赵康康，刘波
（北京天玛智控科技股份有限公司，北京 101399）
乳化液是综采工作面煤机设备液压传动的工作介质，而水是乳化液配制中最主要的成分（体积分数≥95%）[1-3]，水的纯净度对于液压系统核心单元的稳定运行和使用寿命有关键影响[4-5]。目前大多数矿井使用基于反渗透（Reverse Osmosis，RO）技术的成套水处理装置[6-7]，多采用手动或液控方式进行制水与滤芯清洗。李大庆[8]针对井下应用的JMSGLQ−70C型精密水过滤站，通过手动操作进水阀启动制水，采用人工驱动刷子做旋转运动来清洗粗过滤器，通过液压马达清洗精过滤器。陈港等[9]设计了一套井下净水站液压系统，采用液控方式实现水处理装置的自动正向与反向清洗。以上成果无法实时监测产水水质、产水量、水回收率、设备工作状态等数据，且需要维护人员定时对设备进行手动操作，检查滤芯使用情况等，自动化程度低，操作复杂，维护工作量大。随着采煤机械自动化技术不断进步，煤矿综采设备向智能化方向发展[10-12]，传统井下水处理装置控制方式已无法满足智能化、无人化采煤的发展需求。
针对上述问题，本文设计了一种煤矿井下水处理装置智能控制系统。该系统以2台基于ARM7的KXH12B矿用本安型控制器为控制核心，主从控制器的设计可充分保障系统核心功能稳定运行。系统具有较高的处理能力和可靠性，可提高水处理装置的智能化水平，实现井下制水设备的无人化值守。
水处理装置主要由原水供水装置、水过滤系统、纯水存储装置和纯水供水装置组成[13]。水过滤系统包括楔形网过滤器、精密过滤器、保安过滤器等三级预处理装置及加药装置、RO净水装置[14]。工艺流程为原水泵→减压阀→总进水电动阀→楔形网过滤器→精密过滤器→加药装置→保安过滤器→RO净水装置→纯水箱→纯水泵→乳化液配比系统，如图1所示。
图1 井下水处理装置工艺流程Fig.1 Technological process of underground water treatment device
水处理装置智能控制系统需实现设备的自动制水、自动清洗、自动供水、状态监测、数据上传等功能。根据水处理装置工艺流程，对以上功能进行分解，分析需求可知，控制系统应具有原水泵供水控制、原水箱液位监测及保护、原水进水压力监测及保护、楔形网过滤器自动清洗、精密过滤器正反洗、自动加药控制、药箱液位监测及报警、RO净水装置进出水压力及流量监测、RO膜自动清洗、产水水质监测、纯水箱液位监测、纯水箱液位与制水联动控制、纯水泵供水控制、数据上传等功能，如图2所示。
图2 水处理装置智能控制系统功能需求架构Fig.2 Structure of intelligent control system function requirement for water treatment device
根据水处理装置控制功能需求，控制系统执行元件包括原水泵、电动阀、清洗电动机、加药泵、电磁阀和纯水泵。其中原水泵和电动阀配合使用，为水处理装置提供稳定的进水；
清洗电动机安装于楔形网过滤器顶部，用于清洗该过滤器；
加药泵将药箱中的药剂加入保安过滤器前端；
电磁阀控制精密过滤器和RO净水装置自动产水与清洗；
纯水泵将纯水箱内的水供给乳化液配比系统使用。控制系统的传感器包括压力传感器、流量传感器、电导率仪和液位传感器。在总进水电动阀后端布置1个压力传感器，实时监测水处理装置的进水压力，确保进水稳定；
在RO净水装置前后端各布置1个压力传感器，监测该装置的进出口压力，保障RO膜处于正常工作状态。2个流量传感器分别安装在RO净水装置进水口和产水口，实时监测水处理装置的产水率。电导率仪安装在RO净水装置产水口，实现产水水质在线监测。液位传感器安装在原水箱、药箱、纯水箱处。
根据系统控制功能需求，设计了双控制器热冗余方案，主控制器负责水处理装置制水功能，从控制器负责水处理装置自动清洗和部分传感器数据监测等辅助功能。系统总体方案如图3所示。
