乳化液智能配比系统研究.pdf

兰州理工大学 硕士学位论文 乳化液智能配比系统研究 姓名石跃芳 申请学位级别硕士 专业测试计量技术及仪器 指导教师韩致信 20100519 硕士学位论文 摘要 煤的生产是关系国计民生的大事，是关系国家可持续发展的重要战略物质。 在煤矿液压装置使用过程中，乳化液的配制质量对装置使用寿命影响很大。本文 以乳化液智能配比系统为研究对象，围绕乳化液的配制浓度、回流乳化液处理、 系统控制、系统结果显示等问题进行理论和试验研究。完成了硬件电路设计，采 用C 语言与汇编语言相结合的方式设计了系统的软件程序，并对软硬件进行了 调试，通过试验证实了所设计系统的合理性。主要研究成果及内容有 1 提出了对工作面回流乳化液实时检测和有效控制的方法。 2 提出了用T I 公司专为实时控制而设计的高性能D S P 芯片作为控制器 设计乳化液智能配比系统的方法。 3 完成了乳化液智能配比系统硬件电路设计。主要包括系统电源设计、 D S P 芯片外围电路设计、信号处理电路设计、配液油泵变频调速电路设计、搅 拌器工作电路设计及液晶显示电路设计等。 4 应用c 语言与汇编语言相结合的方式，完成了系统软件设计。主要包 括I ／O 端口设计、定时器模块设计、A D C 模块设计、P W M 模块设计、中断模块 设计、回流液P H 值检测及控制设计、乳化液箱的液位检测及控制设计、乳化油 箱油位检测及控制设计、浓度检测及控制设计、L C D 驱动与显示程序设计、数 字P I D 控制实现及上位机软件设计等。并在C C S 软件开发环境中对程序进行了 相应的调试。 5 完成了系统的试验研究。通过对上位机显示误差分析及乳化液配制质 量的分析，验证了该系统设计的合理性。 、 关键词乳化液；浓度；智能配比；D S P 乳化液智能配比系统研究 A bs t r a c t C o a li sa ni m p o r t a n ts t r a t e g i cm a t e r i a lm a t t e r st oac o u n t r y ’Ss u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ．C o a lp r o d u c t i o ni sac o l o s s a lt a s k ，w h i c hr e l a t i n gt op e o p l e ’Sl i v e l i h o o d ． I nt h ep r o c e s so f u s i n gc o a lh y d r a u l i ce q u i p m e n t ，t h eq u a l i t yo f e m u l s i o nh a sag r e a t i m p a c to nt h o s ed e v i c e s ’Ss e r v i c el i f e ．T h i sp a p e ri st h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n t m a t c h i n gs y s t e mo fe m u l s i o n ．T h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hc e n t e r r e do n t h ec o n c e n t r a t i o no fe m u l s i o np r e p a r a t i o n ，t h ep r o c e s s i n gm e t h o d so fb a c k f l o w e m u l s i o n ，s y s t e mc o n t r o l ，d i s p l a ys y s t e mr e s u l t s ，a n dS Oo n ．C o m p l e t e dt h eh a r d w a r e d e s i g n ．D e s i g n e dp r o g r a m sb a s e do nm i x e da p p l i c a t i o no fCl a n g u a g ea n da s s e m b l y l a n g u a g e ．T h er a t i o n a l i t yo ft h es y s t e mi sa n a l y z e dt h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d y ．