煤礦井下水處理裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙康康，劉波

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

0 引言

乳化液是綜采工作面煤機(jī)設(shè)備液壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)，而水是乳化液配制中最主要的成分（體積分?jǐn)?shù)≥95%）[1-3]，水的純凈度對于液壓系統(tǒng)核心單元的穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命有關(guān)鍵影響[4-5]。目前大多數(shù)礦井使用基于反滲透（Reverse Osmosis，RO）技術(shù)的成套水處理裝置[6-7]，多采用手動(dòng)或液控方式進(jìn)行制水與濾芯清洗。李大慶[8]針對井下應(yīng)用的JMSGLQ?70C型精密水過濾站，通過手動(dòng)操作進(jìn)水閥啟動(dòng)制水，采用人工驅(qū)動(dòng)刷子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來清洗粗過濾器，通過液壓馬達(dá)清洗精過濾器。陳港等[9]設(shè)計(jì)了一套井下凈水站液壓系統(tǒng)，采用液控方式實(shí)現(xiàn)水處理裝置的自動(dòng)正向與反向清洗。以上成果無法實(shí)時(shí)監(jiān)測產(chǎn)水水質(zhì)、產(chǎn)水量、水回收率、設(shè)備工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，且需要維護(hù)人員定時(shí)對設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作，檢查濾芯使用情況等，自動(dòng)化程度低，操作復(fù)雜，維護(hù)工作量大。隨著采煤機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)不斷進(jìn)步，煤礦綜采設(shè)備向智能化方向發(fā)展[10-12]，傳統(tǒng)井下水處理裝置控制方式已無法滿足智能化、無人化采煤的發(fā)展需求。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種煤礦井下水處理裝置智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以2臺(tái)基于ARM7的KXH12B礦用本安型控制器為控制核心，主從控制器的設(shè)計(jì)可充分保障系統(tǒng)核心功能穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)具有較高的處理能力和可靠性，可提高水處理裝置的智能化水平，實(shí)現(xiàn)井下制水設(shè)備的無人化值守。

1 系統(tǒng)控制功能需求分析

水處理裝置主要由原水供水裝置、水過濾系統(tǒng)、純水存儲(chǔ)裝置和純水供水裝置組成[13]。水過濾系統(tǒng)包括楔形網(wǎng)過濾器、精密過濾器、保安過濾器等三級(jí)預(yù)處理裝置及加藥裝置、RO凈水裝置[14]。工藝流程為原水泵→減壓閥→總進(jìn)水電動(dòng)閥→楔形網(wǎng)過濾器→精密過濾器→加藥裝置→保安過濾器→RO凈水裝置→純水箱→純水泵→乳化液配比系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 井下水處理裝置工藝流程Fig.1 Technological process of underground water treatment device

水處理裝置智能控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)制水、自動(dòng)清洗、自動(dòng)供水、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)上傳等功能。根據(jù)水處理裝置工藝流程，對以上功能進(jìn)行分解，分析需求可知，控制系統(tǒng)應(yīng)具有原水泵供水控制、原水箱液位監(jiān)測及保護(hù)、原水進(jìn)水壓力監(jiān)測及保護(hù)、楔形網(wǎng)過濾器自動(dòng)清洗、精密過濾器正反洗、自動(dòng)加藥控制、藥箱液位監(jiān)測及報(bào)警、RO凈水裝置進(jìn)出水壓力及流量監(jiān)測、RO膜自動(dòng)清洗、產(chǎn)水水質(zhì)監(jiān)測、純水箱液位監(jiān)測、純水箱液位與制水聯(lián)動(dòng)控制、純水泵供水控制、數(shù)據(jù)上傳等功能，如圖2所示。

圖2 水處理裝置智能控制系統(tǒng)功能需求架構(gòu)Fig.2 Structure of intelligent control system function requirement for water treatment device

