乳化液泵变频自动化控制系统[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 204041407 U(45)授权公告日 2014.12.24

(21)申请号 201420439728.X(22)申请日 2014.08.06

(73)专利权人四川达竹煤电(集团)有限责任公

司白腊坪煤矿

地址635041 四川省达州市达县渡市乡(72)发明人何良伟 黄全明 陈渝 邬应权

王安 温强(51)Int.Cl.

F04B 49/06(2006.01)

权利要求书1页 说明书7页 附图9页权利要求书1页 说明书7页 附图9页

(54)实用新型名称

乳化液泵变频自动化控制系统(57)摘要

本实用新型公开一种乳化液泵变频自动化控制系统，包括有乳化液泵站系统、PLC监控系统、自动配液系统及检测传感器系统；所述乳化液泵站系统有一号乳化液泵、二号乳化液泵和乳化液箱，该一号和二号乳化液泵配备变频电动机以及防爆变频器，且一号、二号乳化液泵的变频电动机与该防爆变频器之间由电抗器接触器切换系统相连；所述乳化液箱具有液箱和油箱，该自动配液系统和检测传感器系统配置在该乳化液箱中；所述PLC监控系统分别与乳化液泵站系统、自动配液系统及检测传感器系统相连，通过各系统之间协调监控达到自动恒压供液的节能运行、系统故障保护或报警、系统数据实时显示及传输、乳化液的自动配比、浓度实时检测。CN 204041407 U CN 204041407 U

权 利 要 求 书

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1.乳化液泵变频自动化控制系统，其特征在于：包括有乳化液泵站系统、PLC监控系统、自动配液系统及检测传感器系统；

所述乳化液泵站系统有一号乳化液泵、二号乳化液泵和乳化液箱，该一号和二号乳化液泵配备变频电动机以及防爆变频器，且一号、二号乳化液泵的变频电动机与该防爆变频器之间由电抗器接触器切换系统相连；

所述乳化液箱具有液箱和油箱，该自动配液系统和检测传感器系统配置在该乳化液箱中；

所述PLC监控系统分别与乳化液泵站系统、自动配液系统及检测传感器系统相连。2.根据权利要求1所述的乳化液泵变频自动化控制系统，其特征在于： 所述液箱包括配液室、过液室、工作室，该配液室、过液室、工作室的室底部均设有放液口，于该液箱箱体前后侧装有防爆接线盒连接控制线路，液箱箱体安装交替阀、高压过滤器、回液过滤器、压力传感器、系统卸压器、吸液截止阀、回液断路器及液位指示器。

3.根据权利要求1所述的乳化液泵变频自动化控制系统，其特征在于：所述油箱包括储油室和自动配液阀，油箱上部设有空气过滤器，油箱底部设有放油口，储油室内装有油位传感器检测储油量，有酸碱传感器检测酸碱性。

4.根据权利要求1所述的乳化液泵变频自动化控制系统，其特征在于：所述自动配液系统包括配置在乳化液箱中的水过滤器、防爆电磁阀、配液比例阀、防爆液位传感器、防爆油位传感器、油过滤器及浓度检测器。

5.根据权利要求1所述的乳化液泵变频自动化控制系统，其特征在于：所述电抗器接触器切换系统包括有多个磁力启动器和和多个接触器，所述一号乳化液泵、二号乳化液泵和防爆变频器均各配置一个磁力启动器和一个接触器。

6.根据权利要求5所述的乳化液泵变频自动化控制系统，其特征在于：所述磁力启动器采用真空电磁启动器。

7.根据权利要求1所述的乳化液泵变频自动化控制系统，其特征在于：所述防爆变频器连接制动电阻。

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说 明 书

乳化液泵变频自动化控制系统

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技术领域

本实用新型涉及自动化控制领域技术，尤其是指一种乳化液泵变频自动化控制系统，应用于井下各类大功率乳化泵的自动控制。

[0001]

背景技术

随着矿山开采设备自动化程度的不断提高，在采矿工作面中，大量采用大型液压支护机具，如液压支柱、单体液压支架。支护机具是利用高压乳化液作为驱动介质实现工作。乳化液的配比浓度直接影响到支护机具支护顶升效果，直接关系到井下生产安全。[0003] 目前，矿山乳化泵采用传统的控制系统，需专人值守。采矿工作面乳化液的配比，大都是靠手工操作，根据操作者的经验进行配比，然后用测量仪测量乳化液浓度。若配比不合理，就要重新配比，直到达到合理浓度为止，不能实现乳化液的自动配液，十分繁琐。此外，传统的乳化泵无法做到恒压控制。

