煤礦井下水處理裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計

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設(shè)備液壓傳動的工作介質(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]，多采用手動或液控方式進行制水與濾芯清洗。李大慶[8]針對井下應(yīng)用的JMSGLQ?70C型精密水過濾站，通過手動操作進水閥啟動制水，采用人工驅(qū)動刷子做旋轉(zhuǎn)運動來清洗粗過濾器，通過液壓馬達清洗精過濾器。陳港等[9]設(shè)計了一套井下凈水站液壓系統(tǒng)，采用液控方式實現(xiàn)水處理裝置的自動正向與反向清洗。以上成果無法實時監(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)，且需要維護人員定時對設(shè)備進行手動操作，檢查濾芯使用情況等，自動化程度低，操作復(fù)雜，維護工作量大。隨著采煤機械自動化技術(shù)不斷進步，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)計可充分保障系統(tǒng)核心功能穩(wěn)定運行。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→總進水電動閥→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)需實現(xiàn)設(shè)備的自動制水、自動清洗、自動供水、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、原水進水壓力監(jiān)測及保護、楔形網(wǎng)過濾器自動清洗、精密過濾器正反洗、自動加藥控制、藥箱液位監(jiān)測及報警、RO凈水裝置進出水壓力及流量監(jiān)測、RO膜自動清洗、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

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、電動閥、清洗電動機、加藥泵、電磁閥和純水泵。其中原水泵和電動閥配合使用，為水處理裝置提供穩(wěn)定的進水；清洗電動機安裝于楔形網(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?？刂葡到y(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。在總進水電動閥后端布置1個壓力傳感器，實時監(jiān)測水處理裝置的進水壓力，確保進水穩(wěn)定；在RO凈水裝置前后端各布置1個壓力傳感器，監(jiān)測該裝置的進出口壓力，保障RO膜處于正常工作狀態(tài)。2個流量傳感器分別安裝在RO凈水裝置進水口和產(chǎn)水口，實時監(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、總進水壓力等數(shù)據(jù)，控制原水進水電動閥、原水泵、加藥泵執(zhí)行動作，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)報送至主機。從控制器采集純水流量、濃水流量、RO凈水裝置進出口壓力及遠(yuǎn)程供水信號，控制純水泵和清洗電動機啟停，并控制電磁閥執(zhí)行清洗動作。

主從控制器之間通過CAN總線通信，除互傳數(shù)據(jù)外，還實時捕獲對方心跳信號，監(jiān)控對方工作狀態(tài)。當(dāng)從控制器出現(xiàn)故障時，主控制器報警，提示維護人員及時維修。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，傳感器變送器對線路進行切換，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線給從控制器，進水電動閥保持常開狀態(tài)，此時完成硬件切換。同時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，并進行報警提示維修。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

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60 MHz的LPC2294處理器，自帶8路10位ADC，轉(zhuǎn)換時間不超過2.44μs[16]。除LPC2294內(nèi)置存儲外，還采用外部存儲器容量為1 MB的FLASH芯片和512 kB的SRAM芯片，提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力?？刂破鲗嵨锱c接口分別如圖4、圖5所示。

圖4 KXH12B型控制器實物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，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集與線路切換。組合開關(guān)設(shè)計為4回路礦用隔爆兼本安型啟動器，具有3路1 140 V電動機啟動回路與1路127 V電動機啟動回路，搭載獨立可編程CPU控制單元，可采集數(shù)字量信號，并控制啟動回路動力輸出?？刂葡到y(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經(jīng)從變送器繼電器模塊傳輸至從控制器，此時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)生故障需進行線路切換時，從控制器為主變送器繼電器模塊提供12 V信號，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，此時主控制器傳感器信號依次經(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。

電動機啟動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后，原有啟動回路控制邏輯失效，將原由主控制器控制的原水泵和加藥泵啟動回路改為由從控制器控制，從而完成啟動回路切換。組合開關(guān)啟動回路控制信號切換與傳感器線路切換同時進行。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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、手動控制、自動控制、菜單操作、運行監(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)量傳感器信號采集。系統(tǒng)可實現(xiàn)自動制水、自動清洗、故障保護等自動控制功能，也可通過手動操作總進水電動閥和電動機。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)軟件實時監(jiān)測主從控制器運行狀態(tài)，監(jiān)測到系統(tǒng)異常情況時執(zhí)行程序切換或故障報警等操作。

圖7 水處理裝置智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方案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，具有手動制水與自動制水功能。制水開車順序流程：啟動原水泵→打開總進水電動閥→開啟加藥泵→打開RO濃水電動閥→清洗RO膜→關(guān)閉RO濃水電動閥→開始制水。制水停車順序流程：打開RO濃水電動閥→清洗RO膜→停止原水泵→停止加藥泵→關(guān)閉總進水電動閥→關(guān)閉RO濃水電動閥。