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)水處理裝置控制功能需求，控制系統(tǒng)執(zhí)行元件包括原水泵、電動(dòng)閥、清洗電動(dòng)機(jī)、加藥泵、電磁閥和純水泵。其中原水泵和電動(dòng)閥配合使用，為水處理裝置提供穩(wěn)定的進(jìn)水；清洗電動(dòng)機(jī)安裝于楔形網(wǎng)過濾器頂部，用于清洗該過濾器；加藥泵將藥箱中的藥劑加入保安過濾器前端；電磁閥控制精密過濾器和RO凈水裝置自動(dòng)產(chǎn)水與清洗；純水泵將純水箱內(nèi)的水供給乳化液配比系統(tǒng)使用。控制系統(tǒng)的傳感器包括壓力傳感器、流量傳感器、電導(dǎo)率儀和液位傳感器。在總進(jìn)水電動(dòng)閥后端布置1個(gè)壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測水處理裝置的進(jìn)水壓力，確保進(jìn)水穩(wěn)定；在RO凈水裝置前后端各布置1個(gè)壓力傳感器，監(jiān)測該裝置的進(jìn)出口壓力，保障RO膜處于正常工作狀態(tài)。2個(gè)流量傳感器分別安裝在RO凈水裝置進(jìn)水口和產(chǎn)水口，實(shí)時(shí)監(jiān)測水處理裝置的產(chǎn)水率。電導(dǎo)率儀安裝在RO凈水裝置產(chǎn)水口，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水水質(zhì)在線監(jiān)測。液位傳感器安裝在原水箱、藥箱、純水箱處。

根據(jù)系統(tǒng)控制功能需求，設(shè)計(jì)了雙控制器熱冗余方案，主控制器負(fù)責(zé)水處理裝置制水功能，從控制器負(fù)責(zé)水處理裝置自動(dòng)清洗和部分傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測等輔助功能。系統(tǒng)總體方案如圖3所示。

圖3 水處理裝置智能控制系統(tǒng)總體方案Fig.3 The total scheme of intelligent control system of water treatment device

主控制器采集原水箱液位、藥箱液位、純水箱液位、產(chǎn)水電導(dǎo)率、總進(jìn)水壓力等數(shù)據(jù)，控制原水進(jìn)水電動(dòng)閥、原水泵、加藥泵執(zhí)行動(dòng)作，通過CAN總線獲取從控制器狀態(tài)數(shù)據(jù)，并匯總數(shù)據(jù)報(bào)送至主機(jī)。從控制器采集純水流量、濃水流量、RO凈水裝置進(jìn)出口壓力及遠(yuǎn)程供水信號(hào)，控制純水泵和清洗電動(dòng)機(jī)啟停，并控制電磁閥執(zhí)行清洗動(dòng)作。

主從控制器之間通過CAN總線通信，除互傳數(shù)據(jù)外，還實(shí)時(shí)捕獲對方心跳信號(hào)，監(jiān)控對方工作狀態(tài)。當(dāng)從控制器出現(xiàn)故障時(shí)，主控制器報(bào)警，提示維護(hù)人員及時(shí)維修。從控制器作為主控制器的備份，當(dāng)主控制器發(fā)生故障時(shí)，傳感器變送器對線路進(jìn)行切換，從控制器切斷現(xiàn)有傳感器，接入主控制器傳感器線路，并發(fā)送指令至組合開關(guān)，切換原水泵和加藥泵控制信號(hào)線給從控制器，進(jìn)水電動(dòng)閥保持常開狀態(tài)，此時(shí)完成硬件切換。同時(shí)從控制器切換為主控制器程序，接管主控制器制水功能，保障設(shè)備產(chǎn)水及工作面用水。完成軟硬件切換后，系統(tǒng)維持正常產(chǎn)水功能，并進(jìn)行報(bào)警提示維修。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

壓力傳感器、流量傳感器和電導(dǎo)率儀輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)，液位傳感器輸出信號(hào)為0～5 V電壓信號(hào)；清洗電磁閥使用12 V有源輸出直接驅(qū)動(dòng)；電動(dòng)閥和清洗電動(dòng)機(jī)采用127 V供電，控制方式為無源干接點(diǎn)控制；原水泵、加藥泵和純水泵供電電壓為1 140 V，使用多回路啟動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用無源干接點(diǎn)控制方式。

綜合以上接口選型及數(shù)量，主從控制器均選用以ARM7為內(nèi)核芯片的KXH12B礦用本安型控制器[15]。該控制器采用CPU工作頻率高達(dá)60 MHz的LPC2294處理器，自帶8路10位ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過2.44μs[16]。除LPC2294內(nèi)置存儲(chǔ)外，還采用外部存儲(chǔ)器容量為1 MB的FLASH芯片和512 kB的SRAM芯片，提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力?？刂破鲗?shí)物與接口分別如圖4、圖5所示。