T h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa n dc o m e n t sa r ea sf o l l o w s 1 P r o p o s e dt h em e t h o do fr e a l - t i m ed e t e c ta n de f f e c t i v ec o n t r o lt h ef l o wo f e m u l s i o n ． 2 P r o p o s e dt h em e t h o do fu s i n gD S Pc h i p ，w h i c hw i t hh i g h p e r f o r m a n c ea n d T IC o m p a n yd e s i g n e df o rr e a l t i m ec o n t r o l ，d e s i g ni n t e l l i g e n tm a t c h i n gs y s t e mo f e m u l s i o n ． 3 D e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta b o u ti n t e l l i g e n tm a t c h i n gs y s t e mo fe m u l s i o n ． I ti n c l u d e dt h ed e s i g no fs y s t e mp o w e rs u p p l y , D S Pc h i pp e r i p h e r a lc i r c u i t ，s i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ，d i s p e n s i n gp u m pf r e q u e n c yc o n t r o lc i r c u i t ，m i x e rc o n t r o lc i r c u i t ， L C Dc i r c u i t ，a n dS Oo n ． 4 D e s i g n e dp r o g r a m sb a s e do nm i x e da p p l i c a t i o no fCl a n g u a g ea n da s s e m b l y l a n g u a g e ．I ti n c l u d e dt h ep r o g r a m sd e s i g no fI ／Op o r t ，t i m e rm o d u l e ，A D Cm o d u l e ， P W Mm o d u l e ，i n t e r r u p tm o d u l e ，r e t u r nl i q u i dP Hv a l u et e s ta n dc o n t r o l ，e m u l s i o n t a n kl i q u i dl e v e ld e t e c t i o na n dc o n t r o l ，e m u l s i f i e do i lt a n ko i ll e v e ld e t e c t i o na n d c o n t r o l ，c o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o na n dc o n t r o l ，L C Dd r i v ea n dd i s p l a yp r o g r a m m i n g ， d i g i t a lP I Dc o n t r o la n dP Cs o f t w a r ed e s i g nt oa c h i e v e ，a n dS Oo n ．A n dd e b u g g e dt h e s y s t e mo fs o f t w a r ei ns o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fC C S ． 