礦井水在線監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

朱冬旭 伯冰洋

【關(guān)鍵詞】礦井水;高效利用;在線監(jiān)控;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

礦井水是伴隨著礦產(chǎn)開采過程中的地下涌水，在很多礦區(qū)，礦井水不經(jīng)過處理直接排放，這不僅造成了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞，也造成了礦井水的浪費(fèi)[1]。在此情況下，對(duì)礦井水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、回收處理、重復(fù)使用，對(duì)于保護(hù)資源、提高生態(tài)環(huán)境來說勢(shì)在必行[2][3]。在傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式中，由于監(jiān)測(cè)設(shè)備不發(fā)達(dá)，會(huì)產(chǎn)生記錄誤差大、通信不及時(shí)等問題，進(jìn)而造成礦井水監(jiān)測(cè)處理的效率較低[4][5][6]。因此，本文提出了一種基于礦井水優(yōu)化處理的在線監(jiān)控技術(shù)，構(gòu)建了模擬礦井水處理和復(fù)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可模擬礦井水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效復(fù)用，具有速度快、精度高等特點(diǎn)。

一、礦井水處理工藝優(yōu)化

以內(nèi)蒙古自治區(qū)某煤礦為例，礦區(qū)井下排水中的主要污染物為煤顆粒、巖面顆粒物形成的懸浮物以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的乳化液油類[7]。從提高回用率的角度考慮，本文結(jié)合不同用水階段、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等綜合因素，分井下-地面兩個(gè)空間對(duì)礦井水利用途徑進(jìn)行處理[8]。

將該礦井水處理工藝分為預(yù)處理、二級(jí)處理和深度處理三個(gè)單元，在井下預(yù)處理單元，一部分礦井水經(jīng)過井下調(diào)節(jié)預(yù)沉池的水進(jìn)入清水池，當(dāng)出水量滿足消防用水、灌漿用水、降塵用水、冷卻用水和液壓支架用水要求時(shí)，可直接回用。另一部分井下的礦井水通過調(diào)節(jié)預(yù)沉池來到油污水處理裝置和高效旋流器，后進(jìn)入井上中間水池。中間水池中的水一部分回用于地面除塵和消防用水，另一部分進(jìn)入二級(jí)處理。進(jìn)入二級(jí)處理（包括高密度沉淀池和V型濾池）的礦井水一部分通過潛水泵提升進(jìn)入高位水池，為選煤、換熱站、冷卻、綠化以及其他生活用水提供水源;另一部分通過深度處理，進(jìn)入復(fù)用水池，為生活、農(nóng)業(yè)和綠化等提供高品質(zhì)礦井水。

二、礦井水在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)礦井水的水質(zhì)水量信息變化、水泵開關(guān)狀態(tài)等運(yùn)行數(shù)據(jù)，做到各用水點(diǎn)的協(xié)同控制，本文設(shè)計(jì)了一種礦井水在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)井下水處理的可視化和可操作化，具有動(dòng)態(tài)性、多樣性、交互性等優(yōu)點(diǎn)。

在線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集裝置、在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)、調(diào)度控制系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集裝置中，液位傳感器、pH傳感器、SS傳感器、電導(dǎo)率傳感器、水中油傳感器將采集到的量質(zhì)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳至模擬量采集器，再通過串行通訊和無線傳輸將水質(zhì)水量數(shù)據(jù)上傳至本地服務(wù)器，在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)本地服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)的接收，通過上位機(jī)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，為用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;在調(diào)度控制系統(tǒng)中，服務(wù)器通過STM32芯片、Wi-Fi繼電器等組成的調(diào)度控制系統(tǒng)，結(jié)合服務(wù)器的累加、計(jì)算結(jié)果，為水泵提供控制信息，實(shí)現(xiàn)各用水點(diǎn)的回用調(diào)度。

三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

（一）數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集是礦井水在線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文根據(jù)所研究礦區(qū)的水質(zhì)水量特點(diǎn)，選取了五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為中間水池、復(fù)用水池、高位水池、調(diào)節(jié)預(yù)沉池和清水池，選用了5種傳感器，即SS、pH、電導(dǎo)率、水中油4種水質(zhì)傳感器以及液位傳感器。為了將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，本項(xiàng)目選用了多路信號(hào)采集器，最多可接收16路傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，滿足多個(gè)用水點(diǎn)的監(jiān)測(cè)感知需求。

（二）在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)