[0002]

实用新型内容

[0004] 有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种乳化液泵变频自动化控制系统，其能达到自动恒压供液的节能运行、系统故障保护或报警、系统数据实时显示及传输、乳化液的自动配比、浓度实时检测。[0005] 为实现上述目的，本实用新型采用如下之技术方案。[0006] 一种乳化液泵变频自动化控制系统，包括有乳化液泵站系统、PLC监控系统、自动配液系统及检测传感器系统。

[0007] 所述乳化液泵站系统有一号乳化液泵、二号乳化液泵和乳化液箱，该一号和二号乳化液泵配备变频电动机以及防爆变频器，且一号、二号乳化液泵的变频电动机与该防爆变频器之间由电抗器接触器切换系统相连。[0008] 所述乳化液箱具有液箱和油箱，该自动配液系统和检测传感器系统配置在该乳化液箱中。

[0009] 所述PLC监控系统分别与乳化液泵站系统、自动配液系统及检测传感器系统相连。

[0010] 优选的，所述液箱包括配液室、过液室、工作室，该配液室、过液室、工作室的室底部均设有放液口，于该液箱箱体前后侧装有防爆接线盒连接控制线路，液箱箱体安装交替阀、高压过滤器、回液过滤器、压力传感器、系统卸压器、吸液截止阀、回液断路器及液位指示器。

[0011] 优选的，所述油箱包括储油室和自动配液阀，油箱上部设有空气过滤器，油箱底部设有放油口，储油室内装有油位传感器检测储油量，有酸碱传感器检测酸碱性。优选的，所述自动配液系统包括配置在乳化液箱中的水过滤器、防爆电磁阀、配液比例阀、防爆液位传感器、防爆油位传感器、油过滤器及浓度检测器。[0013] 优选的，所述电抗器接触器切换系统包括有多个磁力启动器和和多个接触器，所

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述一号乳化液泵、二号乳化液泵和防爆变频器均各配置一个磁力启动器和一个接触器。[0014] 优选的，所述磁力启动器采用真空电磁启动器。[0015] 优选的，所述防爆变频器连接制动电阻。

[0016] 本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，本系统主要包括乳化液泵站系统、变频电动机、防爆变频器、与变频电动机配套使用的电抗器接触器切换系统、PLC监控系统、自动配液系统及检测传感器系统，通过各系统之间协调监控达到自动恒压供液的节能运行、系统故障保护或报警、系统数据实时显示及传输、乳化液的自动配比、浓度实时检测。

[0017] 为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本实用新型进行详细说明。附图说明

[0018] [0019] [0020] [0021] [0022] [0023]

图1是本实用新型之较佳实施例的乳化泵站变频自动控制系统示意图。图2是本实用新型之较佳实施例中液箱的组成示意框图。图3是本实用新型之较佳实施例中油箱的组成示意框图。

图4是本实用新型之较佳实施例中自动配液系统的组成示意框图。

图5是本实用新型之较佳实施例中系统输入660V三相电源时主回路的接线图。图6是本实用新型之较佳实施例中系统输入1140V交流电时主回路和控制回路的图7是本实用新型之较佳实施例中一号、二号乳化液泵的控制系统图。图8是本实用新型之较佳实施例中控制回路图。图9本实用新型之较佳实施例中220V控制回路图。

图10是本实用新型之较佳实施例中支架投入与管网压力、流量的关系图。附图标识说明：11、一号乳化液泵 12、二号乳化液泵13、乳化液箱 15、液箱151、配液室 152、过液室153、工作室 154、放液口155、防爆接线盒 156、交替阀157、高压过滤器 158、回液过滤器159、压力传感器 1510、系统卸压器1511、吸液截止阀 1512、回液断路器1513、液位指示器 16、油箱161、储油室 162、自动配液阀163、空气过滤器 1、放油口165、油位传感器 17、制动电阻20、变频电动机 30、防爆变频器50、电抗器接触器切换系统51、磁力启动器 52、接触器

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接线图。

[0024] [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032] [0033] [0034] [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [0043]

CN 204041407 U[0044] [0045] [0046] [0047] [0048]