自動制水模式下，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，執(zhí)行制水開車程序進行制水。制水時，系統(tǒng)實時監(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，執(zhí)行停車程序，完成制水。自動制水程序流程如圖8所示。

圖8 自動制水程序流程Fig.8 Automatic water production flow

在制水過程中，系統(tǒng)實時監(jiān)測進水壓力，當(dāng)進水壓力超出水處理裝置正常工作壓力范圍時，系統(tǒng)執(zhí)行緊急停車程序，對水處理裝置進行超壓保護。當(dāng)藥箱液位低于系統(tǒng)設(shè)定的低值時，進行聲光報警，提示維護人員及時添加藥劑。系統(tǒng)可實現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測功能，實時采集產(chǎn)水電導(dǎo)率，當(dāng)其高于正常范圍時進行報警，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，除裝置手動清洗和自動清洗功能外，還包括純水和濃水流量采集、RO凈水裝置進出口壓力監(jiān)測及遠(yuǎn)程供水控制等功能。

自動清洗模式下，從控制器獲取主控制器制水狀態(tài)，并累計設(shè)備運行時間。當(dāng)主控制器開始制水時，累計運行時間達到楔形網(wǎng)過濾器設(shè)定的清洗時間，啟動自清洗泵，清洗2 min后停止。精密過濾器啟動自動清洗模式，通過反洗、正洗、過濾3個階段恢復(fù)顆粒濾料的過濾性能。當(dāng)累計運行時間達到精密過濾器設(shè)定的清洗時間，打開反洗電磁閥對精密過濾器進行反洗后，再進行正洗，正洗模式結(jié)束后進入過濾階段，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間和清洗時長均可通過人機交互界面修改。系統(tǒng)自動清洗程序流程如圖9所示。

圖9 自動清洗程序流程Fig.9 Automatic washing flow

在設(shè)備運行過程中，通過RO凈水裝置進水流量傳感器和RO產(chǎn)水流量傳感器分別對RO進水和產(chǎn)水流量進行實時監(jiān)測，并通過壓力傳感器采集RO膜進出口壓力，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%，或進出口壓差超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)報警提示更換新的RO膜濾芯。

從控制器還具有自動遠(yuǎn)程供水功能，當(dāng)控制器獲取遠(yuǎn)程供水信號后，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功能，在供水過程中，純水箱水位低于設(shè)定值時，禁止啟動純水泵，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)備進行自清洗控制外，還負(fù)責(zé)監(jiān)控主控制器運行狀態(tài)，在主控制器發(fā)生故障無法工作時，自動切換控制功能，接替主控制器的制水控制功能，實現(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

從控制器實時獲取并存儲主控制器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。主控制器發(fā)生故障時，保持控制信號輸出狀態(tài)不變，此時從控制器已無法監(jiān)聽到主控制器心跳信號，從控制器控制傳感器變送器對線路進行切換，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，并進行控制器故障報警。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，主要包括2臺KXH12B型控制器、傳感器變送器、12 V電源、筆記本電腦、信號發(fā)生器等，如圖11所示。采用信號發(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（局部）Fig.11 Partial system test platform

5.1.1 自動控制功能測試

使用測試平臺分別測試系統(tǒng)主控制器自動制水功能和從控制器自動清洗功能。自動制水功能測試：開啟自動制水模式，通過信號發(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，啟動制水開車程序；將水位傳感器輸入值調(diào)整于設(shè)定的水位高值時，啟動制水停車程序。自動清洗功能測試：設(shè)定楔形網(wǎng)過濾器與精密過濾器的清洗間隔時間與清洗時長，當(dāng)楔形網(wǎng)過濾器與精密過濾器達到清洗間隔時間后，執(zhí)行清洗操作，清洗時間為設(shè)定的清洗時長。

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

5.1.2 主從控制器熱切換測試

在測試平臺運行過程中，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)橹骺刂破鹘缑妫鐖D12（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，功能運行穩(wěn)定。通過程序記錄主從控制器切換時間，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化控制水平，實現(xiàn)了該設(shè)備的無人值守，減少了水處理裝置維護工作量，提升了水處理裝置的產(chǎn)水效率。目前系統(tǒng)運行穩(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)計了雙控制器熱冗余方案，采用2臺控制器分別負(fù)責(zé)水處理裝置制水和自動清洗功能。

（2）基于雙控制器熱冗余方案設(shè)計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，可實現(xiàn)自動制水、自動清洗、數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。

（3）搭建測試平臺完成了系統(tǒng)自動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，驗證了系統(tǒng)可實現(xiàn)既定功能，且運行穩(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、維護工作量大等問題，滿足煤礦井下水處理裝置的控制需求。