图3 水处理装置智能控制系统总体方案Fig.3 The total scheme of intelligent control system of water treatment device
主控制器采集原水箱液位、药箱液位、纯水箱液位、产水电导率、总进水压力等数据，控制原水进水电动阀、原水泵、加药泵执行动作，通过CAN总线获取从控制器状态数据，并汇总数据报送至主机。从控制器采集纯水流量、浓水流量、RO净水装置进出口压力及远程供水信号，控制纯水泵和清洗电动机启停，并控制电磁阀执行清洗动作。
主从控制器之间通过CAN总线通信，除互传数据外，还实时捕获对方心跳信号，监控对方工作状态。当从控制器出现故障时，主控制器报警，提示维护人员及时维修。从控制器作为主控制器的备份，当主控制器发生故障时，传感器变送器对线路进行切换，从控制器切断现有传感器，接入主控制器传感器线路，并发送指令至组合开关，切换原水泵和加药泵控制信号线给从控制器，进水电动阀保持常开状态，此时完成硬件切换。同时从控制器切换为主控制器程序，接管主控制器制水功能，保障设备产水及工作面用水。完成软硬件切换后，系统维持正常产水功能，并进行报警提示维修。
压力传感器、流量传感器和电导率仪输出信号为4～20 mA电流信号，液位传感器输出信号为0～5 V电压信号；
清洗电磁阀使用12 V有源输出直接驱动；
电动阀和清洗电动机采用127 V供电，控制方式为无源干接点控制；
原水泵、加药泵和纯水泵供电电压为1 140 V，使用多回路启动器进行驱动，采用无源干接点控制方式。
综合以上接口选型及数量，主从控制器均选用以ARM7为内核芯片的KXH12B矿用本安型控制器[15]。该控制器采用CPU工作频率高达60 MHz的LPC2294处理器，自带8路10位ADC，转换时间不超过2.44µs[16]。除LPC2294内置存储外，还采用外部存储器容量为1 MB的FLASH芯片和512 kB的SRAM芯片，提升了系统的数据存储能力。控制器实物与接口分别如图4、图5所示。
图4 KXH12B型控制器实物Fig.4 Material object of KXH12B controller
图5 KXH12B型控制器背部接口Fig.5 Back interfaces of KXH12B controller
控制器采用12 V本安电源供电，其传感器采集接口线路经传感器变送器连接传感器，实现传感器数据采集与线路切换。组合开关设计为4回路矿用隔爆兼本安型启动器，具有3路1 140 V电动机启动回路与1路127 V电动机启动回路，搭载独立可编程CPU控制单元，可采集数字量信号，并控制启动回路动力输出。控制系统硬件结构如图6所示。
图6 水处理装置智能控制系统硬件结构Fig.6 Hardwarestructure of intelligent control system of water treatment device
传感器连接变送器，由变送器内的继电器模块转接至控制器。正常工作状态下，主控制器传感器信号经主变送器继电器模块传输至主控制器，从控制器传感器信号经从变送器继电器模块传输至从控制器，此时主从变送器继电器模块之间为断开状态；
当主控制器发生故障需进行线路切换时，从控制器为主变送器继电器模块提供12 V信号，从变送器断开从控制器传感器线路，主变送器继电器模块切换线路至从变送器，此时主控制器传感器信号依次经主从变送器继电器模块传输至从控制器，主变送器继电器模块与主控制器之间、从控制器传感器与从变送器继电器模块之间断开，完成传感器线路切换。
电动机启动回路控制线路切换主要由组合开关中的CPU控制单元完成。当CPU控制单元接收到从控制器的切换信号后，原有启动回路控制逻辑失效，将原由主控制器控制的原水泵和加药泵启动回路改为由从控制器控制，从而完成启动回路切换。组合开关启动回路控制信号切换与传感器线路切换同时进行。
