关量输入接口J1包括按键接口J11和旋钮接口J12；本安开关量输出接口J2为声光报警接口，连接声光报警器；第一传感器模拟电流信号输入接口J3为4-20mA电流量输入量化接口，包括配液箱浓度传感器接口J31、液箱浓度传感器接口J32和J33、油位传感器接口J34和液位传感器接口J35。

浓度配比主控板2包括主控芯片U1、显示屏通信接口J5、远程数据通信接口J6、内部CAN总线接口J7、第二传感器模拟电流信号输入接口J8、开关量输出接口J9、和外部CAN总线接口J10；其中，显示屏通信接口J5为RS232串口接口，远程数据通信接口J6为Ethernet/IP通信接口，与WIFI模块和网口转光纤模块连接，做数据上传和远程控制使用；内部CAN总线接口J7与浓度配比本安控制板1上的本安CAN总线接口J4对接，浓度配比本安控制板1向浓度配比主控板2发送传感器量化值、按键旋钮输入，接收来自浓度配比主控板2的CAN数据帧，控制本地开关量输出；第二传感器模拟电流信号输入接口J8为4-20mA电流量输入量化接口，包括水流量传感器接口J81和油流量传感器接口J82；开关量数据接口J9连接启动油泵电机的先导开关K91，以及供水电磁阀接口J91、回油电磁阀接口J92、配液供油阀接口J93和液箱供油阀接口J94；外部CAN总线接口J10连接外部CAN总线，外部CAN总线与泵站主控连接，实现数据上传和主站部分数据提取。

整个控制器包括三部分电源：第一供电电源U2为一块24V 150W通用开关电源，为浓度配比主控板2、显示屏3、受控电磁阀和远程数据通信模块供电；其中，受控电磁阀为供水电磁阀、回油电磁阀、配液供油阀和液箱供油阀；远程数据通信模块为WIFI模块41和光纤转换器42。第一本安供电电源U3为12V输出电源，为浓度配比本安控制板1、本安开关量输入模块和本安开关量输出模块供电；其中，本安开关量输入模块包括键盘模块5，本安开关量输出模块为声光报警器。第二本安供电电源U4为24V输出电源，为液位传感器、油位传感器和浓度传感器供电。

本发明实施例中，内部CAN总线各站点采用光电隔离设计，对外网口和CAN均使用隔离设计，耐压2500V。键盘模块5将捕获的键值通过内部CAN总线发送给浓度配比主控板2。

上述提出的矿用乳化液浓度配比控制器，应用于如图2所示的矿用乳化液浓度配比系统中，采用诸如单片机作为主控芯片U1，设计智能的组态界面和参数设置窗口，程序控制分为两大部分：主程序和中断处理程序，主程序主要完成对实时性要求较低的运算，中断处理程序完成对实时性要求比较高的控制部分。

程序控制部分包括：对主控芯片U1的硬件初始化和Ethernet/IP协议初始化 后进入系统主循环；显示屏的显示控制；变量、翻页和控件等控制；内部CAN总线服务；完成来自键盘模块5和浓度配比本安控制板1的数据交互；模拟量采集滤波；完成模拟电流量和数据量化和算法滤波；远程数据服务；完成Ethernet/IP协议核的数据交互和刷新。