说 明 书

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60、PLC监控系统 70、自动配液系统

71、水过滤器 72、防爆电磁阀73、配液比例阀 74、防爆液位传感器75、防爆油位传感器 76、油过滤器77、浓度检测器。

具体实施方式

[0049] 请参照图1至图4所示，其显示出了本实用新型之较佳实施例的具体结构。本实用新型的乳化液泵变频自动化控制系统包括有乳化液泵站系统、变频电动机20、防爆变频器30、与变频电动机20配套使用的电抗器接触器切换系统50、PLC监控系统60、自动配液系统70及检测传感器系统。通过各系统之间协调监控达到自动恒压供液的节能运行、系统故障保护或报警、系统数据实时显示及传输、乳化液的自动配比、浓度实时检测。[0050] 其中，乳化液泵站系统具有两泵一箱，即有一号乳化液泵11、二号乳化液泵12和乳化液箱13。该一号和二号乳化液泵11、12配备了200KW／AC660V的变频电动机20以及250KW／AC660V的防爆变频器30。

[0051] 所述乳化液箱13的结构主要包括液箱15以及油箱16，所述自动配液系统70和检测传感器系统配置于该乳化液箱13中。[0052] 所述液箱15主要由配液室151、过液室152、工作室153组成。该配液室151、过液室152、工作室153的室底部均设有放液口154。该液箱15箱体前后侧装有防爆接线盒155连接控制线路，液箱15箱体安装交替阀156、高压过滤器157、回液过滤器158、压力传感器159、系统卸压器1510、吸液截止阀1511、回液断路器1512、及液位指示器1513，各传感器共同组成该液箱15的检测传感器系统。

[0053] 所述油箱16主要由储油室161和自动配液阀162组成，油箱16上部设有空气过滤器163，油箱16底部设有放油口1。储油室161内装有油位传感器165检测储油量，有酸碱传感器166检测酸碱度，该油位传感器165和酸碱传感器166构成油箱16的检测传感器系统。

[0054] 所述自动配液系统70对液压支架用乳化液液体浓度进行精确监控并实现自动配液，延长液压支架使用寿命。该自动配液系统70主要由水过滤器71、防爆电磁阀72、配液比例阀73、防爆液位传感器74、防爆油位传感器75、油过滤器76及浓度检测器77等组成。各传感器共同构成该自动配液系统70的检测传感器系统。通过各类传感器信号采集及处理能自动将乳化油和水按照一定的比例配成乳化液。

[0055] 与变频电动机20配套使用的电抗器接触器切换系统50包括有若干个磁力启动器51和接触器52。其中，该防爆变频器30与一号乳化液泵11、二号乳化液泵12之间均分别配设有一个电抗器接触器（KM1、KM2）。此外，该防爆变频器30与PLC监控系统60的控制电路之间也配置有一个电抗器接触器KM3。 以及，该防爆变频器30、一号乳化液泵11和二号乳化液泵12与供电线路的干式变压器之间各配设一个电抗器接触器（KM4、KM5、KM6）。籍由不同的电抗器接触器切换使一号乳化液泵11或二号乳化液泵12作为主运行泵，或者使一号、二号乳化液泵11、12同步运行。

[0056] 所述PLC监控系统60内置控制程序，该控制程序的主要构成是现有技术，在此不

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再赘述。

请参照图5至图9所示，其显示出了本实用新型的电路控制图。[0058] 其中，图5是本系统输入660V三相电源时主回路的接线图。一号乳化液泵11和二号乳化液泵12与三相输入电源电路之间分别接磁力启动器51，防爆变频器30与三相输入电源电路之间接保护电感L。并且，该一号、二号乳化液泵11、12分别与防爆变频器30相

[0057]

接，于一号乳化液泵11与防爆变频器30之间接第一接触器KM1，于二号乳化液泵12与防爆变频器30之间接第二接触器KM2。

[0059] 图6是本系统输入1140V交流电时主回路和控制回路的接线图，其中，一号和二号乳化液泵11、12所采用的磁力启动器51是真空电磁启动器。由于是高压供电，该一号、二号乳化液泵11、12需要注意加装防爆接线盒155。此外，该PLC监控系统60的配电箱与两磁力启动器51之间分别相接控制与反控制线，PLC监控系统60的配电箱与防爆变频器30之间相接PLC控制箱与变频器连接线。[0060] 图7是该一号、二号乳化液泵11、12的控制系统图，其防爆变频器30上相接制动电阻17。

[0061] 图8显示了系统的控制回路图，其主要包括运行自保回路、正相启/停回路、反相启/停回路、急停回路、故障复位回路、电源指示、变频运行指示、变频急停指示和变频故障指示。

[0062] 图9显示了系统的220V控制回路图，其主要包括控制电源、本安电源、变频器运行与风机运行闭锁回路、变频器输出接触器52控制、接触器52输出点控制、变频器内散热风机控制。

