基于STM32的工作面回液過濾控制系統(tǒng)設(shè)計研究

胡俊立

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學院機電工程系，河南 鄭州 451191）

關(guān)鍵字：STM32；工作面；回液；控制系統(tǒng)

回液過濾系統(tǒng)用于煤礦綜采工作面主回液系統(tǒng)，主要用途是實現(xiàn)工作面主回液系統(tǒng)雜質(zhì)的隔離及過濾，保證回液主管路暢通。現(xiàn)有回液過濾站工作面乳化液回液直接進入液壓管路，導致液壓支架背壓過高，影響支架的正常運行。回液壓力值過高，易對濾芯產(chǎn)生沖擊；濾芯過濾能力弱，可靠性低。不具備反沖洗功能，導致濾芯只能人工拆卸清洗。系統(tǒng)運行需要人工干預(yù)。本文針對現(xiàn)有工作面回液過濾系統(tǒng)的缺點，設(shè)計了一套以STM32F429 為核心的回液過濾控制系統(tǒng)，在克服了原有回液過濾系統(tǒng)缺點的基礎(chǔ)上，通過采集液位、壓力和溫度數(shù)據(jù)，對整個回液系統(tǒng)設(shè)備進行協(xié)調(diào)控制，從而使整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠運行，減少泵站的維護量，降低煤礦工人的勞動強度。

1 系統(tǒng)組成

（1）緩沖液箱。緩沖液箱既是主回液緩沖存貯箱，也是其它液壓附件的機架。靠近進液口的腔為沉淀腔，沉淀主回液中較大雜質(zhì)。靠近出液口的腔為貯液腔。在箱體的前后端面板上均設(shè)有視鏡式玻璃板液位計及空濾器，前者用來顯示液位，后者既是液箱內(nèi)外相通的呼吸通道，對通過空氣起過濾作用，也是極限高液位警示口，液位過高時，箱內(nèi)油液會從前后空濾器倒流箱外，提醒管理人員采取處理措施。整個箱體底部前后左右各設(shè)有一個放液螺堵，清洗箱體時可將放液塞擰掉放盡箱內(nèi)的油液。

（2）多級離心泵站。離心泵站主要是由立式多級離心泵、對夾止回閥、法蘭式截止閥、框架及管路附件構(gòu)成。離心泵電機軸通過泵頭用聯(lián)軸器直接與泵軸聯(lián)接，拉桿螺栓將耐壓筒、過流部件固定在泵頭和進液出水段之間，泵進出水口在泵底同一直線上。泵的過流部分均采用不銹鋼材料制成。對夾止回閥作用是只允許介質(zhì)由泵向多通塊方向流動，而阻止反方向流動，防止泵及其驅(qū)動電機機反轉(zhuǎn)。法蘭式截止閥用于控制管路通斷，并具有流量調(diào)節(jié)功能，其油液流向，采用自上而下。

（3）回液過濾站。回液過濾站主要由底座、兩個雙聯(lián)球閥、四個DN20 排污球閥、四個濾筒、四個溢流閥、一個進口壓力表、二個出口法蘭組件及二個進口法蘭組件組成。雙聯(lián)球閥用來切換相連兩濾筒的進出口油道。溢流閥作用是當濾筒進口壓力超出一定值時，溢流閥開啟卸荷，防止筒內(nèi)壓力過高。

（4）電控單元。電控單元主要由礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、控制器、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電磁起動器、電控柜、采集部分構(gòu)成。

2 工作原理

回液過濾系統(tǒng)工作原理圖如圖1 所示，來自支架工作面主回液首先經(jīng)三通法蘭球閥進入本系統(tǒng)緩沖液箱內(nèi)。主回液在緩沖液箱的沉淀室內(nèi)沉淀后，經(jīng)磁性組件再到貯液室。電控單元控制離心泵的開啟和關(guān)閉，當檢測到貯液室內(nèi)乳化液液位升到一定高度時，其中一個泵開始啟動從貯液箱內(nèi)經(jīng)吸油濾抽出乳化液，如果液位仍繼續(xù)上升，到警戒高度時，另一泵也啟動，當貯液箱液位降至吸油口附近設(shè)定高度時，所有泵停止抽液。從貯液箱內(nèi)由泵抽出的乳化液首先到多通塊（或稱配液塊），再進入回液過濾站，回液過濾站共4 個過濾組件，兩用兩備，可在線維護濾網(wǎng)組件。由回液過濾站過濾出的乳化液由回液膠管導入高壓泵站乳化液箱。

圖1 回液過濾系統(tǒng)工作原理圖

3 電控單元設(shè)計

電控單元在整個系統(tǒng)中處于核心地位，擔負著整個系統(tǒng)中液位、管路壓力、乳化液溫度數(shù)據(jù)的采集以及整個回液過濾系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制工作，主要包含電控單元、傳感器、礦用本安防爆電源、組合開關(guān)、真空電磁啟動器、通訊電纜等部分組成。其工作原理圖如圖2 所示。

