自動(dòng)噴霧降塵監(jiān)測系統(tǒng)研究

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

粉 塵是煤礦職業(yè)病的主要危害因素，是導(dǎo)致塵肺病的根源[1-2]。目前大多數(shù)煤礦采用噴霧來進(jìn)行降塵。采用定時(shí)噴霧或人工控制噴霧等控制方式存在 2 種后果：①大量供水浪費(fèi)、影響煤質(zhì)；② 水量不足，粉塵防治效果差，煤礦工人患塵肺病幾率上升[3-6]。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測礦井的粉塵質(zhì)量濃度，決定噴霧的開停和水量的控制，既可以高效噴霧降塵，降低煤礦井下浮游粉塵質(zhì)量濃度，降低煤礦粉塵災(zāi)害，又可以有效地節(jié)約防塵供水。同時(shí)不影響煤礦工人正常的生產(chǎn)作業(yè)，保證工人的人身安全，降低工人的發(fā)病概率。噴霧裝置能夠根據(jù)塵源質(zhì)量濃度改變噴霧量，合理利用水資源，利于環(huán)保。

1 方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)噴霧降塵監(jiān)測系統(tǒng)如圖 1 所示。其包括 2臺粉塵質(zhì)量濃度傳感器、2 臺熱釋電傳感器，2 套核心主控單元。2 臺粉塵質(zhì)量濃度傳感器、2 臺熱釋電傳感器分別在礦井巷道的上、下風(fēng)側(cè)按一定距離布置。

圖1 自動(dòng)噴霧降塵監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Automatic spray dust reduction and monitor system

自動(dòng)噴霧降塵監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度、布置距離、上下粉塵質(zhì)量濃度的差值，設(shè)定礦井區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)限值，經(jīng)主控單元閉環(huán)控制算法的綜合分析，自動(dòng)控制噴霧控制閥的開啟或關(guān)閉，進(jìn)行噴霧降塵，并根據(jù)降塵時(shí)間自動(dòng)調(diào)整噴霧，達(dá)到高效噴霧降塵效果。該系統(tǒng)可以監(jiān)測有無人員經(jīng)過，從而達(dá)到人性化噴霧降塵。

2 閉環(huán)控制算法

主控單元的閉環(huán)控制算法主要根據(jù)粉塵質(zhì)量濃度傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、熱釋電傳感器的數(shù)據(jù)、噴霧區(qū)域濃度的最高設(shè)置值和 2 臺粉塵質(zhì)量濃度傳感器之間的距離，自動(dòng)開啟或關(guān)閉噴霧控制閥來降低現(xiàn)場的粉塵質(zhì)量濃度。

2.1 粉塵質(zhì)量濃度傳感器

粉塵質(zhì)量濃度傳感器采用交流耦合式電荷感應(yīng)原理檢測粉塵質(zhì)量濃度。當(dāng)粉塵顆粒流經(jīng)感應(yīng)電極時(shí)，在電極上感應(yīng)出交變信號，此信號經(jīng)過放大、濾波和 A/D 轉(zhuǎn)換，送入 MCU，經(jīng)過 MCU 處理，將粉塵質(zhì)量濃度顯示并向外傳輸。傳感器的測量范圍為 0.1～1 000 mg/m3，測量誤差為±10%。

2.2 噴霧控制閥 1 的動(dòng)作控制

主控單元每隔 1 s 采樣 1 次粉塵質(zhì)量濃度傳感器1 的數(shù)值，當(dāng)連續(xù) 10 次均大于最高設(shè)限值時(shí)，開啟噴霧控制閥 1。針對部分煤礦現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度波動(dòng)較大的情況，主控單元可自動(dòng)調(diào)整判斷頻次，減少異常干擾帶來的影響。如果此時(shí)有工人經(jīng)過噴霧區(qū)域，就會觸發(fā)熱釋電傳感器，從而關(guān)閉噴霧控制閥 1。延時(shí)一段時(shí)間，待工人通過噴霧區(qū)域后，再開啟噴霧控制閥 1。粉塵質(zhì)量濃度降低到安全水平后，關(guān)閉噴霧控制閥 1。為了防止粉塵質(zhì)量濃度在設(shè)定值附近時(shí)，噴霧控制閥 1 頻繁開關(guān)，設(shè)置了粉塵質(zhì)量濃度回差值。當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度連續(xù) 10 次均低于回差值時(shí)，關(guān)閉噴霧控制閥 1。

