综采工作面乳化液浓度在线 监控系统

1、 研究课题名称：综采工作面乳化液浓度在线监控系统1.选题依据
（1） 选题背景：目前，我国大多数煤矿对矿用乳化液浓度的检测手段还比较落后，还是采用传统的检测手段，破乳法和折光仪检测法。

且传统的乳化液浓度检测方法都需要人工取样与目测读数，测量精度不高，而且都不能在线监测乳化液浓度的变化。

（2）选题的研究意义: 乳化液是液压系统的传动介质，乳化液中乳化油的百分比，即乳化液的浓度是评价乳化液性能的一个重要指标。

《煤矿安全规程》规定乳化液的浓度一般为3％～5％( 质量分数) ，乳化液浓度是否适当，直接影响到液压支架、液压支柱以及其他液压元件的寿命和生产成本。

浓度过低，液压元件将受到水的直接侵蚀而生锈，导致元件失效，从而缩短设备使用寿命；浓度过高，会使乳化油的消耗量增加，从而导致生产成本上升。

因此，实现乳化液浓度的自动检测和配比对保护液压系统元件，延长其使用寿命，以及降低生产成本尤为重要。

（3） 在综合国内外文献资料的基础上，对我国煤炭企业传统的乳化液浓度检测方法现状、存在的问题、具体的解决方案进行分析，介绍了乳化液浓度在线监控系统的组成与工作原理。

2、 研究方案
1. 研究目标
2. 研究内容
3. 拟解决的关键问题
4. 拟采取的研究方法
[硕士学位论文开题报告]：
题目：综采工作面乳化液浓度在线监控系统
作者：陈二斌 学号：G
一、选题的依据和意义
1.1 课题的目的和意义
乳化液是液压系统的传动介质，乳化液中乳化油的百分比，即乳化液的浓度是评价乳化液性能的一个重要指标。

《 煤矿安全规程》规定乳化液的浓度一般为3 ％ ～ 5 ％ ( 质量分数) ，乳化液浓度是否适当，直接影响到液压支架、液压支柱以及其他液压元件的寿命和生产成本。

浓度过低，液压元件将受到水的直接侵蚀而生锈，导致元件失效，从而缩短设备使用寿命；浓度过高，会使乳化油的消耗量增加，从而导致生产成本上升。

因此，实现乳化液浓度的自动检测和配比对保护液压系统元件，延长其使用寿命，以及降低生产成本尤为重要。

本课题具有重要的现实意义：目前国内已有许多高校和科研机构在从事乳化液浓度的自动检测和配比研究，尤其是把乳化液浓度的检测技术和配比技术结合起来，研发了矿用乳化液浓度的自动检测与配比系统，从而提高了乳化液浓度的检测和配比效率，对促进煤矿安全生产，提高管理水平，以及降低工人的劳动强度起到了重要的作用。

1.2 国内外研究动向
目前，我国大多数煤矿对矿用乳化液浓度的检测手段还比较落后，还是采用传统的人工检测手段，主要包括：破乳法和折光仪检测法 。

对于乳化液浓度的在线监测还是个空白，只能现场检测，而不能实现实时监测。

通过实时监测乳化液浓度，让自动配比装置来始终保持合理配比。

自动配液代表了乳化液配制方法的发展趋势，配制合理、稳定浓度的乳化液是国内外生产厂家设计研究的课题。

目前，人们越来越趋向于采用先进的传感检测和计算机控制技术，将乳化液的浓度检测和配比结合起来实现乳化液浓度的在线检测和自动配比。

二、综采工作面乳化液浓度在线监控系统
2.1 系统功能概述
《煤矿安全规程》规定乳化液的浓度必须保持在既定工况的最佳值，浓度过高泡沫多，成本也高，刺激皮肤，冷却性差；浓度过低，则
防锈性、抑制细菌能力和润滑性都变差。

而乳化液配比浓度受很多因素的影响,包括水压、水质、温度、流量、配比装置准确度等。

现有的乳化液配制，大多数靠取样用光折射计观察，其精度不高，效率低，受人为因素影响较大。

该系统采用“超声波乳化液浓度在线检测仪”，利用超声波在全溶性液体中的传播状态是随溶液的温度、压力、介质混合单元数、单元浓度而变化的原理，通过特定的计算方法和数据处理，实时测量乳化液样品浓度值，根据其浓度的不同，此仪器输出：4-20mA或0-5V任一开关量，RS485接口传输，通过实测数据域设定数据的比较，完成对乳化液浓度的实时监测和自动配比。

2.2 系统分析
1.综采工作面乳化液浓度在线监控系统能实现自动监测和自动配比，能适应高产高效的自动化工作面；
2.在煤炭行业的设备监控监护方面具有领先性，系统的开发是在信息化水平比较高的矿井进行的，能够帮助煤炭企业将信息化建设提升到行业领先水平。