[0063] 承上详细介绍了本系统的结构配置和其电路接线控制，下面将详述本实用新型的乳化液泵变频自动化控制系统的使用方法。使用前，需对该乳化液泵站系统控制参数设置，本实施例采用其中一种设置方式，具体方案如下。[00] 1、主泵选择：一号乳化液泵11、二号乳化液泵12，选择二号乳化液泵12为主泵。[0065] 2、泵循环顺序选择：主泵向后、主泵向前，选择主泵向前。[0066] 3、 泵变频工作选择：4小时、8小时、12小时、18小时、24小时，选择8小时。[0067] 4、变频器运行最高频率选择：45Hz、50Hz、53Hz，选择50Hz。[0068] 5、变频器运行最低频率选择：5Hz、20Hz、25Hz，选择20Hz。[0069] 6、变频器工作上限频率运行时功能选择：工频切换、直接启动，选择工频切换。7、 变频器工作下限频率运行时功能选择：工频切换、工频不切换，选择工频切换。[0071] 8、配液选择：自动、手动、人工，选择自动。[0072] 9、工作方式选择：自动、手动、检修，选择自动。[0073] 10、PID调节选择：出口压力信号、远方压力信号、远方为主出口为辅、流量信号、出口压力为主流量为辅；选择压力远方为主出口为辅。[0074] 11、系统压力设置：20～35MPa,设置31MPa。[0075] 12、水位设置（可设置几点的温度）：根据现场情况设置。[0076] 13、 油位设置（可设置几点的温度）：根据现场情况设置。[0077] 14、温度设置（可设置几点的温度）：根据现场情况设置。[0078] 15、乳化液浓度设置：根据现场情况设置。

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完成控制参数设置，本系统提供三种工作方式：包含自动、手动、检修三种工作方

式。

一、自动工作方式：依据上述设置的参数，当采用自动工作方式时，能够实现系统的恒压控制、自动配液以及在自动安全保护。[0081] （一）、恒压控制：[0082] 控制参数设置完成，按下启动按钮，防爆变频器30驱动二号乳化液泵12（因为选择泵2为主运行泵）开始运转，工作面压力传感器159（即出口压力YL2，该压力传感器安装于液压支架处）产生压力信号，并转换为4～20mA的模拟信号，此时另一出口压力传感器159（即出口压力YL1）也产生压力信号跟YL2信号互相补充互相备用，信号反馈到PLC控制系统60，假设反馈18mA信号对应工作压力为31MPa，那么PLC控制系统60通过PID调节计算处理并控制防爆变频器30及变频电动机20工作频率（速度）为45Hz，达到了压力要求。[0083] 当工作面用液时，压力会迅速下降，反馈信号变小，PLC控制系统60的PLC处理器立即响应，控制防爆变频器30加速提高工作面压力，当防爆变频器30加速到50Hz时仍不能达到工作压力31MPa时，PLC控制系统60立即启动工变频切换程序，防爆变频器30停止，KM4断开同时KM2启动，二号乳化液泵12工频运行，整个过程小于500毫秒；KM5吸合，防爆变频器30再次起动一号乳化液泵11，这样二号乳化液泵12工频运行+一号乳化液泵11变频运行达到压力要求。当工作面用液小时压力过大时，PLC控制系统60的PID调节起动，PLC控制系统60控制防爆变频器30变频下调速度直到下限频率还不能满足压力设定值，起动工频切换程序，把泵停止运行，直到满足压力要求。最终到达恒压供液的目的。[0084] 当主控泵（选择二号乳化液泵12）变频工作八小时后，可以自动切换为辅助泵，一号乳化液泵11成为主控泵并且变频运行，避免单泵长期变频运行。[0085] (二) 自动配液：[0086] 本实施例中，配液装置要求的供水压力范围是0.3-6Mpa。乳化液的浓度一般控制在3%-5%之间，其可选用的配液、加液方式包括采用人工调定比例阀配液以及采用传感器自动配液两种：

[0087] 当采用人工调定比例阀配液时，即采用负压虹吸原理触使配液比例阀73自动配液，其精度较差，但比人工配液精度高。也需配合人工浓度检测计。此装置配合防爆液位传感器74控制水防爆电磁阀72可实现自动加液。此系统比较简单，故障率低，适合于中小型矿井的小型乳化液泵站自动控制。[0088] 当采用传感器自动配液时，即采用浓度检测器77加上液位指示器1513、油位传感器165+PLC控制系统60，根据PLC控制系统60采集处理发出的信号，按照功能要求控制防爆电磁阀72和乳化液泵11或12进行自动配液和补液。[00] 例如：当液箱15的液位处于设定的下限时，配液比例阀73和和乳化液泵11或12按设定的量比自动配液，配液过程中PLC控制系统60实时监控配液浓度，当液箱15的液位达到设定上限时，相关配液器件停止输出。配液完成后系统根据浓度实际检测值自动修正浓度，以保证乳化液符合使用要求。[0090] （三）自动安全保护：[0091] 结合图8、图9，该系统具有自动检测显示乳化液泵组储能器压力、压力系统管线突然爆裂时该装置能控制泵自动停机的功能，当压力5秒内有28.5MPa以上下降到10MPa