5 E x p e r i m e n t a l l e d t h e s y s t e m ，a n a l y s i s t h ee r r o ro fP Cd i s p l a ya n dt h e p r e p a r a t i o nq u a l i t yo fE m u l s i o n ．V a l i d a t e dt h er e a s o n a b l eo ft h es y s t e md e s i g n ． K e y w o r d s E m u l s i o n ； C o n c e n t r a t i o n I n t e l l i g e n tm a t c h i n g ；D S P Ⅱ 硕士学位论文 插图索引 图2 ．1 乳化液中单个油滴示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 图2 ．2 液滴间的相互作用势能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 图2 ．3 系统原理框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 图3 ．1A M S l l l 7 应用电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 图3 ．2 电动机电源电路框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 图3 ．3P L L 片外滤波电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 图3 ．4D S P 与仿真器无信号缓冲连接⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 图3 ．5 系统电路图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 图3 ．6M A X 4 8 5 与D S P 接线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 图3 ．7 惠斯通电桥及传感器与负载等效电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 图3 ．8 信号调理电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 图3 ．9 变频器主电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 图3 ．1 0 电动机可逆运行自动往返电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 图3 ．11 液晶显示器与D S P 硬件接口接线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 图4 ．1C C S 集成开发环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 图4 ．2 主程序框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 图4 ．3 中断模式下采集传感器数据流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 图4 ．4 液晶显示流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 图4 ．5P I D 控制数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 图4 ．6 上位机操作界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 图5 ．1 控制系统正常工作界面显示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 图5 ．2 控制系统有报警信号界面显示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 图5 ．3I D C 3 516 的内部原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 图5 ．