粉塵質(zhì)量濃度的回差比例

式中：N為回差比例；t為噴霧控制閥開啟時(shí)間，min。

粉塵質(zhì)量濃度回差值

式中：H為回差值，mg/m3；B為設(shè)限值，mg/m3。

2.3 噴霧控制閥 2 的動(dòng)作控制

主控單元每隔 1 s 采樣 1 次粉塵質(zhì)量濃度傳感器2 的數(shù)值，當(dāng)連續(xù) 10 次均大于最高設(shè)限值時(shí)，開啟噴霧控制閥 2。如果此時(shí)有工人經(jīng)過噴霧區(qū)域，就會觸發(fā)熱釋電傳感器，從而關(guān)閉噴霧控制閥 2。延時(shí)一段時(shí)間，待工人通過噴霧區(qū)域后，再開啟噴霧控制閥2。為了防止粉塵質(zhì)量濃度在設(shè)定值附近時(shí)，噴霧控制閥 2 頻繁開關(guān)，設(shè)置粉塵質(zhì)量濃度回差值。當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度連續(xù) 10 次均低于回差值時(shí)，監(jiān)測噴霧控制閥 1 的狀態(tài)，當(dāng)噴霧控制閥 1 處于開啟狀態(tài)時(shí)，噴霧控制閥 2 才開啟進(jìn)行噴霧，進(jìn)一步降低作業(yè)場所的粉塵質(zhì)量濃度；當(dāng)噴霧控制閥 1 處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，噴霧控制閥 2 也關(guān)閉。

3 主控單元的硬件設(shè)計(jì)

主控單元的硬件電路原理如圖 2 所示，主要包括MCU、通信電路、開關(guān)量采集電路、控制閥驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路和顯示電路等。

3.1 MCU

MCU 是主控單元的處理核心，負(fù)責(zé)處理粉塵質(zhì)量濃度傳感器和熱釋電傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法的處理，實(shí)現(xiàn)控制噴霧控制閥的開關(guān)。要求在極短的時(shí)間內(nèi)完成信號采集和算法處理，因此 MCU 需要有較大的存儲空間和較快的運(yùn)行速度。STM32F103是基于 Cortex-M3 核心的 32 位微控制器，具有強(qiáng)大的事務(wù)處理功能。該芯片采用 3.3 V 供電，可工作于低功耗模式，可以滿足主控單元的功能需求[7]。

圖2 主控單元的硬件電路原理Fig.2 Hardware circuit principle of master control unit

3.2 通信電路

由于粉塵質(zhì)量濃度傳感器具有頻率和數(shù)字 2 種信號輸出形式。其中，200～1 000 Hz 的頻率信號傳輸在將粉塵質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化為頻率信號時(shí)，理論計(jì)算會有小數(shù)產(chǎn)生，而頻率輸出又只能輸出整數(shù)的頻率信號，在實(shí)際應(yīng)用中會對理論計(jì)算的頻率進(jìn)行處理，因此，在傳輸中會存在一定的誤差，而 RS-485 串行通信可采用四字節(jié)整形數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)之間的精確轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)小數(shù)的精確傳輸，從而減小誤差。因此，主控單元采用 RS-485 串行通信方式與粉塵質(zhì)量濃度傳感器進(jìn)行通信。RS-485 通信電路如圖 3 所示。主控單元的數(shù)據(jù)通信芯片采用 SN75LBC184。該芯片的驅(qū)動(dòng)器采用限斜率的方式，輸出信號的邊沿不會太抖，傳輸線上的高頻分量會大大減少，從而降低外界信號產(chǎn)生的干擾，信號傳輸更加準(zhǔn)確。該芯片能承受的靜電放電沖擊電壓高達(dá) 8 kV，無需再添加抗浪涌的 TVS 瞬態(tài)雜波抑制器等保護(hù)措施，電路設(shè)計(jì)簡單可靠[8-11]。