主控芯片U1内部设置定时器，定时器溢出中断进入配比控制程序，溢出中断时间可以在系统参数设置界面进行设定，以满足不同的工作响应要求。

下面结合图2给出的矿用乳化液浓度配比系统，对上述提出的乳化液浓度配比控制器的配比控制给出详细说明。

如图2所示，本发明提出的矿用乳化液浓度配比系统包括液箱A11/A12、配液箱B和油箱C，液箱A11/A12设置有液箱浓度传感器a11/a12；配液箱B用于预制乳化液，设置有液位传感器b1和配液箱浓度传感器a2；连接供水管路g1和配液输出管路g2，供水管路g1上设置有水流量传感器c1和供水电磁阀d1；配液输出管路g2连接液箱A11；油箱C安装有油位传感器b2，连接油泵D；油泵D的输出设置有油流量传感器c2；油泵D的输出连接液箱供油管路g3、配液箱供油管路g4和回油管路g5；液箱供油管路g3连接液箱A11，设置有液箱供油阀d2；配液箱供油管路g4连接配液箱B，设置有配液供油阀d3；回油管路g5连接油箱C，其上设置有回油电磁阀d4；其中，液箱浓度传感器a11/a12、液位传感器b1、配液箱浓度传感器a2、水流量传感器c1、供水电磁阀d1、油位传感器b2、油流量传感器c2、液箱供油阀d2、配液供油阀d3和回油电磁阀d4均连接矿用乳化液浓度配比控制器。

上述本发明提出的矿用乳化液配比系统，采用供水和供油积分算法进行调控，考虑到各个浓度传感器的迟滞响应，液箱供油按照浓度比例的反馈机制进行调节，系统响应快且精准，能够判断出各种针对系统的故障和报警信息，在整个泵站系统的供液循环中能够持续修正浓度比例达到设定浓度值，在整个泵站安装调试初期供液时，即使整个系统中供入的是纯净水，也可以在接下来的投入使用中在很短的时间内将整个系统的乳化液浓度修正到设定浓度值，这是传统配比方式无法做到的，而且基于该控制器，该系统具备乳化液的预制功能，为泵站系统大量需要供液时提供有力保障。该系统还配有CAN通讯和Ethernet/IP通讯方式，可以和泵站或其他上位控制器互联，实现数据上传或远程控制。该系统能够对后续液箱循环乳化液浓度持续监测和调控，可以实现整个泵站系统的浓度调节和矫正，解决传统配比系统对泵站系统内乳化液浓度无法实时调节导致配比浓度不稳定的问题。

基于本发明提出的矿用乳化液配比系统，配比控制可以分为两种模式：手动配比和自动配比，手动配比时，通过本地键盘模块、按键、旋钮以及远程控制，启动油泵、供水电磁阀等一系列可控器件，完成人工干预下的配比需求，摒弃所有系统故障，控制过程全有人工评判。

而自动配比控制是该控制器和系统的核心内容，在各个传感器无故障、油位没有过低报障、且配液箱和液箱均为有效液位（确保各个传感器探头不会悬空而采集不到有效数据）时，开启乳化液自动配比控制，其逻辑控制描述为：

1、供水电磁阀d1的开启条件为：配液箱浓度不低于设定浓度且液位不高于最高设定液位；或，配液箱液位低于最低设定液位；满足条件则开启供水电磁阀，并积分计算水积分体积。

2、油泵D的启停条件为：液箱的浓度低于设定浓度的第一设定比例85%；或，配液箱浓度低于设定浓度的第二设定比例90%、且积分累计油水比例达到设定浓度要求时，开启油泵；否则，延迟设定时间20S后关闭油泵。

本发明实施例中，不限定液箱的个数，如图2所示包括两个液箱A11和A12，相应配置有第一液箱浓度传感器a11和第二液箱浓度传感器a12，实际应用中，可以是一个，也可以是多个，在两个液箱的实施例中，油泵的启停条件为：第一液箱A11的浓度低于设定浓度的90%、或第二液箱A12的浓度低于设定浓度的85%、或配液箱浓度低于设定浓度的第二设定比例90%、且积分累计油水比例达到设定浓度要求时，开启油泵；否则，延迟设定时间20S后关闭油泵。

当液箱多个两个时，油泵的启停条件可以按照随着A11、A12、A13……的递推，离液箱供油管路g3越远的液箱，其浓度低于设定浓度的比例越小来设定。

3、配液箱B供油配比逻辑为：当配液箱浓度低于设定浓度且水流量积分超过设定值20L时，配液供油阀开启，并积分计算油积分体积；当（水积分体积+油积分体积）*设定浓度的值不小于油积分体积，或，配液箱浓度不低于设定浓度时，流量积分配比完成，继续下一次的积分循环；和，当配液箱浓度低于设定浓度的第三设定比例90%时，开启配液供油阀d3；当配液箱浓度不低于设定浓度的第四设定比例95%时，关闭配液供油阀d3，配液箱供油停止。

