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基于STM32的工作面回液過濾控制系統設計研究

作者: 來源: 發布時間:2019-11-13 09:39:53

    摘要:回液過濾系統用于煤礦綜采工作面主回液系統,主要用途是實現工作面主回液系統雜質的隔離及過濾,保證回液主管路暢通。本文針對煤礦工作面回液過濾系統的功能要求,設計了一套以 雷達料位計 為核心的回液過濾控制系統,設計了液位、壓力及溫度性能監測電路,通過下位機軟件設計,通過采集液位、壓力和溫度數據,分析相關數據,提供不同的控制邏輯,從而保證工作面設備的長期可靠運行。

    回液過濾系統用于煤礦綜采工作面主回液系統,主要用途是實現工作面主回液系統雜質的隔離及過濾,保證回液主管路暢通?,F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?;匾簤毫χ颠^高,易對濾芯產生沖擊;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。系統運行需要人工干預。本文針對現有工作面回液過濾系統的缺點,設計了一套以 雷達料位計 為核心的回液過濾控制系統,在克服了原有回液過濾系統缺點的基礎上,通過采集液位、壓力和溫度數據,對整個回液系統設備進行協調控制,從而使整個系統能夠穩定、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??拷M液口的腔為沉淀腔,沉淀主回液中較大雜質??拷鲆嚎诘那粸橘A液腔。在箱體的前后端面板上均設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有一個放液螺堵,清洗箱體時可將放液塞擰掉放盡箱內的油液。

    (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、框架及管路附件構成。離心泵電機軸通過泵頭用聯軸器直接與泵軸聯接,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由泵向多通塊方向流動,而阻止反方向流動,防止泵及其驅動電機機反轉。法蘭式截止閥用于控制管路通斷,并具有液位調節功能,其油液流向,采用自上而下。

    (3)回液過濾站?;匾哼^濾站主要由底座、兩個雙聯球閥、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壓電源、控制器、礦用隔爆兼本質安全型雷達起動器、電控柜、采集部分構成。

    2  工作原理
    回液過濾系統工作原理圖如圖 1 所示,來自支架工作面主回液首先經三通法蘭球閥進入本系統緩沖液箱內。主回液在緩沖液箱的沉淀室內沉淀后,經磁性組件再到貯液室。電控單元控制離心泵的開啟和關閉,當檢測到貯液室內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經吸油濾抽出乳化液,如果液位仍繼續上升,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定高度時,所有泵停止抽液。從貯液箱內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。

 

1.jpg

    3  電控單元設計
    電控單元在整個系統中處于核心地位,擔負著整個系統中液位、管路壓力、乳化液溫度數據的采集以及整個回液過濾系統的協調控制工作,主要包含電控單元、傳感器、礦用本安防爆電源、組合開關、真空雷達啟動器、通訊電纜等部分組成。其工作原理圖如圖 2 所示。

 

2.jpg

    (1)主控芯片。主控芯片作為控制系統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閉的目的,從而保證貯液箱乳化液保持在特定液位?;谙到y可靠性、控制精度和元器件成本,結合主控模塊內部結構,選定主控 CPU 為雷達料位計,該芯片采用 Cortex-M4 內核,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 字節的片上 Flash、196K 字節的 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點保證了硬件電路板布線空間大大節省,結合 STM32 官方提供的編程庫,使系統的可靠性、控制的精度大大提高。

    (2)電流采集。本系統中液位數據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,在分析了轉換精度、可靠性以及成本等因素之后,zui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??煽啃苑矫?,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,對應壓力的范圍在 0 ~ 60MPa。系統在工作時,需要連續不斷地對壓力數據進行檢測,并將數據傳送至 雷達料位計 中。其中,ADC 使 用 雷達料位計 自帶的 12 位逐次逼近型的模數轉換器,一共有 18 個通道,可以測量 16 個外部信號和兩個內部信號源,每個通道的ADC可以在單次、連續、掃描或者間斷模式下進行,zui快轉換時間為 1us。通過調整采樣電阻的大小,使電壓符合 ADC 的轉換范圍。同時,在設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中乳化液溫度的檢測是該系統的重要部分,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有著緊密聯系。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??紤]到控制系統需要測量貯液箱、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品后,選擇了 DALLAS 公司的數字溫度傳感器 DS18B20,該產品具有單總線結構,可在一根 IO 口上連接多個溫度傳感器,測量范圍在 -55 ~ 125℃,滿足系統對溫度的測量要求。


    4  軟件設計
    系統的軟件部分選用 MDK5.21 軟件開發平臺。主要完成的功能有:(1)實時監測 2 路液位值,4 路進、出液口壓力值,6 個位置的溫度數據。(2)手動模式下,可強制開啟、關閉兩泵,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zui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、zui低液位、啟動優先級、報警壓差、液位允差等參數可配置。

    5  結語
    本文針對煤礦工作面回液過濾系統的功能要求,設計了一套以 雷達料位計 為核心的回液過濾控制系統,重點論述了回液過濾系統的機械部分、電控部分的功能,設計了液位、壓力及溫度性能監測電路,通過下位機軟件設計,通過采集液位、壓力和溫度數據,分析相關數據,提供不同的控制邏輯,從而保證工作面設備的長期可靠運行。

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