4I D C 3 5 1 6 接线原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 I I I 乳化液智能配比系统研究 表格索引 表3 ．1J T A G 仿真信号⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 表3 ．2O C M J 2 X 8 A 性能参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 表4 ．1 乳化液浓度变化与变频器频率调整对应关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 表5 ．1 不同直径的乳化油油滴占总数量的百分比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 I V 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名弦叼日期．椭∑月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名殆诙久努 刷程氰锚姆 刀函y 飞’锣 日期叫睥 日期7 , o ，D 年 日日 刁刁／ 月月 箩厂 1 ．1 课题研究的意义 第1 章绪论 煤的生产是关系国计民生的大事，是关系国家可持续发展的重要战略物质。 煤矿企业是一个复杂的系统工程，所谓复杂是指1 ．生产地质条件复杂；2 ．人员 结构复杂；3 ．影响生产及安全的不确定因素较多。液压支架是综合机械化采煤的 主要设备之一，它的工作性能对综采工作面的生产率、安全性等经济技术指标有 很大的影响。乳化液是液压支架和液压支柱的传动介质，在液压系统中起血液作 用。由于它的粘度小、防腐、防锈、润滑、难燃、价廉等特点在煤矿井下得到了 广泛的推广和应用。随着煤炭行业迅速发展，综采工作面高产高效的要求，乳化 液的需求量也随之增加。对乳化液的浓度控制是采煤工作面生产的一个质量控制 环节。乳化液浓度是否适当直接影响液压支架、液压支柱以及其它液压元件的寿 命和生产成本。煤矿安全规程规定乳化液的浓度一般在3 ％～5 ％之间。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，造成液压系统事 故多且频繁发生，现场使用情况表明，除因地质条件和操作不当造成少数液压支 架的金属构件开焊和变形外，液压支架的故障大多数出现在其液压传动系统中。 最常见的故障现象是液压元件表面磨损严重，而乳化液质量的好坏，是造成液压 元件磨损程度的主要原因之一；反之浓度过高，会使乳化油的消耗量增加，从而 导致生产成本上升。为了保护液压系统各元件和延长其使用寿命，乳化液的配制 方式也就显得非常重要。 乳化液作为液压传动或冷却润滑的工作介质，在使用中暴露出的问题的严重 性可以从以下三点中加以理解 1 ．使用乳化液普遍存在严重的泄漏和人为浪费现象。据报道，全国由于泄漏 和人为的排放每年消耗在煤矿的乳化油超过6 0 0 0 吨⋯，这些乳化油白白浪费在 采区工作面，由于乳化油成分是基础油、乳化剂、防锈剂和其它添加剂，它们以 分子的形式溶入水中，用过滤的方法很难清除它们，因此造成很大范围的污染。 2 ．使用乳化液的设备锈蚀严重，腐蚀是指金属受到周围介质的电化学作用或 化学作用发生的破坏现象，就单体液压而言，全国现有综采工作面2 6 0 多个，约 有立柱l0 万根。同时还有1 0 0 0 多个高档普采工作面，在籍单体液压支柱达3 0 0 万根。据了解，全国每年有相当数量的立柱是因腐蚀而损坏，单体液压支柱的腐 蚀损坏程度尤为严重，至9 0 年代初，全国累计报废的单体液压支柱已达5 0 万根 妇1 。这些单体液压支柱绝大部分是因缸筒和活柱腐蚀严重而报废的，这些现象发 乳化液智能配比系统研究 生与乳化液有直接的关系，乳化液本身就是一种电解质溶液。由于钢铁基材与杂 质之间产生电位差，使得电化学腐蚀不断进行。如果乳化液的配比不符合要求 即 浓度低 ，或配制乳化液的水质偏酸或偏碱，液压缸的腐蚀将更加严重。 3 ．乳化液自身的污染严重寿命短，乳化液在使用和存储时间过长时，易滋生 霉菌，腐败发臭，污染液压元件或装置∞1 。到目前为止，煤矿上对乳化液净化监 测维护手段仍然很薄弱，无法对乳化液P H 值、杂质含量进行跟踪检测，其P H 值应维持在8 ．7 ～9 ．2 之间。 乳化液泵站主要是向煤矿综合机械化采煤工作面液压支架提供动力。液压支 架的升降、推移及移动速度的保证都是依靠乳化液泵站提供的具有一定压力和流 量的乳化液来完成的。