4、回油电磁阀d4控制逻辑：矿用乳化液浓度配比控制器仅启动油泵3，并不向配液箱B或液箱A11/A12供油时，回油电磁阀d4失电，为油泵D提供回油通路；如向液箱或配液箱供油，打开液箱供油阀d2或配液箱供油阀d3并且回油电磁阀d4得电关闭。

5、液箱A11/A12的供油配比逻辑为：在液箱浓度小于设定浓度的一定比例时，液箱供油阀对开启，在液箱浓度不小于设定浓度的一定比例时，关闭液箱供油阀d2。

具体的，以两个液箱A11和A12为例，供油配比逻辑为：在第二液箱A12的液箱浓度小于设定浓度的第五设定比例80%且第一液箱的液箱浓度小于设定浓度的第六设定比例90%时，液箱供油阀d2开启；当第二液箱的液箱浓度不小于设定浓度的第七设定比例90%或第一液箱的液箱浓度不小于设定浓度的第八设定比例95%时，关闭液箱供油阀d2，停止向液箱供油。

实际应用中，整个泵站和乳化液浓度配比系统会随着综采面的推进而移动，配液箱或液箱会因为所处地形而发生倾斜或液位本身过低，导致浓度传感器探头露出液面，导致数据采集的失效，针对这种地势倾斜或液位过低导致传感器采集数据失效的情况，本发明实施例中，使用均值法对低于液位要求的液箱浓度进行浓度估算，避免因为液箱液位过低或液箱倾斜导致的浓度传感器采集数据失效的问题，也即，取其他可信浓度传感器的量化数据的均值替代失效数据，具体的，在第一液箱浓度传感器、第二液箱浓度传感器或配液箱浓度传感器采集数据失效时，采用其他两个浓度传感器的采集数据的均值替代采集失效的数据；在第一液箱浓度传感器、第二液箱浓度传感器或配液箱浓度传感器中的两个发生采集数据失效时，采用剩下一个浓度传感器的采集数据替代采集失效的数据；在第一液箱浓度传感器、第二液箱浓度传感器和配液箱浓度传感器的采集数据均失效时，控制停止配比。

6、油箱液位报警逻辑：当油箱液位大于80%时，油位过高报警；当油箱液位高于20%且低于40%时，油位低报警；当油箱液位低于20%时，油位低故障报警。

基于上述提出的矿用乳化液浓度配比控制和配比系统，使用单片机，本安控制与主控制分板设计，可以在整个井下泵站系统中监测乳化液浓度，并实施实时调节，配置有配液箱，具有预制一定容量设定浓度的乳化液的功能，以便泵站系统需要大量供液时及时供液，可以灵活设置参数，具有系统保障提醒，有多重数据上传或远程控制接口，可以方便进行数据连接，是一种真正意义上的井下泵站系统实时浓度检测调节系统。

应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.矿用乳化液浓度配比系统，其特征在于，包括：矿用乳化液浓度配比控制器；

液箱，设置有液箱浓度传感器；

配液箱，用于预制乳化液，设置有液位传感器和配液箱浓度传感器；连接供水管路和配液输出管路，所述供水管路上设置有水流量传感器和供水电磁阀；所述配液输出管路连接所述液箱；

油箱，安装有油位传感器，连接油泵；所述油泵的输出设置有油流量传感器；所述油泵的输出连接液箱供油管路、配液箱供油管路和回油管路；所述液箱供油管路连接所述液箱，设置有液箱供油阀；所述配液箱供油管路连接所述配液箱，设置有配液供油阀；所述回油管路连接所述油箱，其上设置有回油电磁阀；