主从控制器采用同一套软件，通过参数设定主从控制器功能。系统控制软件包括通信、传感器采集、手动控制、自动控制、菜单操作、运行监测等功能模块，如图7所示。通信模块支持RS485接口Modbus−RTU协议和CAN协议。传感器采集模块支持电压型、电流型、开关量传感器信号采集。系统可实现自动制水、自动清洗、故障保护等自动控制功能，也可通过手动操作总进水电动阀和电动机。通过菜单显示屏和键盘可修改系统参数，设定控制器程序。系统软件实时监测主从控制器运行状态，监测到系统异常情况时执行程序切换或故障报警等操作。
图7 水处理装置智能控制系统软件设计方案Fig.7 Softwaredesign scheme of intelligent control system of water treatment device
4.1 主控制器程序
主控制器主要功能为水处理装置的制水控制，具有手动制水与自动制水功能。制水开车顺序流程：启动原水泵→打开总进水电动阀→开启加药泵→打开RO浓水电动阀→清洗RO膜→关闭RO浓水电动阀→开始制水。制水停车顺序流程：打开RO浓水电动阀→清洗RO膜→停止原水泵→停止加药泵→关闭总进水电动阀→关闭RO浓水电动阀。
自动制水模式下，系统采集纯水箱水位，当纯水箱水位低于系统设定的水位低值时，执行制水开车程序进行制水。制水时，系统实时监测纯水箱水位，当水位高于系统设定的水位高值时，执行停车程序，完成制水。自动制水程序流程如图8所示。
图8 自动制水程序流程Fig.8 Automatic water production flow
在制水过程中，系统实时监测进水压力，当进水压力超出水处理装置正常工作压力范围时，系统执行紧急停车程序，对水处理装置进行超压保护。当药箱液位低于系统设定的低值时，进行声光报警，提示维护人员及时添加药剂。系统可实现水质在线监测功能，实时采集产水电导率，当其高于正常范围时进行报警，提示更换新的RO膜滤芯。
4.2 从控制器程序
从控制器主要功能为水处理装置的自清洗控制，除装置手动清洗和自动清洗功能外，还包括纯水和浓水流量采集、RO净水装置进出口压力监测及远程供水控制等功能。
自动清洗模式下，从控制器获取主控制器制水状态，并累计设备运行时间。当主控制器开始制水时，累计运行时间达到楔形网过滤器设定的清洗时间，启动自清洗泵，清洗2 min后停止。精密过滤器启动自动清洗模式，通过反洗、正洗、过滤3个阶段恢复颗粒滤料的过滤性能。当累计运行时间达到精密过滤器设定的清洗时间，打开反洗电磁阀对精密过滤器进行反洗后，再进行正洗，正洗模式结束后进入过滤阶段，恢复工作状态。楔形网过滤器与精密过滤器的清洗时间和清洗时长均可通过人机交互界面修改。系统自动清洗程序流程如图9所示。
图9 自动清洗程序流程Fig.9 Automatic washing flow
在设备运行过程中，通过RO净水装置进水流量传感器和RO产水流量传感器分别对RO进水和产水流量进行实时监测，并通过压力传感器采集RO膜进出口压力，将流量及压力数据显示在控制器屏幕上。如果产水流量低于设备额定流量的60%，或进出口压差超出设定范围，系统报警提示更换新的RO膜滤芯。
从控制器还具有自动远程供水功能，当控制器获取远程供水信号后，开启供水泵，为工作面乳化液配比提供纯水。系统具有低水位停泵保护功能，在供水过程中，纯水箱水位低于设定值时，禁止启动纯水泵，防止纯水泵空转烧毁。
4.3 主从控制器热切换程序
从控制器除对设备进行自清洗控制外，还负责监控主控制器运行状态，在主控制器发生故障无法工作时，自动切换控制功能，接替主控制器的制水控制功能，实现主从控制器带电热切换，保障水处理装置制水工作连续而不被间断。热切换程序运行于从控制器中，流程如图10所示。
图10 主从控制器热切换程序流程Fig.10 Hot-switching flow between main controller and the slave one