目前我国矿用乳化液泵站，都是面向综采工作面的大型泵 站，但乳化液泵站普遍采用手动或机械液压传动配比，乳化液浓度的检测手段还 比较落后且不能进行在线监测，乳化液浓度控制精度较差，劳动强度较大，严重 制约和影响了采煤工作效率的提高。为了解决这一问题，对乳化液智能配比系统 的研究就显得十分重要。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 乳化液自动配比国内外研究现状 在实际生产中所用的乳化液的配比方法主要有三种人工配比、机械配比和 自动配比。 ’ 人工配比方法H 3 不仅原始，操作麻烦，工人劳动强度大，而且配比浓度很难 控制，目前，这种方法已很少使用。 机械配比是利用乳化液配比器进行配比。这种配比器是根据文丘里管原理哺1 设计的。在水压稳定时，配置出来的乳化液浓度比较恒定，操作简单，无需其它 动力源，而且也避免了乳化油在水中扩散的延续性所造成的配比浓度的瞬时不恒 定。缺点是配比的调节和水阀的通断都是靠人工很不方便。此外，水压不稳定时， 配比浓度也很难控制。 乳化液自动配比检测系统阳 7 1 ，是由传感器来检测浓度的变化和液位的变 化，并经微电子电路处理为控制信号，再通过控制电路控制辅助泵加注乳化油或 水。就该原理本身技术较为先进。缺点一是乳化油和水在泵箱内混合，乳化液 浓度扩散时间长，加水加油时间不易控制，造成配比浓度瞬时不恒定；二是结构 复杂，成本较高。 上世纪8 0 年以后，我国引进了国外的一些泵站，但以电液控制为原理的控 制系统不易维持和掌握，弃置不用者居多随1 。对于乳化液浓度的配比，国内外泵 2 硕士学位论文 站的配液方式，已经由人工地面混合、手控配液，发展到自动配液。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。 1 9 9 0 年以后，随着计算机技术突飞猛进的发展，煤矿的计算机控制水平获 得了长足进步。随着我国煤矿高产高效综采、综放工作面的不断涌现，综采工作 面及生产工艺也在不断提高，为了进一步挖掘机电设备的内在潜力，提高生产能 力，对综采工作面设备的管理提出了更高的要求。乳化液泵站作为综采工作面设 备的重要组成部分，监测的参数包括压力、流量、液位、温度，泵站流量测量选 用特殊的涡轮流量传感器阳3 。分站对检测参数综合处理后，根据预置控制流程， 对配液过程自动控制，并对欠压力、漏液等故障现象进行报警，就显得尤为重要。 目前，国外多数新生产的乳化液箱都装有自动配液装置，但其自动化程度低，价 格昂贵，仅限于各种液控阀或者电磁阀n 0 1 2 1 ，在一定程度上还依靠手动调节， 不能保证测量精度。 2 0 0 0 年以来，煤矿乳化液自动配比系统研制引起了我国煤矿企业的高度重 视，国内的一些大学和科研机构和生产厂家也相继研制了一些乳化液配比装置。 山东科技大学苏国秀在P I D 控制的基础上，研制出一套在线检测乳化液浓度并 实现自动配比的系统。乳化液的配比部分利用通过文丘里管的高速水流在在其喉 管处产生的负压将油吸上来的工作原理进行配比；乳化液的检测是以A T 8 9 C 5 1 单片机为控制核心，自动完成配比任务。太原理工大学宋理敏利用P L C 控制技 术、结合传感器技术，从经济性、高效性的角度出发研究开发了乳化液自动配比 系统。 乳化液的浓度配比还受很多因素的影响，包括水压、温度、流量、配比装置 准确度等。现有的乳化液配比装置配制精度不高，配制效率低，受人为因素影响， 且操作人员的劳动强度较大。综上所述，国外的自动配比装置操作复杂，价格昂 贵，不适合中国的国情；国内的自动配比装置存在上述许多问题，不能满足现有 煤矿生产企业的生产要求。 1 ．2 ．2 乳化液浓度检测国内外研究现状 目前，我国煤矿企业仍采用手控配液方式或简易机械定量配液方式。对于乳 化液浓度的检测，我国绝大多数矿井采用的检测手段，主要包括糖量计法、折 光仪检验法和破乳法n 3 1 等。这些检测方法都需要人工取样与目测读数，而且都 不能在线检测乳化液浓度的变化。煤矿的生产条件十分复杂，井下环境恶劣，煤 尘较大，不易观察，造成测得结果误差较大；同时在取样与等待检测的时间内， 实际的乳化液浓度也可能发生变化，因此这种检测方法不能真实反映乳化液的实 3 乳化液智能配比系统研究 际浓度；还有工作人员责任心因人而异，故配制的乳化液精度很差。 国内外有关乳化液浓度检测方法多种多样，投入的经费也很多，但大多效果 不是很好。