圖2 電控單元原理圖

（1）主控芯片。主控芯片作為控制系統(tǒng)的核心對貯液箱中的液位、溫度和壓力信號進行實時采集，進而通過控制繼電器達到對泵站電機開啟關(guān)閉的目的，從而保證貯液箱乳化液保持在特定液位。基于系統(tǒng)可靠性、控制精度和元器件成本，結(jié)合主控模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選定主控CPU 為STM32F429，該芯片采用Cortex-M4 內(nèi)核，增加單精度浮點運算單元和增強的DSP 處理功能，自帶有高達1M 字節(jié)的片上Flash、196K 字節(jié)的SRAM、以及豐富的IO 端口、更高采樣率的ADC。該主控芯片一系列的優(yōu)點保證了硬件電路板布線空間大大節(jié)省，結(jié)合STM32 官方提供的編程庫，使系統(tǒng)的可靠性、控制的精度大大提高。

（2）電流采集。本系統(tǒng)中液位數(shù)據(jù)需要從液位傳感器中采集而來，該液位傳感器采用電流型液位傳感器，該液位傳感器電流輸出范圍在0.2～1.2mA，對應(yīng)液位的值在0～1200mm。針對市場上多種多樣的電流傳感器，在分析了轉(zhuǎn)換精度、可靠性以及成本等因素之后，最終選定了Allergo 公司的ASC75x 型電流傳感器芯片，該芯片具有低功耗、高精度、電路簡單等特點，并且可使用5V 電壓供電。可靠性方面，在端子4、5 和1、2、3 之間自帶有電壓隔離電路，并且可以通過設(shè)置不同的采樣電阻拓展到不同的電流測量范圍。

（3）電壓采集。在采集出液口壓力時用到的是電壓型壓力變送器，變送器壓力范圍在0.5～4.5V，對應(yīng)壓力的范圍在0～60MPa。系統(tǒng)在工作時，需要連續(xù)不斷地對壓力數(shù)據(jù)進行檢測，并將數(shù)據(jù)傳送至STM32 F429 中。其中，ADC 使用STM32F429 自帶的12 位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一共有18 個通道，可以測量16 個外部信號和兩個內(nèi)部信號源，每個通道的ADC 可以在單次、連續(xù)、掃描或者間斷模式下進行，最快轉(zhuǎn)換時間為1us。通過調(diào)整采樣電阻的大小，使電壓符合ADC 的轉(zhuǎn)換范圍。同時，在設(shè)計采樣電路時增加濾波電路，避免因電壓紋波造成的干擾。

（4）溫度采集。對乳化液回液過濾系統(tǒng)中乳化液溫度的檢測是該系統(tǒng)的重要部分，高壓乳化液在從液壓支架回流之后溫度會有所上升，乳化液實時溫度與工作狀態(tài)有著緊密聯(lián)系。乳化液溫度在25～40℃浮動，在選擇溫度傳感器時就要符合這個范圍。考慮到控制系統(tǒng)需要測量貯液箱、回液管、進液管等多點的溫度。在分析了市面上溫度傳感器產(chǎn)品后，選擇了DALLAS 公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該產(chǎn)品具有單總線結(jié)構(gòu)，可在一根IO 口上連接多個溫度傳感器，測量范圍在-55～125℃，滿足系統(tǒng)對溫度的測量要求。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分選用MDK5.21 軟件開發(fā)平臺。主要完成的功能有：（1）實時監(jiān)測2 路液位值，4 路進、出液口壓力值，6 個位置的溫度數(shù)據(jù)。（2）手動模式下，可強制開啟、關(guān)閉兩泵，操作過程中實時顯示液位值。（3）自動模式下，當液位值有效時，液位低于停止液位（250mm）時，兩泵停；液位高于單泵液位（900mm）時，開啟優(yōu)先級較高的泵；液位高于雙泵液位（1100mm）時，開啟雙泵。（4）當兩個液位傳感器同時故障時，液位值無效，在自動模式下不能開啟或關(guān)閉泵，但可在手動模式下操作泵。（5）自動模式下，進出口壓力差大于報警壓差(9Bar)時，給用戶聲光報警。（6）液位傳感器、進出口壓力傳感器故障或未連接，界面上給予提示。（7）液位低于最低液位時，給予聲光報警提示。（8）停止液位、雙泵液位、單泵液位、最低液位、啟動優(yōu)先級、報警壓差、液位允差等參數(shù)可配置。

5 結(jié)語

本文針對煤礦工作面回液過濾系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計了一套以STM32F429 為核心的回液過濾控制系統(tǒng)，重點論述了回液過濾系統(tǒng)的機械部分、電控部分的功能，設(shè)計了液位、壓力及溫度性能監(jiān)測電路，通過下位機軟件設(shè)計，通過采集液位、壓力和溫度數(shù)據(jù)，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，提供不同的控制邏輯，從而保證工作面設(shè)備的長期可靠運行。