大流量乳化液壓泵在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

劉戰(zhàn)英

（神華神東煤炭集團維修中心，陜西 榆林 719315）

煤炭是不可再生資源，從資源節(jié)約和開采效率上考慮，煤炭企業(yè)的開采技術(shù)已全面向綜合機械化采煤方式發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進步促使煤礦綜采設(shè)備自動化、智能化的快速發(fā)展，在煤礦企業(yè)實現(xiàn)高產(chǎn)高效，降低煤礦工人勞動強度的同時，改善了礦工的工作環(huán)境，提高了礦工作業(yè)時的安全系數(shù)。綜采液壓支架是實現(xiàn)工作面自動推進和安全防護的主要設(shè)備，其工作動力來源于乳化液泵站系統(tǒng)。乳化液泵站系統(tǒng)是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備之一，其除了要為綜采工作面的液壓支架、液壓馬達、推移千斤頂及單體液壓支柱等設(shè)備提供一定壓力的液體之外，還要為綜采工作面的其他設(shè)備的冷卻系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)提供一定流量的壓力液。其工作的穩(wěn)定性和可靠性是綜采支護設(shè)備運行的根本保證[1]。

目前，煤炭企業(yè)綜采工作面使用的大流量液壓泵站，其自身的技術(shù)特征具有顯著的智能電器的特點[2]，可實現(xiàn)智能化運行。其自身保護系統(tǒng)能實現(xiàn)對曲軸箱的油溫、油壓、油位、水箱液位、水溫、系統(tǒng)壓力等參數(shù)及各傳感器狀態(tài)進行監(jiān)測，并根據(jù)參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)自動加載卸載，以及泵的起停控制。在一套液壓泵站在進行大修后，要對液壓泵進行整機測試，以確認系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性，通過對關(guān)鍵部位的溫度、噪聲監(jiān)測，分析機械方面的工作狀態(tài)[3]。為了實現(xiàn)對液壓泵站運行數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測，本公司自主研發(fā)了大流量乳化液壓泵在線監(jiān)測系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)采用電子信息技術(shù)[4]，可完成對液壓泵運行時的數(shù)據(jù)采集、電控檢測、流量控制及起?？刂?，測試過程中可實現(xiàn)狀態(tài)顯示、實時曲線繪制、歷史曲線繪制、報警、數(shù)據(jù)打印存儲等功能，實現(xiàn)在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)現(xiàn)智能化設(shè)備在運行過程中的隱性故障的發(fā)現(xiàn)[5]。

該測試裝置以組態(tài)靈活、通信速度快、工作可靠性高的組態(tài)王為軟件平臺[6-9]，以研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊為核心硬件設(shè)備，進行數(shù)據(jù)采集和控制輸出。該系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和信號接口電路設(shè)計三部分。

1 系統(tǒng)控制要求及整體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

嚴格按照《中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT/T 188.2—2000煤礦用乳化液泵站 乳化液泵》規(guī)定的測試項目、程序和要求進行系統(tǒng)方案設(shè)計和實際測試。測試裝置運行安全可靠，特別是在測試系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障時能夠安全停機，保證人身及產(chǎn)品安全；測試裝置具有操作簡單方便，具有實用性與先進性、自動化與人機交互的有機結(jié)合。能夠在測試過程中自動采集數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、顯示打印數(shù)據(jù)，并對測試數(shù)據(jù)進行有效地管理。

1.2 系統(tǒng)測試內(nèi)容要求

依據(jù)《煤炭行業(yè)標準MT/T 188.2—2000煤礦用乳化液泵站乳化液泵》規(guī)定的測量并記錄的參數(shù)有：潤滑油溫、潤滑油壓、潤滑油位、系統(tǒng)壓力、液壓泵流量、關(guān)鍵點運行溫度、關(guān)鍵點運行噪聲、綜合

噪聲。對水箱液位與加卸載狀態(tài)監(jiān)測，控制液壓泵的起停及流量調(diào)整等功能。

1.3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)要求以電磁比例閥為控制對象，以溫度傳感器、壓力傳感器噪聲傳感器及流量傳感器為反饋元件，實現(xiàn)乳化液泵運行時的數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析及控制。并具有對乳化液泵電控系統(tǒng)保護元件的檢測作用。

1.4 整體方案設(shè)計

結(jié)合圖1對大流量乳化液泵測試裝置的整體方案進行設(shè)計，采用雙絞屏蔽線從乳化液泵電控系統(tǒng)取出所需監(jiān)測信號，與其他的外圍監(jiān)測信號一起經(jīng)光電耦合器送入數(shù)據(jù)采集塊轉(zhuǎn)化后，由USB總線送入計算機分析處理、完成曲線圖的繪制及數(shù)據(jù)的存儲和打印。