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时，系统自动停机保护；

[0092] 泵站多泵并联开停，满足大流量乳化液需求；使乳化液泵的变频电动机20随乳化液需求而改变运转频率；乳化油高低位保护；乳化液高低位及吸空保护；乳化液温度保护；乳化液高压出液压力显示；乳化液流量显示；乳化液自动配液功能；系统故障自检功能，故障提前预警功能，语音预警功能。[0093] 另外，为防止泄露造成油箱16液位下降及乳化液变质，液面油位传感器165及酸碱传感器166始终处于工作状态，并把信号反馈给PLC控制系统60与标准值进行比较，若不在标准范围内，随时发出报警信号。

[0094] 在自动工作方式下所有保护均投入PLC控制系统的控制逻辑中，参与保护。[0095] 二、手动工作方式：

[0096] 当系统工作方式打到手动时：所有设备处于单机运转状态，还具有闭锁联锁关系。也能做到恒压供液，只是压力调节范围小，不可以多泵切换，可以多泵轮换工作。所有保护投入工作。[0097] 三、检修工作方式：

[0098] 当系统工作方式打到检修时：所有设备处于单机运转状态，还具有闭锁联锁关系。也能做到恒压供液，只是压力调节范围小，不可以多泵切换，可以多泵轮换工作。部门保护投入工作，可以屏蔽非重要保护。[0099] 此外，本实用新型的乳化液泵变频自动化控制系统还带来了良好的节能效果，图 10显示了乳化液泵站系统管网压力、流量与液压支架移动投入数量的关系基本情况，其乳化液泵调速运行节能原理详述如下。

[0100] 当变频电动机20以额定转速 n0运行，液压支架按 g0（ 全部投入）、g、g1变化时，管道压力与流量沿 A，B，C 点变化，要想减小管道流量到 Q1，可减小液压支架投入数量到 g1，但乳化液泵压力由原来的 HA上升到 HC，使变频电动机20功耗增加；而如果让液压支架全部投入（ g0），采用变频调速，使变频电动机20转速至 n1，且乳化液泵流量等于 Q1，则乳化液泵压力由原来的 HA降到HA'，变频电动机20的功耗可大大降低。用液压支架投入数量节流使乳化液泵流量为 Q1，变频电动机20功率为 KHCQ1；用变频调速使流量为 Q1，变频电动机20功率为 KHA'Q1，节省电能：KHCQ1- KHA'Q1= KQ1（HC- HA'）。[0101] 由图 10可见，在乳化液泵流量小、转速低时，变频调速节能的效果便十分明显。[0102] 节能分析根据流体力学的基本定律可知：乳化液泵的流量与变频电动机20转速成正比，压力与变频电动机20转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。只要在满足生产需求的情况下，降低变频电动机20的转速，则轴功率将会大大降低，节能效果显著。由图 10 可知，采用变频调速，当流量从 Q0减少 50% 至 Q1时，系统工作点便由原来的 A点移至 A'点，乳化液泵出口压力变为 HA'，变频电动机20实际功率为 P = Q1・HA'，变频电动机20节省的功耗为 Q1・HC与 Q1・HA'的面积差；当流量从 100% 降至 50% 时，节能率在20% 以上。[0103] 综上所述，本实用新型的设计重点在于，由于乳化液泵变频自动化控制系统包括乳化液泵站系统、变频电动机20、防爆变频器30、与变频电动机20配套使用的电抗器接触器切换系统50、PLC监控系统60、自动配液系统70及检测传感器系统，通过改进后该系统能实现以下优点：1、自动开停乳化液泵11或12； 2、恒压供液，节能显著； 3、主备泵自动、

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手动互相切换； 4、自动、手动配液； 5、具有多种工作方式； 6、各种运行以及应急方式；7、实时监测及显示功能； 8、参数设置灵活方便；9、控制变频电动机的启动电流（变频器起动）；10、降低电力线路电压波动（变频器起动）；11、提高了功率因素，节电效果明显（变频器）；12、节省维修费用，机械冲击小，系统运行合理。[0104] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

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