当前国内浓度检测方法主要有以下几种①采用衰减原理的声学法n 卜 1 5 3 、光学法、辐射法、微波法n 们等；②采用电学原理的静电法和电容法③采用 谐振原理的核磁共振法 N M E n “ 、电子磁共振法 E M R 等。 1 ．3 课题需要解决的问题 本课题主要研究开发乳化液智能配比系统。该系统不仅要实现乳化液配比的 智能化，减轻工人劳动强度，提高工作效率；而且所配乳化液的浓度要保持在 3 ％～5 ％范围内，有效提高煤矿生产中液压支架、液压支柱以及其它液压元件的 寿命，尽可能降低生产成本。该系统的实时响应要好，能完成在线监测；要有良 好的人机界面，便于现场操作；要有完备的自动报警功能；相关数据可用R S 4 8 5 通讯接口上传，实现远程控制和工作面自动化；还要满足煤矿安全规程的要 求。从根本上解决目前困挠煤矿生产的乳化液系统智能化问题。 综上，系统需要解决的问题主要有以下几个方面 1 、满足煤矿企业使用的智能乳化液系统方案设计； 2 、乳化液浓度的实时检测和有效控制的智能化； 3 、对乳化液罐和乳化油箱的液位实时检测和有效控制的智能化，避免乳化 油箱和乳化液罐的吸空或乳化液外溢； 4 、对工作面回流的乳化液的P H 值进行实时检测和有效控制的智能化，避免 变质乳化液回流到乳化液罐。 5 、建立良好的人机界面，便于现场操作。 6 、实现液晶显示和报警功能； 7 、可靠性和抗干扰性措施研究和设计。 1 ．4 课题解决可行性分析 用准确性高、可靠性强、防潮、防腐蚀的传感器实时检测浓度、液位、流量 等信息，作为系统的反馈装置；以电磁阀、计量泵等为执行机构；以有高速运算 能力、实时性强且具有较高的集成度的D S P 为系统的控制器。反馈装置把采集 到的信号送给控制器，控制器接受信号，对信号进行处理后对执行机构发出信号， 执行机构收到信号后自动调整其输出使其达到规定的要求。如此检测、比较、控 制、调节的循环，使乳化液系统达到精确化、智能化。 研究方案可制定为 4 硕士学位论文 l 、明确该系统的研究目标。了解现场情况，包括系统需要正常运行的工作 环境及与其相连的设备概况等。 2 、系统方案设计。细化系统硬件的技术参数要求，选择合适的元器件，确 定其规格型号；完成硬件方案构建工作。 3 、应用软件设计。用C 语言编写程序，实现乳化液系统的智能化。 4 、对系统软、硬件进行仿真调试。 5 、在实验室进行试验研究。 5 乳化液智能配比系统研究 2 ．1 乳化液简介 第2 章课题解决总体方案 乳化液通常是指两种互不相溶的液体 水和乳化油 ，其中一种以小液滴形 式均匀分散在另一种液体中而形成的。当乳化油分散在水中时，乳化油为内相， 水为外相，叫做水包油型乳化液反之亦然，叫做油包水型乳化液。液压支架用 乳化液属水包油型乳化液，它的含水量通常都在9 5 ％以上。乳化油是由基础油、 乳化剂、防锈剂、防腐剂、稳定剂、消泡剂等组成。其中前三者是主要成分。而 其它的添加剂则根据乳化油的成分和使用情况而定。 在乳化油按照使用要求的浓度稀释成乳化液时，同样存在一个乳化技术问 题，就是如何将油相均匀地分散于水相中。乳化过程是油水界面增加的过程，也 是表面能增加的过程，为此通常对其做一定的功，这时搅拌和温度都很重要。最 简单的乳化设备就是搅拌装置，如乳化液经过均化处理，其稳定性就提高了。实 践证明将乳化油乳化时，在乳化的初始阶段缓慢地加入软水，使其先形成油包水 型乳状液，在不断搅拌下继续加入其余水分，使其发生变形所得的乳状液颗粒均 匀细致，乳化液稳定性n 踟高，质量好。其次，也可以用少量热水或蒸汽将乳化 油充分乳化，然后再用冷水稀释，这是因为热水的表面张力小，溶解能力强，粘 度小，有利于乳化剂的分散，因而容易乳化，而冷水则相反引起乳化剂的凝聚。 不能用硬水稀释乳化油。因为硬水中通常含有碳酸氢钠、碳酸氢镁、硫酸钙、 硫酸镁等盐类，故用硬水配制乳化液时，其中盐类就与钠皂、钾皂等乳化剂起反 应，生成不溶于水的皂类，改变乳化液的性能n “ 。因此配制时硬水应加入0 ．2 ％～ O ．3 ％的碳酸钠进行软化，或者采用煮沸的方法，以防止硬水破乳，并提高乳化 液的清洗性和防锈性。 2 ．1 ．1 乳化液的性质 乳化液的性质主要有 1 乳化液的润滑性乳化油中的基础油作为各种添加剂的载体，在乳化液 中形成细小的油滴起着润滑作用。 2 乳化液的自乳化性乳化油中的乳化剂是一种表面活性剂，其分子结构 属有机化合物，具有极性“头“ 和非极性“尾”，极性“头”是亲水的，也称为 亲水基因，非极性“尾“ 是亲油的，也称为亲油基因。这种表面活性剂掺和在油 水中间时，定向排列形成吸附层，极性“头”朝水，非极性“尾“ 朝油，促使表 面张力和界面张力发生很大变化。