整個測試裝置由工業(yè)計算機、數(shù)據(jù)采集卡、信號傳輸隔離模塊、傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測線、執(zhí)行器件5部分組成。傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測線將測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)由信號傳輸隔離模塊送到采集卡處理轉(zhuǎn)換輸入計算機。采集卡與計算機通信采用USB總線結(jié)構(gòu)，USB（universal serial bus）總線是一種新的 PC機互連協(xié)議，具有總線供電、低成本、即插即用、熱拔插、方便快捷等特點。本系統(tǒng)選用了基于USB總線技術(shù)的研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有8路數(shù)字量I/O端口；16路模擬量輸入端口；2路模擬量輸出端口；2個定時/計數(shù)端口。

圖1 大流量乳化液泵測試裝置系統(tǒng)圖

2 軟件設(shè)計

由組態(tài)王6.55編程制作。

基本配置對研華USB-4711A板卡進行安裝后，在數(shù)據(jù)詞典中對系統(tǒng)壓力、潤滑油位、油溫、油壓、水位、水溫、流量、泵起?？刂啤⒈眉虞d控制、運行返回、噪聲及曲軸箱溫度等變量的基本屬性、報警、記錄和安全區(qū)進行定義。

監(jiān)控畫面設(shè)計包括“液壓泵測試監(jiān)控畫面”“報警畫面”“歷史趨勢曲線畫面”“數(shù)據(jù)存儲打印畫面”，其中“液壓泵測試監(jiān)控畫面”由“液壓泵監(jiān)控畫面”、“實時曲線畫面”“控制畫面”組成（如圖2所示）。

圖2 液壓泵測試監(jiān)控畫面

液壓泵監(jiān)控畫面展示了液壓泵站實際運行狀態(tài)，畫面中各圖素的動畫由采集卡獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)控制，下面以曲軸箱&泵頭及潤滑系統(tǒng)的動畫運行為例，說明各圖素的動畫設(shè)置條件。

曲軸箱&泵頭初始畫面動畫條件設(shè)置如下：

勾選“隱含”→條件表達式“\本站點泵運行返回”；表達式為真時“顯示”。

當潤滑油壓大于3.5bar時，吸液管和潤滑油冷卻器運行藍色流體動畫，潤滑管路運行黃色流體動畫，動畫條件設(shè)置如下：

勾選“隱含”→條件表達式“\本站點卡瑪特油壓”；表達式為真時“隱含”。

勾選“流動”→流動條件“\本站點卡瑪特油壓+10”。

電磁加載閥、主液壓管路、卸載管路、水箱液位等圖素的動畫設(shè)置條件也都是依據(jù)液壓泵站的實際運行要求進行條件設(shè)置。

“實時曲線畫面”實時顯示并繪制出高壓管路中液體壓力、泵潤滑油壓、油溫、綜合噪聲及液壓泵各關(guān)鍵點溫度實時曲線圖，用于測試人員的分析比較。

以上數(shù)據(jù)的文本，在其動畫連接中均設(shè)置為模擬值輸出，下面以系統(tǒng)壓力和綜合噪聲為例說明命令編寫條件。

系統(tǒng)壓力文本設(shè)置：

勾選“模擬值輸出”→表達式“\本站點系統(tǒng)壓力 MPa”。

綜合噪聲文本設(shè)置：

勾選“模擬值輸出”→表達式“\本站點噪聲dB”。

命令語言→應(yīng)用程序命令→運行時輸入如下語句：

\本站點噪聲 dB=Average(\本站點環(huán)境噪聲\本站點電機噪聲\本站點泵頭噪聲\本站點對輪噪聲)。

“控制畫面”實時顯示高壓液體的出口流量和水位、油位的狀態(tài)，水位、油位低于設(shè)定值時，報警條由綠色變成紅色閃爍，并顯示“水箱液位極低”“潤滑油位極低”等信息。

“泵起動”“流量調(diào)整”兩個按鈕，可實現(xiàn)泵的起停和電磁比例閥的調(diào)整。進入其他頁面和退出系統(tǒng)需選擇相對應(yīng)的用戶，輸入密碼后方可進行其他操作。

圖 3“歷史趨勢曲線畫面”中可以查詢、打印各監(jiān)測變量的歷史數(shù)據(jù)，在曲線配置屬性頁中可以進行變量及其曲線顯示、坐標系、打印、報警和游標等參數(shù)的設(shè)置。

“數(shù)據(jù)存儲打印畫面”可實現(xiàn)所有測試數(shù)據(jù)的存儲和打印功能，非常方便對測試過的高壓液壓泵的數(shù)據(jù)跟蹤。

各操作按鈕的命令語言如下。測試數(shù)據(jù)：

ReportSetHistData2(6,2);數(shù)據(jù)保存：

string filename;

filename=infoAppDir()+"數(shù)據(jù)文件夾"+

StrFromReal(\本站點$年, 0, "f" )+

StrFromReal(\本站點$月, 0, "f" )+

StrFromReal(\本站點$日, 0, "f" )+

StrFromReal(\本站點$時, 0, "f" )+

StrFromReal(\本站點$分, 0, "f" )+".rtl";

ReportSaveAs("Report1",FileName);