圖4 KXH12B型控制器實(shí)物Fig.4 Material object of KXH12B controller

圖5 KXH12B型控制器背部接口Fig.5 Back interfaces of KXH12B controller

控制器采用12 V本安電源供電，其傳感器采集接口線路經(jīng)傳感器變送器連接傳感器，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集與線路切換。組合開關(guān)設(shè)計(jì)為4回路礦用隔爆兼本安型啟動(dòng)器，具有3路1 140 V電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)回路與1路127 V電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)回路，搭載獨(dú)立可編程CPU控制單元，可采集數(shù)字量信號(hào)，并控制啟動(dòng)回路動(dòng)力輸出。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 水處理裝置智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.6 Hardwarestructure of intelligent control system of water treatment device

傳感器連接變送器，由變送器內(nèi)的繼電器模塊轉(zhuǎn)接至控制器。正常工作狀態(tài)下，主控制器傳感器信號(hào)經(jīng)主變送器繼電器模塊傳輸至主控制器，從控制器傳感器信號(hào)經(jīng)從變送器繼電器模塊傳輸至從控制器，此時(shí)主從變送器繼電器模塊之間為斷開狀態(tài)；當(dāng)主控制器發(fā)生故障需進(jìn)行線路切換時(shí)，從控制器為主變送器繼電器模塊提供12 V信號(hào)，從變送器斷開從控制器傳感器線路，主變送器繼電器模塊切換線路至從變送器，此時(shí)主控制器傳感器信號(hào)依次經(jīng)主從變送器繼電器模塊傳輸至從控制器，主變送器繼電器模塊與主控制器之間、從控制器傳感器與從變送器繼電器模塊之間斷開，完成傳感器線路切換。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)回路控制線路切換主要由組合開關(guān)中的CPU控制單元完成。當(dāng)CPU控制單元接收到從控制器的切換信號(hào)后，原有啟動(dòng)回路控制邏輯失效，將原由主控制器控制的原水泵和加藥泵啟動(dòng)回路改為由從控制器控制，從而完成啟動(dòng)回路切換。組合開關(guān)啟動(dòng)回路控制信號(hào)切換與傳感器線路切換同時(shí)進(jìn)行。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主從控制器采用同一套軟件，通過參數(shù)設(shè)定主從控制器功能。系統(tǒng)控制軟件包括通信、傳感器采集、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、菜單操作、運(yùn)行監(jiān)測等功能模塊，如圖7所示。通信模塊支持RS485接口Modbus?RTU協(xié)議和CAN協(xié)議。傳感器采集模塊支持電壓型、電流型、開關(guān)量傳感器信號(hào)采集。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制水、自動(dòng)清洗、故障保護(hù)等自動(dòng)控制功能，也可通過手動(dòng)操作總進(jìn)水電動(dòng)閥和電動(dòng)機(jī)。通過菜單顯示屏和鍵盤可修改系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)定控制器程序。系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測主從控制器運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測到系統(tǒng)異常情況時(shí)執(zhí)行程序切換或故障報(bào)警等操作。

圖7 水處理裝置智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案Fig.7 Softwaredesign scheme of intelligent control system of water treatment device

4.1 主控制器程序

主控制器主要功能為水處理裝置的制水控制，具有手動(dòng)制水與自動(dòng)制水功能。制水開車順序流程：啟動(dòng)原水泵→打開總進(jìn)水電動(dòng)閥→開啟加藥泵→打開RO濃水電動(dòng)閥→清洗RO膜→關(guān)閉RO濃水電動(dòng)閥→開始制水。制水停車順序流程：打開RO濃水電動(dòng)閥→清洗RO膜→停止原水泵→停止加藥泵→關(guān)閉總進(jìn)水電動(dòng)閥→關(guān)閉RO濃水電動(dòng)閥。

自動(dòng)制水模式下，系統(tǒng)采集純水箱水位，當(dāng)純水箱水位低于系統(tǒng)設(shè)定的水位低值時(shí)，執(zhí)行制水開車程序進(jìn)行制水。制水時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測純水箱水位，當(dāng)水位高于系統(tǒng)設(shè)定的水位高值時(shí)，執(zhí)行停車程序，完成制水。自動(dòng)制水程序流程如圖8所示。