使油和水两种互不相溶的液体能够均匀分散乳 6 硕士学位论文 化。同时乳化剂的极性“头“ 都朝水相，在油滴周围形成一层凝胶状结构的保护 薄膜，以阻止分散相的油滴彼此自由运动或碰撞时发生积聚现象，使乳化液保持 稳定。 3 乳化液的防锈性乳化油中的防锈剂其功能是防止金属部件的锈蚀，防 锈作用机理可分为成膜理论和吸附理论。成膜理论认为防锈剂极性分子同金属及 其它介质相互作用，在金属表面形成水不溶性或难溶性化合物，同时同金属 或 氧化膜 发生相互作用，生成表面化合物膜，阻止金属离子化过程，减缓腐蚀介 质透过及形成速率。吸附理论认为防锈剂极性基因吸附在金属与油的界面，而极 性烃基则向外和油互溶，形成紧密栅栏，阻止水、氧及其它腐蚀介质进入金属表 面，减弱金属离子化倾向，从而起到防锈作用。常用的防锈剂有磺酸钡、环烷酸 锌等。 2 ．1 ．2 乳化液的配制 本文涉及到的是煤矿井下液压支架、液压支柱用的水包油型乳化液配制问 题，也就是乳化油为内相 或离散相 水为外相 或连续相 的O ／W 型乳化液。乳化 油是由基础油和各种添加剂构成的，它们大多是不溶于水的。因此，如何使与水 不相混溶的基础油和添加剂稳定地分散于水中，使乳化液具有良好的润滑、防锈、 稳定和消泡等性能，便是配制液压支架乳化液的关键。 乳化油中的乳化剂是能强烈吸附在液体表面，并能显著改变液体原性能的物 质，它可以使油滴形成微小液滴均匀分散于水中，形成稳定的相体系。其乳化机 理为乳化剂在油滴与水界面形成单分子膜，阴离子乳化剂在水中电离，并以扩散 形式分布于油滴周围形成扩散双电层，如图2 ．1 所示。 o _ 非离子乳化剂 e 一阴离子乳化剂。一反高子 图2 ．1 乳化液中单个油滴示意图 从理论上分析，乳化液是多相不稳定体系，乳化油滴由于布朗运动而互相接 7 乳化液智能配比系统研究 近，两个液滴互相接近时相互作用势能中与它们之间最短距离间的关系如图2 ．2 所示。图2 ．2 中杰是排斥势能。对于离子型表面活性剂，它来源于油滴外扩散双 电层重叠时的空间阻碍作用。奴为油滴互相接近时的范氏引力势能。识 以 九， 从≯一S 曲线上可看到识有一极大值，此值称势能阻。越过势能阻，以急剧下降， 而且很快变成负数，即此时主要是吸引热能在起作用。如果布朗运动能大于分子 膜所形成势能阻，则两个液滴可接近到主要是吸引力在起作用的区域。这时，由 于范氏吸引势能的作用，两个液滴间的分子膜可能破裂而产生液滴合并，如果液 滴合并继续发生，则可能出现析油现象。 乳化液会出现析油现象。理论上，乳化液是不稳定的。乳化液的稳定性是指 动力学而言。如果势能阻大，液滴合并速度很慢，则可认为它是稳定的，目前液 压支架乳化液中常用乳化剂大多数是阴离子表面活性剂，这类表面活性剂的致命 弱点是一遇到水中的C a 2 、M 9 2 即形成不溶于水的钙皂和镁皂而从水中析出 析 皂现象 ，由于阴离子乳化剂变成钙皂和镁皂，其大部分从油一水界面上消失，因 而油一水界面膜强度下降。当图2 ．2 中势能阻下降，这时油滴互相碰撞时极易合并 而产生析油现象。为了克服这种缺点，只有增加乳化油，使与C a 2 、M 9 2 反应后 还存在一部分阴离子乳化剂，它们起保护膜作用。这就是目前配制乳化液时乳化 油用量较大的原因。即使这样，如果水中无机离子较多，这些离子又有压缩油滴 周围扩散双电层厚度而降低势能阻作用，因而油滴仍然可以在碰撞时合并析油。 所以在配制乳化液时一定要选择软水，否则放置时间稍长就会有析油现象。 ‘ { V 巧 厂＼≮～～一 Il ＼＼． { 、、、 7 f 厂弋 小 S 图2 ．2 液滴间的相互作用势能 乳化液配制质量与配比方法是有联系的。乳化液的配制质量，是指在配制用 水和乳化油达到有关要求的基础上，采用的配比方法不同，所配制成的乳化液中 乳化油在水中分散程度不同，即乳化油液滴大小不同，具有的润滑效果也不同。 乳化液配比方法在很大的程度上决定了乳化液的配制质量。有关试验证明不同的 乳化液配比方法对乳化液的配制质量影响很大。以采用人工搅拌、离心搅拌和专 硕士学位论文 用混合器三种配比方法所配乳化液的润滑稳定性进行比较。在其它条件相同情况 下，分散于水中的油滴直径越小，其上升层化的趋势也就越缓慢，油滴上升的速 度与其半径平方成正比。专用混合器、离心搅拌配制的乳化液中乳化油液滴直径 较小，所以静置时也不容易分层，有较稳定的润滑效果。而用人工搅拌方法配制 的乳化液，乳化油液滴直径较大，静置时很快层化，润滑效果更加恶化。液压支 架液压系统的待机时间率是非常高的，使用配制质量差的乳化液，将难以起到其 应有的润滑作用，加剧了液压元件的磨损。