胡俊立

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院機(jī)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(guò)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(shí)現(xiàn)工作面主回液系統(tǒng)雜質(zhì)的隔離及過(guò)濾，保證回液主管路暢通?，F(xiàn)有回液過(guò)濾站工作面乳化液回液直接進(jìn)入液壓管路，導(dǎo)致液壓支架背壓過(guò)高，影響支架的正常運(yùn)行?；匾簤毫χ颠^(guò)高，易對(duì)濾芯產(chǎn)生沖擊；濾芯過(guò)濾能力弱，可靠性低。不具備反沖洗功能，導(dǎo)致濾芯只能人工拆卸清洗。系統(tǒng)運(yùn)行需要人工干預(yù)。本文針對(duì)現(xiàn)有工作面回液過(guò)濾系統(tǒng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套以STM32F429 為核心的回液過(guò)濾控制系統(tǒng)，在克服了原有回液過(guò)濾系統(tǒng)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采集液位、壓力和溫度數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)回液系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，減少泵站的維護(hù)量，降低煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)架?？拷M(jìn)液口的腔為沉淀腔，沉淀主回液中較大雜質(zhì)?？拷鲆嚎诘那粸橘A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(jì)及空濾器，前者用來(lái)顯示液位，后者既是液箱內(nèi)外相通的呼吸通道，對(duì)通過(guò)空氣起過(guò)濾作用，也是極限高液位警示口，液位過(guò)高時(shí)，箱內(nèi)油液會(huì)從前后空濾器倒流箱外，提醒管理人員采取處理措施。整個(gè)箱體底部前后左右各設(shè)有一個(gè)放液螺堵，清洗箱體時(shí)可將放液塞擰掉放盡箱內(nèi)的油液。

（2）多級(jí)離心泵站。離心泵站主要是由立式多級(jí)離心泵、對(duì)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(jī)軸通過(guò)泵頭用聯(lián)軸器直接與泵軸聯(lián)接，拉桿螺栓將耐壓筒、過(guò)流部件固定在泵頭和進(jìn)液出水段之間，泵進(jìn)出水口在泵底同一直線(xiàn)上。泵的過(guò)流部分均采用不銹鋼材料制成。對(duì)夾止回閥作用是只允許介質(zhì)由泵向多通塊方向流動(dòng)，而阻止反方向流動(dòng)，防止泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)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(guò)濾站。回液過(guò)濾站主要由底座、兩個(gè)雙聯(lián)球閥、四個(gè)DN20 排污球閥、四個(gè)濾筒、四個(gè)溢流閥、一個(gè)進(jìn)口壓力表、二個(gè)出口法蘭組件及二個(gè)進(jìn)口法蘭組件組成。雙聯(lián)球閥用來(lái)切換相連兩濾筒的進(jìn)出口油道。溢流閥作用是當(dāng)濾筒進(jìn)口壓力超出一定值時(shí)，溢流閥開(kāi)啟卸荷，防止筒內(nèi)壓力過(guò)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(dòng)器、電控柜、采集部分構(gòu)成。

2 工作原理

回液過(guò)濾系統(tǒng)工作原理圖如圖1 所示，來(lái)自支架工作面主回液首先經(jīng)三通法蘭球閥進(jìn)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(kāi)啟和關(guān)閉，當(dāng)檢測(cè)到貯液室內(nèi)乳化液液位升到一定高度時(shí)，其中一個(gè)泵開(kāi)始啟動(dòng)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(shí)，另一泵也啟動(dòng)，當(dāng)貯液箱液位降至吸油口附近設(shè)定高度時(shí)，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(chēng)配液塊），再進(jìn)入回液過(guò)濾站，回液過(guò)濾站共4 個(gè)過(guò)濾組件，兩用兩備，可在線(xiàn)維護(hù)濾網(wǎng)組件。由回液過(guò)濾站過(guò)濾出的乳化液由回液膠管導(dǎo)入高壓泵站乳化液箱。