圖8 自動(dòng)制水程序流程Fig.8 Automatic water production flow

在制水過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)水壓力，當(dāng)進(jìn)水壓力超出水處理裝置正常工作壓力范圍時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行緊急停車程序，對水處理裝置進(jìn)行超壓保護(hù)。當(dāng)藥箱液位低于系統(tǒng)設(shè)定的低值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，提示維護(hù)人員及時(shí)添加藥劑。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測功能，實(shí)時(shí)采集產(chǎn)水電導(dǎo)率，當(dāng)其高于正常范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警，提示更換新的RO膜濾芯。

4.2 從控制器程序

從控制器主要功能為水處理裝置的自清洗控制，除裝置手動(dòng)清洗和自動(dòng)清洗功能外，還包括純水和濃水流量采集、RO凈水裝置進(jìn)出口壓力監(jiān)測及遠(yuǎn)程供水控制等功能。

自動(dòng)清洗模式下，從控制器獲取主控制器制水狀態(tài)，并累計(jì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)主控制器開始制水時(shí)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到楔形網(wǎng)過濾器設(shè)定的清洗時(shí)間，啟動(dòng)自清洗泵，清洗2 min后停止。精密過濾器啟動(dòng)自動(dòng)清洗模式，通過反洗、正洗、過濾3個(gè)階段恢復(fù)顆粒濾料的過濾性能。當(dāng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到精密過濾器設(shè)定的清洗時(shí)間，打開反洗電磁閥對精密過濾器進(jìn)行反洗后，再進(jìn)行正洗，正洗模式結(jié)束后進(jìn)入過濾階段，恢復(fù)工作狀態(tài)。楔形網(wǎng)過濾器與精密過濾器的清洗時(shí)間和清洗時(shí)長均可通過人機(jī)交互界面修改。系統(tǒng)自動(dòng)清洗程序流程如圖9所示。

圖9 自動(dòng)清洗程序流程Fig.9 Automatic washing flow

在設(shè)備運(yùn)行過程中，通過RO凈水裝置進(jìn)水流量傳感器和RO產(chǎn)水流量傳感器分別對RO進(jìn)水和產(chǎn)水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過壓力傳感器采集RO膜進(jìn)出口壓力，將流量及壓力數(shù)據(jù)顯示在控制器屏幕上。如果產(chǎn)水流量低于設(shè)備額定流量的60%，或進(jìn)出口壓差超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)報(bào)警提示更換新的RO膜濾芯。

從控制器還具有自動(dòng)遠(yuǎn)程供水功能，當(dāng)控制器獲取遠(yuǎn)程供水信號(hào)后，開啟供水泵，為工作面乳化液配比提供純水。系統(tǒng)具有低水位停泵保護(hù)功能，在供水過程中，純水箱水位低于設(shè)定值時(shí)，禁止啟動(dòng)純水泵，防止純水泵空轉(zhuǎn)燒毀。

4.3 主從控制器熱切換程序

從控制器除對設(shè)備進(jìn)行自清洗控制外，還負(fù)責(zé)監(jiān)控主控制器運(yùn)行狀態(tài)，在主控制器發(fā)生故障無法工作時(shí)，自動(dòng)切換控制功能，接替主控制器的制水控制功能，實(shí)現(xiàn)主從控制器帶電熱切換，保障水處理裝置制水工作連續(xù)而不被間斷。熱切換程序運(yùn)行于從控制器中，流程如圖10所示。

圖10 主從控制器熱切換程序流程Fig.10 Hot-switching flow between main controller and the slave one

從控制器實(shí)時(shí)獲取并存儲(chǔ)主控制器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。主控制器發(fā)生故障時(shí)，保持控制信號(hào)輸出狀態(tài)不變，此時(shí)從控制器已無法監(jiān)聽到主控制器心跳信號(hào)，從控制器控制傳感器變送器對線路進(jìn)行切換，斷開自身傳感器，采集主控制器相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)，在確保傳感器接入正常后，從控制器自清洗功能急停，進(jìn)行控制線路切換，讀取主控制器故障前保存的狀態(tài)數(shù)據(jù)，開始執(zhí)行主控制器程序，并進(jìn)行控制器故障報(bào)警。熱切換功能有效保障了設(shè)備正常產(chǎn)水功能及工作面用水。