所以，采用合理的乳化液配比方法进 行乳化液配制是非常必要的。 2 ．2 系统总体设计方案及工作原理 本文主要研究乳化液智能配比系统，该系统要实现乳化液配比的智能化，减 轻工人劳动强度，提高工作效率；系统所配乳化液的浓度要保持在3 ％一- - 5 ％范围 内，满足煤矿生产需求，有效提高煤矿生产中液压支架、液压支柱以及其它液压 元件汹 2 2 1 的寿命，尽可能降低生产成本；系统的实时响应要好，能完成在线监测； 系统有良好的人机界面，便于现场操作；有完备的自动报警功能；相关数据可用 R S 4 8 5 通讯接口上传，实现远程控制和工作面自动化。 该系统是以T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 为控制核心，与多种传感器如超声波浓度传感器、液 位传感器、油位传感器、P H 值传感器及执行机构包括异步电动机、电磁阀等共同构成 闭环控制系统，再通过R S 4 8 5 通讯接口与上位机进行数据传输。上位机界面通过 L a b v i e w 设计实现，在上位机界面可以看到系统工作状态，还考虑到系统检修、故 障处理等情况，在界面设计了自动配液、手动配液两种控制模式；同时设有乳化 液低液位报警灯、乳化油低油位报警灯及乳化油超低油位声光报警，提醒操作人 员及时处理相关情况。 在该系统设计时，认为供水管道水流量是恒定的。供水与否通过电磁阀的通 断来控制。根据煤矿实际设计的乳化液箱外形尺寸4 7 8 0 “ 1 4 6 0 “ 1 1 4 0 m m ，乳化油 箱外形尺寸2 5 0 0 * 1 4 6 0 “ 1 2 6 0 m m 。 系统主要功能为 1 在线检测乳化液浓度当3 ％ 浓度 5 ％时，配液油泵正常供油；当 浓度≤3 ％时，利用变频调速器调节配液油泵，加大供油量；当浓度≥5 ％时，利 用变频调速器调节配液油泵，减少供油量。 2 液位自动检测实时检测，当15 0 m m 乳化液箱液位 8 0 0 m m 时，系 统按设定比例配液；当乳化液箱液位≥8 0 0 m m 时自动停止配液，系统返回继续 检测直到液位 3 0 0 m m 时，系统正常配液；当1 0 0 m m ≤油位≤3 0 0 m m 时，液晶显示“低油位“ ；油位 l0 0 m m 时，液晶显示“超低油 位“ 提醒工人加油。 4 数据显示液晶屏实时显示乳化液浓度、自动配液状态、液位、油位 及故障类别。 5 P H 值检测实时检测，当工作面回流的乳化液的P H 值在8 ．7 ～9 ．2 之 间时，控制电磁阀使回流液进入乳化液箱，否则，进入废液箱； 6 配液开始则搅拌器开始工作，配液停止搅拌器也停止工作。且在配液 过程中搅拌器正转3 分钟一一停1 分钟一一反转3 分钟，保障乳化液混合均匀。 7 通过R S 4 8 5 实现D S P 控制系统与上位机的通讯，以及上位机对控制系 统的工作模式的控制。 系统原理框图如图2 ．3 2 ．3 小结 图2 ．3 系统原理框图 要配制乳化液，首先要了解乳化液的组成、性质、作用，还要明白乳化液配 制的相关知识。本章在介绍了乳化液的润滑性、自乳性、防锈性三个主要性质后， 1 0 硕士学位论文 ■_ _ - 詈奠量■自墨鼍量I _ 圈i l l l I ●鼍日_ - _ ●_ _ ●_ ●_ ●●●_ 一 分析了乳化液的析油现象，得出不能用硬水配制乳化液的结论，还分析了乳化液 配制方法对乳化液质量影响很大，设计合理的乳化液配比系统很重要。在此基础 上对本课题总体设计思路、系统要实现的功能及实现方法进行了简明阐述。 乳化液智能配比系统研究 第3 章系统硬件设计 3 ．1 微处理器的选择 微处理器决定了控制系统的软件开发以及硬件连接方式等一系列的问题，它 是整个控制系统的核心部分。对于乳化液智能配比系统来说，在选择微处理器时 不但要考虑到性价比等方面的因素，还要考虑到该系统的特点，即微处理器要有 较快的数据处理能力，单指令执行时间要短，实现乳化液浓度的精确控制，要有 较高的集成度，以便系统拓展功能集中控制的实现等问题。综合以上因素，系统 选用T I 公司的D S P 芯片T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 。 3 ．1 ．1D S P D S P 托3 1 有两种解释一种是D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s o r ，指的是数字信号处理 器，