圖3 歷史趨勢曲線畫面

數(shù)據(jù)查詢：

string filename1;

string filename2;

filename1=InfoAppDir()+"數(shù)據(jù)文件夾"+\本站點報表查詢變量：

ReportLoad("report1", filename1);

filename2=InfoAppDir()+"數(shù)據(jù)文件夾*.rtl";

listClear("ctrl1");

listLoadFilename("ctrl1", filename2);返回監(jiān)控中心：

ShowPicture("液壓泵測試監(jiān)控中心");

ShowPicture("運行狀態(tài)");

ShowPicture("操作系統(tǒng)");

3 硬件及接口電路設(shè)計

大流量乳化液壓泵站是由 4臺乳化液泵、2個乳化混液箱、3臺噴霧泵、1個水箱、2臺增壓泵及輔助設(shè)備組成。每臺設(shè)備都有其獨立的電控保護單元，各保護單元與系統(tǒng)控制單元組成了泵站電控系統(tǒng)。液壓泵保護單元由智能采樣模塊、傳感器、電磁卸載閥及繼電器箱組成，可實現(xiàn)對曲軸箱潤滑油位、潤滑油溫、潤滑油壓的監(jiān)測保護，當出現(xiàn)異常情況時，通過繼電器箱實現(xiàn)報警跳閘。同時通過485通信線接收系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定參數(shù)控制電磁卸載閥工作，以使整個液壓泵站的系統(tǒng)壓力保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

液壓泵電控系統(tǒng)各單元以地址碼區(qū)分，通過RS-485總線進行數(shù)據(jù)讀取交換，泵站運行方式和參數(shù)由系統(tǒng)控制單元設(shè)定后，通過RS-485通信線傳輸給各臺設(shè)備的保護單元。

在液壓泵電控系統(tǒng)中，傳感器為智能采樣模塊提供的系統(tǒng)壓力、潤滑油壓、潤滑油溫和水溫等信號均為0.4～2.0V的電壓信號。

而研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡16路模擬量輸入端口，識別的是0～10V或0～5V的電壓信號，如果用數(shù)據(jù)監(jiān)測線直接連接液壓泵上的各傳感器，就會造成傳感器輸出值減小，而使液壓泵不能正常工作。

為保證監(jiān)測的準確性及發(fā)揮監(jiān)測裝置的直接在線檢測功能，在研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊和液壓泵模擬量傳感器輸入電路之間，增設(shè)光電隔離接口電路，實現(xiàn)檢測量無誤差讀取，并使監(jiān)測裝置工作時，不會干擾液壓泵監(jiān)測數(shù)據(jù)而影響其正常運行，監(jiān)測系統(tǒng)電路原理如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)接線圖

光電隔離接口電路采用了順源 ISO U4-P2-O4光電隔離器，該光電隔離器為電壓輸入/電壓輸出型，其輸入阻抗非常高，不會對液壓泵站的傳感器輸出值造成影響，其響應(yīng)靈敏、轉(zhuǎn)換精度高、抗電磁干擾特性強。接口電路采用12V電源工作，并為每路光電隔離器加裝了調(diào)節(jié)零點和增益、滿度校準的電位器，經(jīng)過實際測試，該接口電路完全消除了研華 USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊對液壓泵電控系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)了真正意義上的直接在線監(jiān)測功能。

這種直接在線檢測方式與通過數(shù)據(jù)總線從液壓泵系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)相比，具有更直觀、更可靠、更準確的檢測優(yōu)點。其對液壓泵站相關(guān)硬件的監(jiān)測，比采用注入附加激勵信號，對其偏差數(shù)據(jù)進行計算[10]的方法，具有操作簡單靈活、檢測數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確、精度高的優(yōu)點。

4 系統(tǒng)的調(diào)試及運行

根據(jù)監(jiān)測要求，連接好測試線路，開機進入監(jiān)視頁面，對液壓泵的系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測顯示，液位、油位、油溫?zé)o報警的情況下，可以通過工控機起動液壓泵，也可以由泵自身起停裝置，起動進入運行狀態(tài)，此時監(jiān)控系統(tǒng)通過雙絞線把液壓泵運行時的系統(tǒng)壓力、油壓、油溫、噪聲等信息讀入，進行存儲、計算、對比，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，監(jiān)測參數(shù)經(jīng)過標準校對，與液壓泵控制系統(tǒng)采集的參數(shù)一致。輸入用戶密碼可查看所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史紀錄曲線，并可進行存儲、打印。

5 結(jié)論

使用該監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了液壓泵運行數(shù)據(jù)的實時讀取和存儲，相比人工監(jiān)測效率高，數(shù)據(jù)狀態(tài)無遺漏，并通過歷史數(shù)據(jù)查看，實現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合分析，從而實現(xiàn)液壓泵的最優(yōu)運行方案設(shè)計，該監(jiān)測系統(tǒng)所采用的組態(tài)王6.5和研華USB-4711A數(shù)據(jù)采集模塊運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)讀取精確，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性，為液壓泵的運行、大修等方案的設(shè)計提供了有力的數(shù)據(jù)保證。

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