圖1 回液過(guò)濾系統(tǒng)工作原理圖

3 電控單元設(shè)計(jì)

電控單元在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心地位，擔(dān)負(fù)著整個(gè)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(gè)回液過(guò)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(kāi)關(guān)、真空電磁啟動(dòng)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(duì)貯液箱中的液位、溫度和壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而通過(guò)控制繼電器達(dá)到對(duì)泵站電機(jī)開(kāi)啟關(guān)閉的目的，從而保證貯液箱乳化液保持在特定液位?；谙到y(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(diǎn)運(yùn)算單元和增強(qiáng)的DSP 處理功能，自帶有高達(dá)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(diǎn)保證了硬件電路板布線(xiàn)空間大大節(jié)省，結(jié)合STM32 官方提供的編程庫(kù)，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(lái)，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(duì)應(yīng)液位的值在0～1200mm。針對(duì)市場(chǎng)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(jiǎn)單等特點(diǎn)，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(guò)設(shè)置不同的采樣電阻拓展到不同的電流測(cè)量范圍。

（3）電壓采集。在采集出液口壓力時(shí)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(duì)應(yīng)壓力的范圍在0～60MPa。系統(tǒng)在工作時(shí)，需要連續(xù)不斷地對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，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(gè)通道，可以測(cè)量16 個(gè)外部信號(hào)和兩個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，每個(gè)通道的ADC 可以在單次、連續(xù)、掃描或者間斷模式下進(jìn)行，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us。通過(guò)調(diào)整采樣電阻的大小，使電壓符合ADC 的轉(zhuǎn)換范圍。同時(shí)，在設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)增加濾波電路，避免因電壓紋波造成的干擾。

（4）溫度采集。對(duì)乳化液回液過(guò)濾系統(tǒng)中乳化液溫度的檢測(cè)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(huì)有所上升，乳化液實(shí)時(shí)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(dòng)，在選擇溫度傳感器時(shí)就要符合這個(gè)范圍?？紤]到控制系統(tǒng)需要測(cè)量貯液箱、回液管、進(jìn)液管等多點(diǎn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)，可在一根IO 口上連接多個(gè)溫度傳感器，測(cè)量范圍在-55～125℃，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)溫度的測(cè)量要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分選用MDK5.21 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。主要完成的功能有：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2 路液位值，4 路進(jìn)、出液口壓力值，6 個(gè)位置的溫度數(shù)據(jù)。（2）手動(dòng)模式下，可強(qiáng)制開(kāi)啟、關(guān)閉兩泵，操作過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示液位值。（3）自動(dòng)模式下，當(dāng)液位值有效時(shí)，液位低于停止液位（250mm）時(shí)，兩泵停；液位高于單泵液位（900mm）時(shí)，開(kāi)啟優(yōu)先級(jí)較高的泵；液位高于雙泵液位（1100mm）時(shí)，開(kāi)啟雙泵。（4）當(dāng)兩個(gè)液位傳感器同時(shí)故障時(shí)，液位值無(wú)效，在自動(dòng)模式下不能開(kāi)啟或關(guān)閉泵，但可在手動(dòng)模式下操作泵。（5）自動(dòng)模式下，進(jìn)出口壓力差大于報(bào)警壓差(9Bar)時(shí)，給用戶(hù)聲光報(bào)警。（6）液位傳感器、進(jìn)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(shí)，給予聲光報(bào)警提示。（8）停止液位、雙泵液位、單泵液位、最低液位、啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)、報(bào)警壓差、液位允差等參數(shù)可配置。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦工作面回液過(guò)濾系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)了一套以STM32F429 為核心的回液過(guò)濾控制系統(tǒng)，重點(diǎn)論述了回液過(guò)濾系統(tǒng)的機(jī)械部分、電控部分的功能，設(shè)計(jì)了液位、壓力及溫度性能監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)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(zhǎng)期可靠運(yùn)行。