其中，所述液箱浓度传感器、所述液位传感器、所述配液箱浓度传感器、所述水流量传感器、所述供水电磁阀、所述油位传感器、所述油流量传感器、所述液箱供油阀、所述配液供油阀和所述回油电磁阀均连接所述矿用乳化液浓度配比控制器；

所述矿用乳化液浓度配比控制器，包括：

浓度配比本安控制板，包括本安开关量输入接口、本安开关量输出接口、第一传感器模拟电流信号输入接口和本安CAN总线接口；

浓度配比主控板，包括主控芯片、显示屏通信接口、远程数据通信接口、内部CAN总线接口、第二传感器模拟电流信号输入接口和开关量输出接口；

其中，所述第一传感器模拟电流信号输入接口连接液位传感器、油位传感器和浓度传感器的输入；所述第二传感器模拟电流信号输入接口连接水流量传感器和油流量传感器的输入；所述开关量输出接口连接受控电磁阀和启动油泵电机的先导开关；所述本安CAN总线接口与所述内部CAN总线接口相接；

所述供水电磁阀的开启条件为：

所述配液箱浓度不低于设定浓度且液位不高于最高设定液位；或，

所述配液箱液位低于最低设定液位时，开启所述供水电磁阀，并积分计算水积分体积；

所述油泵的启停条件为：

所述液箱的浓度低于设定浓度的第一设定比例；或，

所述配液箱浓度低于设定浓度的第二设定比例、且积分累计油水比例达到设定浓度要求时，开启所述油泵；

否则，延迟设定时间后关闭所述油泵；

所述配液箱供油配比逻辑为：

当所述配液箱浓度低于设定浓度且水流量积分超过设定值时，所述配液供油阀开启，并积分计算油积分体积；当（水积分体积+油积分体积）*设定浓度的值不小于油积分体积，或，所述配液箱浓度不低于设定浓度时，流量积分配比完成，继续下一次的积分循环；和，

当所述配液箱浓度低于设定浓度的第三设定比例时，开启所述配液供油阀；当所述配液箱浓度不低于设定浓度的第四设定比例时，关闭所述配液供油阀；

所述液箱包括：

第一液箱，设置有第一液箱浓度传感器；

第二液箱，设置有第二液箱浓度传感器；

所述第一液箱浓度传感器和所述第二液箱浓度传感器连接所述矿用乳化液浓度配比控制器；

所述液箱的供油配比逻辑为：

在所述第二液箱的液箱浓度小于设定浓度的第五设定比例且所述第一液箱的液箱浓度小于设定浓度的第六设定比例时，所述液箱供油阀开启；当所述第二液箱的液箱浓度不小于设定浓度的第七设定比例或所述第一液箱的液箱浓度不小于设定浓度的第八设定比例时，关闭所述液箱供油阀；

在所述第一液箱浓度传感器、所述第二液箱浓度传感器或所述配液箱浓度传感器采集数据失效时，采用其他两个浓度传感器的采集数据的均值替代采集失效的数据；

在所述第一液箱浓度传感器、所述第二液箱浓度传感器或所述配液箱浓度传感器中的两个发生采集数据失效时，采用剩下一个浓度传感器的采集数据替代采集失效的数据；

在所述第一液箱浓度传感器、所述第二液箱浓度传感器和所述配液箱浓度传感器的采集数据均失效时，控制停止配比。

2.根据权利要求1所述的矿用乳化液浓度配比系统，其特征在于，所述控制器还包括：

第一供电电源，为浓度配比主控板、显示屏、受控电磁阀和远程数据通信模块供电；

第一本安供电电源，为浓度配比本安控制板、本安开关量输入模块和本安开关量输出模块供电；

第二本安供电电源，为液位传感器、油位传感器和浓度传感器供电。

3.根据权利要求1所述的矿用乳化液浓度配比系统，其特征在于，所述远程数据通信接口为Ethernet/IP通信接口或外部CAN总线接口。

4.根据权利要求1所述的矿用乳化液浓度配比系统，其特征在于，所述本安开关量输出接口连接声光报警器。

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