3.将乳化液浓度的自动检测和配比系统纳入整个综采工作面的综合监测与控制系统。

2.3 乳化液检测管理的缺陷
现在在神东这样先进的矿井仍然不能实现乳化液浓度的实时监测，只能定时间的去人工检测，如果现场工作者不能很好的执行定时检测，乳化液的合理浓度的就不能保证，具体表现在：
1.人工检测的精度不能保证；
2.人工检测完全靠制度去维持；
3.机电运行管理工作者不能得到连续的浓度数据，完全靠汇报和自检。

2.4 系统建成后的效果：
1.能实现乳化液浓度的连续的实时监测；
2.杜绝人为的乳化液浓度失调，且能实现自动配比；
3.能实现矿调度和机电管理部门对设备运行的有力监管；
4.实现设备的高效运行和保护。

三、乳化液浓度在线监测系统实现方案
乳化液浓度在线监测系统，利用当前先进的检测仪器，对乳化液浓度进行不间断的监测，再通过自动配比装置来实现乳化液的科学浓度。

3.1 煤矿用乳化液浓度在线监测系统实现：
1、井上计算机动态显示监测参数，报警；
2、井下现场显示数据和报警；
3、监测数据自动记录存储；
4、连续监测曲线显示，分析；
5、历史数据查询及报表输出；
6、数据库数据信息共享；
7、监测日报网上报表；
3.2 乳化液浓度在线监控系统硬件组成
根据乳化液的设定浓度值以及超声波乳化液浓度在线检测仪、检测到的实际浓度值计算出浓度偏差，通过一定的控制算法，得出步进电机的转速，利用HY6220计数卡向步进电机发送合适的脉冲，控制步进电机的转速，进而控制乳化油向乳化液箱的供油流量。

通过控制乳化油的进油量，使乳化油的流量和清水流量之比达到某一范围，即可保证乳化液浓度值达到设定要求。

该系统在乳化液箱内部安装了液位开关，并通过数字量输入板卡 6110可实时检测高低液位。

当乳化液液位高度超出最高警戒限时，系统通过6160板卡关闭水阀和步进电机，停止配液；而当液位的高度低于最低警戒线时，系统则进行声光报警。

不仅能实现乳化液浓度的在线检测 ，而且可以同时实现乳化液浓度的自动配比。

图1 系统结构示意
3.3 乳化液浓度在线监控系统软件设计
系统软件的控制算法采用限定范围的 P I 控制算法，其基本思想和具体做法是：将浓度区间从低到高分成 4个部分，用 C0表示目标浓度，C P表示配液过程浓度值，如图2所示。

图2 浓度区间划分示意图
图2中，C1，C2，C0，C3为根据配液实际情况划分的浓度区间。

① 当过程浓度 C P＜C1，用很大的乳化油流量进行配液，使过程浓度迅速达到
C1以上；② 当过程浓度 C1＜C P＜C2用较大的乳化油流量进行配液，使得过程浓度缓慢上升 ，逐步逼近目标浓度 C0，同时避免超调过大；③当过程浓度 C P>C3，用很小的乳化油流量进行配液，使过程浓度很快回到C2和C3之问；④ 当过程浓度C2＜C P＜C3时，采用PI 控制算法，确保过程浓度能够精确地控制在目标浓度附近。

系统采用限定范围(C2～C3)的PI控制算法可避免一开始就使用PI控制算法而导致过饱和，从而使得控制超调。

3.4 系统数据与信号传输
利用工业计算机和现代矿井通讯技术，把超声波乳化液浓度在线检
测仪测量的数据通过RS485网络接口与其他监测网络联接,数据经采集电路送到处理器进行分析处理,被监控参数用液晶显示屏进行显示,由键盘控制设置参数,必要时监控系统发出报警信息并通过采集的信号控制电
磁阀,进行断电保护,并可保存出错记录,可供用户随时查询与分析,从而实现了乳化液泵站的智能监控。

四 选题的特色
( 1 )能够使用高精度实时浓度检测仪器与技术取代目前仍在使用中的传统检测手段。

( 2 )自动配液代表了乳化液配制方法的发展趋势。

配制合理、浓
度稳定的乳化液是延长液压设备工作寿命，降低生产成本的有效途径。

( 3 )采用先进的传感检测和计算机控制技术，将乳化液的浓度检
测和配比结合起来实现乳化液浓度的在线检测和自动配比，符合现代化矿井生产技术的发展趋势。

五、参考文献
[1]张德新，乳化液浓度超声波检测装置研究 [ D]山东科技大学，2005；
[2]王晓丽，乳化液浓度自动检测及其配比系统。

煤矿机电，2006；
[3]宋理敏、寇子明、杨贵元，乳化液浓度的动配比和在线检测[J]，机械管理开发，2006（1）；
[4]张勇，矿用乳化液矢量自动配比装置研究 [D]，泰安：山东科技大学，2005；。