為了將礦井水監(jiān)測(cè)信息更加直觀地顯示，更好地對(duì)礦井水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行解釋和分析，本文在force control軟件的基礎(chǔ)上搭建礦井水在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，具體流程包括：礦井水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面繪制以及組件邏輯程序編寫三部分。

礦井水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的連接是分析平臺(tái)能否正常顯示的基礎(chǔ)步驟，通過Python編程將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到的礦井水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中，將狀態(tài)變量與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，實(shí)現(xiàn)礦井水在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析與管理。以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，本文建立了礦井水處理流程總界面，將礦井水處理過程中水質(zhì)變化和工程調(diào)度以動(dòng)畫方式展現(xiàn)在服務(wù)器上，包括5個(gè)反應(yīng)池詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面、歷史數(shù)據(jù)曲線界面、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面和報(bào)警界面等。編寫組件邏輯程序包括：設(shè)置監(jiān)測(cè)變量（量質(zhì)信息，開關(guān)狀態(tài)）、連接界面參數(shù)（界面數(shù)字，曲線）、設(shè)計(jì)邏輯程序（量質(zhì)變化內(nèi)在聯(lián)系）。

（三）調(diào)度控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)礦井水調(diào)度系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控，本控制系統(tǒng)以STM32芯片、Wi-Fi無線傳輸模塊和繼電器作為外設(shè)，開發(fā)了礦井水調(diào)度控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過Wi-Fi無線模塊從服務(wù)器和控制端接收控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令無線下發(fā)，并同時(shí)控制多路繼電器，從而控制各用水點(diǎn)水泵的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)度。

四、礦井水在線監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

（四）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬實(shí)物圖

利用礦井水在線監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)代替礦區(qū)實(shí)際用水點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。該裝置具有智能化程度高、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，可模擬用戶控制端發(fā)出各種控制指令，并監(jiān)視各用水點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)，滿足清水池、中間水池、高位水池、復(fù)用水池等礦區(qū)用水點(diǎn)的水質(zhì)水量的監(jiān)測(cè)、礦井水調(diào)度控制等需求。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬實(shí)物圖如圖1。

（二）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試與分析

1、在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)測(cè)試

在礦井水在線監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物搭建的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了礦井水水質(zhì)水量信息的在線監(jiān)測(cè)。測(cè)試設(shè)計(jì)了礦井水處理工藝中水質(zhì)水量在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)對(duì)象為復(fù)用水池和中間水池的液位、SS、pH、水中油、電導(dǎo)率等信息，監(jiān)測(cè)時(shí)間為1小時(shí)。為了更加體現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，在實(shí)驗(yàn)中添加高濃度礦井水，觀察礦井水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：復(fù)用水池的液位為9 2 . 5 0毫米，S S為4.70mg/l，pH為7.27，水中油為0.40ppb，電導(dǎo)率為1.36mS/m。中間水池的液位為112.88毫米，SS為34.38mg/l，pH為8.65，水中油為0.90ppb，電導(dǎo)率為12.74mS/m。具體信息如圖2。

2、調(diào)度控制系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M礦井水處理工藝中中間水池回用點(diǎn)的回用情況，以2000 ml的儲(chǔ)水槽作為中間水池回用點(diǎn)，設(shè)置兩個(gè)地面用水點(diǎn)，分別以1號(hào)燒杯為地面除塵用水、2號(hào)燒杯為地面消防用水。在中間水池中放置SS傳感器，兩個(gè)燒杯內(nèi)部分別放有液位傳感器。

測(cè)試中，中間水池的SS為15mg/L，符合兩個(gè)回用水點(diǎn)回用標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)水質(zhì)達(dá)到用水點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用水點(diǎn)設(shè)定水量進(jìn)行供水，當(dāng)供水達(dá)到設(shè)定水量時(shí)，控制器關(guān)閉對(duì)應(yīng)水泵，停止供水。當(dāng)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用水點(diǎn)水質(zhì)需求標(biāo)準(zhǔn)停止供水，待向中間水池中加入高濃度礦井水后，使得SS濃度增加，達(dá)到100 mg/L，不滿足兩個(gè)用水點(diǎn)需求，控制器控制水泵，停止供水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠根據(jù)水質(zhì)變化控制水泵的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了礦井水的調(diào)度控制。

五、結(jié)論

針對(duì)目前礦井水處理后回用成本高、循環(huán)利用率低等問題，本文在礦井水分層優(yōu)化處理工藝流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了礦井水在線監(jiān)控系統(tǒng)，完成了礦井水在線監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。該裝置的研發(fā)大大地提高了礦井水在生產(chǎn)過程中的回用效率，產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)。