5 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)測試

搭建系統(tǒng)測試平臺(tái)，主要包括2臺(tái)KXH12B型控制器、傳感器變送器、12 V電源、筆記本電腦、信號(hào)發(fā)生器等，如圖11所示。采用信號(hào)發(fā)生器模擬電導(dǎo)率儀及流量、壓力、液位等傳感器，通過調(diào)整傳感器的輸入值來測試系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能，并模擬主控制器故障，測試主從控制器熱切換功能。

圖11 系統(tǒng)測試平臺(tái)（局部）Fig.11 Partial system test platform

5.1.1 自動(dòng)控制功能測試

使用測試平臺(tái)分別測試系統(tǒng)主控制器自動(dòng)制水功能和從控制器自動(dòng)清洗功能。自動(dòng)制水功能測試：開啟自動(dòng)制水模式，通過信號(hào)發(fā)生器模擬純水箱水位，將水位傳感器輸入值調(diào)整于設(shè)定的水位低值時(shí)，啟動(dòng)制水開車程序；將水位傳感器輸入值調(diào)整于設(shè)定的水位高值時(shí)，啟動(dòng)制水停車程序。自動(dòng)清洗功能測試：設(shè)定楔形網(wǎng)過濾器與精密過濾器的清洗間隔時(shí)間與清洗時(shí)長，當(dāng)楔形網(wǎng)過濾器與精密過濾器達(dá)到清洗間隔時(shí)間后，執(zhí)行清洗操作，清洗時(shí)間為設(shè)定的清洗時(shí)長。

主控制器的自動(dòng)制水功能優(yōu)先級(jí)高于從控制器的自動(dòng)清洗功能。測試1：主控制器自動(dòng)制水過程中，從控制器到達(dá)清洗間隔時(shí)間，清洗工作不會(huì)立刻執(zhí)行，而是當(dāng)主控制器完成制水后，再開始執(zhí)行清洗動(dòng)作。測試2：從控制器執(zhí)行清洗動(dòng)作過程中，主控制器滿足制水條件，此時(shí)從控制器的清洗動(dòng)作緊急停止，主控制器開始制水，當(dāng)制水完成后，從控制器繼續(xù)執(zhí)行并完成清洗動(dòng)作。經(jīng)測試，以上功能均穩(wěn)定運(yùn)行。

5.1.2 主從控制器熱切換測試

在測試平臺(tái)運(yùn)行過程中，切斷主從控制器之間的通信線，以模擬主控制器故障無心跳信號(hào)工況，觀察從控制器顯示界面，如圖12（a）所示。切斷通信線后，從控制器顯示界面立即變?yōu)橹骺刂破鹘缑?，如圖12（b）所示，并執(zhí)行主控制器功能。

圖12 主從控制器熱切換測試Fig.12 Hot-switching test between main controller and theslaveone

經(jīng)測試，在模擬故障條件下，從控制器成功完成功能熱切換，切換主控制器顯示界面后，傳感器數(shù)值顯示正常，功能運(yùn)行穩(wěn)定。通過程序記錄主從控制器切換時(shí)間，小于500 ms。

5.2 工程應(yīng)用

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于山東新巨龍能源有限責(zé)任公司（以下稱新巨龍煤礦）井下水處理裝置，如圖13所示，極大地提高了井下水處理裝置的自動(dòng)化控制水平，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備的無人值守，減少了水處理裝置維護(hù)工作量，提升了水處理裝置的產(chǎn)水效率。目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖13 新巨龍煤礦井下水處理裝置智能控制系統(tǒng)Fig.13 Intelligent control system of water treatment device in Xinjulong Coal Mine

6 結(jié)論

（1）通過分析煤礦井下水處理裝置智能控制需求，設(shè)計(jì)了雙控制器熱冗余方案，采用2臺(tái)控制器分別負(fù)責(zé)水處理裝置制水和自動(dòng)清洗功能。

（2）基于雙控制器熱冗余方案設(shè)計(jì)了煤礦井下水處理裝置智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主從控制器均選用KXH12B礦用本安型控制器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制水、自動(dòng)清洗、數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。

（3）搭建測試平臺(tái)完成了系統(tǒng)自動(dòng)控制和主從控制器熱切換測試，并將系統(tǒng)應(yīng)用于新巨龍煤礦井下水處理裝置，驗(yàn)證了系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)既定功能，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，解決了煤礦綜采工作面乳化液配比用水水處理裝置智能化程度低、需人員值守、維護(hù)工作量大等問題，滿足煤礦井下水處理裝置的控制需求。