从控制器实时获取并存储主控制器运行状态数据。主控制器发生故障时，保持控制信号输出状态不变，此时从控制器已无法监听到主控制器心跳信号，从控制器控制传感器变送器对线路进行切换，断开自身传感器，采集主控制器相关传感器数据，在确保传感器接入正常后，从控制器自清洗功能急停，进行控制线路切换，读取主控制器故障前保存的状态数据，开始执行主控制器程序，并进行控制器故障报警。热切换功能有效保障了设备正常产水功能及工作面用水。
5.1 系统测试
搭建系统测试平台，主要包括2台KXH12B型控制器、传感器变送器、12 V电源、笔记本电脑、信号发生器等，如图11所示。采用信号发生器模拟电导率仪及流量、压力、液位等传感器，通过调整传感器的输入值来测试系统的自动控制功能，并模拟主控制器故障，测试主从控制器热切换功能。
图11 系统测试平台（局部）Fig.11 Partial system test platform
5.1.1 自动控制功能测试
使用测试平台分别测试系统主控制器自动制水功能和从控制器自动清洗功能。自动制水功能测试：开启自动制水模式，通过信号发生器模拟纯水箱水位，将水位传感器输入值调整于设定的水位低值时，启动制水开车程序；
将水位传感器输入值调整于设定的水位高值时，启动制水停车程序。自动清洗功能测试：设定楔形网过滤器与精密过滤器的清洗间隔时间与清洗时长，当楔形网过滤器与精密过滤器达到清洗间隔时间后，执行清洗操作，清洗时间为设定的清洗时长。
主控制器的自动制水功能优先级高于从控制器的自动清洗功能。测试1：主控制器自动制水过程中，从控制器到达清洗间隔时间，清洗工作不会立刻执行，而是当主控制器完成制水后，再开始执行清洗动作。测试2：从控制器执行清洗动作过程中，主控制器满足制水条件，此时从控制器的清洗动作紧急停止，主控制器开始制水，当制水完成后，从控制器继续执行并完成清洗动作。经测试，以上功能均稳定运行。
5.1.2 主从控制器热切换测试
在测试平台运行过程中，切断主从控制器之间的通信线，以模拟主控制器故障无心跳信号工况，观察从控制器显示界面，如图12（a）所示。切断通信线后，从控制器显示界面立即变为主控制器界面，如图12（b）所示，并执行主控制器功能。
图12 主从控制器热切换测试Fig.12 Hot-switching test between main controller and theslaveone
经测试，在模拟故障条件下，从控制器成功完成功能热切换，切换主控制器显示界面后，传感器数值显示正常，功能运行稳定。通过程序记录主从控制器切换时间，小于500 ms。
5.2 工程应用
该系统已成功应用于山东新巨龙能源有限责任公司（以下称新巨龙煤矿）井下水处理装置，如图13所示，极大地提高了井下水处理装置的自动化控制水平，实现了该设备的无人值守，减少了水处理装置维护工作量，提升了水处理装置的产水效率。目前系统运行稳定可靠。
图13 新巨龙煤矿井下水处理装置智能控制系统Fig.13 Intelligent control system of water treatment device in Xinjulong Coal Mine
（1）通过分析煤矿井下水处理装置智能控制需求，设计了双控制器热冗余方案，采用2台控制器分别负责水处理装置制水和自动清洗功能。
（2）基于双控制器热冗余方案设计了煤矿井下水处理装置智能控制系统。系统主从控制器均选用KXH12B矿用本安型控制器，可实现自动制水、自动清洗、数据监测等功能。
（3）搭建测试平台完成了系统自动控制和主从控制器热切换测试，并将系统应用于新巨龙煤矿井下水处理装置，验证了系统可实现既定功能，且运行稳定可靠，解决了煤矿综采工作面乳化液配比用水水处理装置智能化程度低、需人员值守、维护工作量大等问题，满足煤矿井下水处理装置的控制需求。
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