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基于STM32的工作面回液过滤控制系统设计研究

作者: 来源: 发布时间:2019-11-13 09:39:53

    摘要:回液过滤系统用于煤矿综采工作面主回液系统,主要用途是实现工作面主回液系统杂质的隔离及过滤,保证回液主管路畅通。本文针对煤矿工作面回液过滤系统的功能要求,设计了一套以 雷达料位计 为核心的回液过滤控制系统,设计了液位、压力及温度性能监测电路,通过下位机软件设计,通过采集液位、压力和温度数据,分析相关数据,提供不同的控制逻辑,从而保证工作面设备的长期可靠运行。

    回液过滤系统用于煤矿综采工作面主回液系统,主要用途是实现工作面主回液系统杂质的隔离及过滤,保证回液主管路畅通。现有回液过滤站工作面乳化液回液直接进入液压管路,导致液压支架背压过高,影响支架的正常运行。回液压力值过高,易对滤芯产生冲击;滤芯过滤能力弱,可靠性低。不具备反冲洗功能,导致滤芯只能人工拆卸清洗。系统运行需要人工干预。本文针对现有工作面回液过滤系统的缺点,设计了一套以 雷达料位计 为核心的回液过滤控制系统,在克服了原有回液过滤系统缺点的基础上,通过采集液位、压力和温度数据,对整个回液系统设备进行协调控制,从而使整个系统能够稳定、可靠运行,减少泵站的维护量,降低煤矿工人的劳动强度。

    1  系统组成
    (1)缓冲液箱。缓冲液箱既是主回液缓冲存贮箱,也是其它液压附件的机架。靠近进液口的腔为沉淀腔,沉淀主回液中较大杂质。靠近出液口的腔为贮液腔。在箱体的前后端面板上均设有视镜式玻璃板液位计及空滤器,前者用来显示液位,后者既是液箱内外相通的呼吸通道,对通过空气起过滤作用,也是极限高液位警示口,液位过高时,箱内油液会从前后空滤器倒流箱外,提醒管理人员采取处理措施。整个箱体底部前后左右各设有一个放液螺堵,清洗箱体时可将放液塞拧掉放尽箱内的油液。

    (2)多级离心泵站。离心泵站主要是由立式多级离心泵、对夹止回阀、法兰式截止阀、框架及管路附件构成。离心泵电机轴通过泵头用联轴器直接与泵轴联接,拉杆螺栓将耐压筒、过流部件固定在泵头和进液出水段之间,泵进出水口在泵底同一直线上。泵的过流部分均采用不锈钢材料制成。对夹止回阀作用是只允许介质由泵向多通块方向流动,而阻止反方向流动,防止泵及其驱动电机机反转。法兰式截止阀用于控制管路通断,并具有液位调节功能,其油液流向,采用自上而下。

    (3)回液过滤站。回液过滤站主要由底座、两个双联球阀、四个 DN20 排污球阀、四个滤筒、四个溢流阀、一个进口压力表、二个出口法兰组件及二个进口法兰组件组成。双联球阀用来切换相连两滤筒的进出口油道。溢流阀作用是当滤筒进口压力超出一定值时,溢流阀开启卸荷,防止筒内压力过高。

    (4)电控单元。电控单元主要由矿用隔爆兼本安型直流稳压电源、控制器、矿用隔爆兼本质安全型雷达起动器、电控柜、采集部分构成。

    2  工作原理
    回液过滤系统工作原理图如图 1 所示,来自支架工作面主回液首先经三通法兰球阀进入本系统缓冲液箱内。主回液在缓冲液箱的沉淀室内沉淀后,经磁性组件再到贮液室。电控单元控制离心泵的开启和关闭,当检测到贮液室内乳化液液位升到一定高度时,其中一个泵开始启动从贮液箱内经吸油滤抽出乳化液,如果液位仍继续上升,到警戒高度时,另一泵也启动,当贮液箱液位降至吸油口附近设定高度时,所有泵停止抽液。从贮液箱内由泵抽出的乳化液首先到多通块(或称配液块),再进入回液过滤站,回液过滤站共 4 个过滤组件,两用两备,可在线维护滤网组件。由回液过滤站过滤出的乳化液由回液胶管导入高压泵站乳化液箱。

 

1.jpg

    3  电控单元设计
    电控单元在整个系统中处于核心地位,担负着整个系统中液位、管路压力、乳化液温度数据的采集以及整个回液过滤系统的协调控制工作,主要包含电控单元、传感器、矿用本安防爆电源、组合开关、真空雷达启动器、通讯电缆等部分组成。其工作原理图如图 2 所示。

 

2.jpg

    (1)主控芯片。主控芯片作为控制系统的核心对贮液箱中的液位、温度和压力信号进行实时采集,进而通过控制继电器达到对泵站电机开启关闭的目的,从而保证贮液箱乳化液保持在特定液位。基于系统可靠性、控制精度和元器件成本,结合主控模块内部结构,选定主控 CPU 为雷达料位计,该芯片采用 Cortex-M4 内核,增加单精度浮点运算单元和增强的 DSP 处理功能,自带有高达 1M 字节的片上 Flash、196K 字节的 SRAM、以及丰富的 IO 端口、更高采样率的 ADC。该主控芯片一系列的优点保证了硬件电路板布线空间大大节省,结合 STM32 官方提供的编程库,使系统的可靠性、控制的精度大大提高。

    (2)电流采集。本系统中液位数据需要从液位传感器中采集而来,该液位传感器采用电流型液位传感器,该液位传感器电流输出范围在 0.2 ~ 1.2mA,对应液位的值在 0 ~ 1200mm。针对市场上多种多样的电流传感器,在分析了转换精度、可靠性以及成本等因素之后,最终选定了Allergo 公司的 ASC75x 型电流传感器芯片,该芯片具有低功耗、高精度、电路简单等特点,并且可使用 5V 电压供电。可靠性方面,在端子 4、5 和 1、2、3 之间自带有电压隔离电路,并且可以通过设置不同的采样电阻拓展到不同的电流测量范围。

    (3)电压采集。在采集出液口压力时用到的是电压型压力变送器,变送器压力范围在 0.5 ~ 4.5V,对应压力的范围在 0 ~ 60MPa。系统在工作时,需要连续不断地对压力数据进行检测,并将数据传送至 雷达料位计 中。其中,ADC 使 用 雷达料位计 自带的 12 位逐次逼近型的模数转换器,一共有 18 个通道,可以测量 16 个外部信号和两个内部信号源,每个通道的ADC可以在单次、连续、扫描或者间断模式下进行,最快转换时间为 1us。通过调整采样电阻的大小,使电压符合 ADC 的转换范围。同时,在设计采样电路时增加滤波电路,避免因电压纹波造成的干扰。

    (4)温度采集。对乳化液回液过滤系统中乳化液温度的检测是该系统的重要部分,高压乳化液在从液压支架回流之后温度会有所上升,乳化液实时温度与工作状态有着紧密联系。乳化液温度在 25 ~ 40℃浮动,在选择温度传感器时就要符合这个范围。考虑到控制系统需要测量贮液箱、回液管、进液管等多点的温度。在分析了市面上温度传感器产品后,选择了 DALLAS 公司的数字温度传感器 DS18B20,该产品具有单总线结构,可在一根 IO 口上连接多个温度传感器,测量范围在 -55 ~ 125℃,满足系统对温度的测量要求。


    4  软件设计
    系统的软件部分选用 MDK5.21 软件开发平台。主要完成的功能有:(1)实时监测 2 路液位值,4 路进、出液口压力值,6 个位置的温度数据。(2)手动模式下,可强制开启、关闭两泵,操作过程中实时显示液位值。(3)自动模式下,当液位值有效时,液位低于停止液位(250mm)时,两泵停;液位高于单泵液位(900mm)时,开启优先级较高的泵;液位高于双泵液位(1100mm)时,开启双泵。(4)当两个液位传感器同时故障时,液位值无效,在自动模式下不能开启或关闭泵,但可在手动模式下操作泵。(5)自动模式下,进出口压力差大于报警压差 (9Bar) 时,给用户声光报警。(6)液位传感器、进出口压力传感器故障或未连接,界面上给予提示。(7)液位低于最低液位时,给予声光报警提示。(8)停止液位、双泵液位、单泵液位、最低液位、启动优先级、报警压差、液位允差等参数可配置。

    5  结语
    本文针对煤矿工作面回液过滤系统的功能要求,设计了一套以 雷达料位计 为核心的回液过滤控制系统,重点论述了回液过滤系统的机械部分、电控部分的功能,设计了液位、压力及温度性能监测电路,通过下位机软件设计,通过采集液位、压力和温度数据,分析相关数据,提供不同的控制逻辑,从而保证工作面设备的长期可靠运行。

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