3.3 開關(guān)量采集電路

由于熱釋電傳感器是 5 V 信號輸出，而 STM 32F103 是采用 3.3 V 供電，因此，開關(guān)量采用光耦芯片實(shí)現(xiàn)光電隔離和電平轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的電平信號送入 MCU 的 I/O 端口進(jìn)行采集。當(dāng)采集到高電平時(shí)，判定接收到工人經(jīng)過信息。開關(guān)量采集電路如圖4 所示。

圖4 開關(guān)量采集電路Fig.4 Switching value acquisition circuit

3.4 控制閥驅(qū)動(dòng)電路

由于噴霧控制閥需要 36 V 供電，MCU 無法直接驅(qū)動(dòng)控制閥，主控單元采用固態(tài)繼電器來間接驅(qū)動(dòng)控制閥。噴霧控制閥驅(qū)動(dòng)電路如圖 5 所示。MCU 控制 I/O 口與固態(tài)繼電器之間采用三極管及外圍電路進(jìn)行信號處理，提高驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng) I/O 口輸出高電平時(shí)，固態(tài)繼電器導(dǎo)通，將 36 V 電壓加載到控制閥上開啟控制閥；當(dāng) MCU 的控制 I/O 口輸出低電平時(shí)，固態(tài)繼電器斷開，從而關(guān)閉控制閥。因此，只要改變MCU 的控制 I/O 口的輸出狀態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)噴霧控制閥的開啟與關(guān)閉。

圖5 噴霧控制閥驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Drive circuit for spray control valve

3.5 時(shí)鐘電路

為了統(tǒng)計(jì)控制閥的開啟時(shí)間來進(jìn)行回差值的計(jì)算，主控單元選用 SD2201E 作為時(shí)鐘電路主芯片。該芯片的時(shí)鐘精度非常高，具有標(biāo)準(zhǔn) IIC 接口，硬件電路設(shè)計(jì)簡潔實(shí)用。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，只需將 MCU 的I/O 口與 SD2405AL 的 SDA 和 SCL 相連即可，時(shí)鐘的讀取與修改可以通過程序?qū)崿F(xiàn)[12]。同時(shí)為了使得SDA 和 SCL 能產(chǎn)生穩(wěn)定的電平信號，需要在對應(yīng)引腳上加上拉電阻。

4 軟件設(shè)計(jì)

主控單元采用 ARM 嵌入式系統(tǒng)的軟件進(jìn)行編程，采用可固化、可裁剪、可剝奪型的 μC/OS-III 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中粉塵質(zhì)量濃度傳感器和熱釋電傳感器的數(shù)據(jù)讀取、噴霧控制閥的控制、數(shù)據(jù)的存儲以及結(jié)果的顯示等。μC/OS-III 是一種源代碼公開的操作系統(tǒng)，可以支持 64 個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，在應(yīng)用中具有穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性好以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[13]。

4.1 噴霧控制閥 1 的控制

圖6 噴霧控制閥 1 的控制Fig.6 Control of spray control valve 1

噴霧控制閥 1 的控制如圖 6 所示。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先讀取系統(tǒng)參數(shù)，并讀取粉塵質(zhì)量濃度傳感器1 的數(shù)值，判斷是否超過限值。若超過限值，則開啟噴霧控制閥 1，然后開始計(jì)時(shí)，記錄開啟時(shí)間并計(jì)算回差值。當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度低于回差值時(shí)，關(guān)閉控制閥1。

4.2 噴霧控制閥 2 的控制

噴霧控制閥 2 的控制如圖 7 所示。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先讀取系統(tǒng)參數(shù)，并讀取粉塵質(zhì)量濃度傳感器2 的數(shù)值，判斷是否超過限值。若超過限值，則開啟噴霧控制閥 2，然后開始計(jì)時(shí)，記錄開啟時(shí)間并計(jì)算回差值。當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度低于回差值時(shí)，監(jiān)測噴霧控制閥 1 的狀態(tài)，若控制閥 1 處于關(guān)閉狀態(tài)，則關(guān)閉控制閥 2。

圖7 噴霧控制閥 2 的控制Fig.7 Control of spray control valve 2

4.3 軟件抗干擾

為了提高傳感器的測量精度，在軟件程序上設(shè)計(jì)了多種抗干擾方式：①使用軟件冗余技術(shù)，循環(huán)多次采樣、處理和控制輸出，減少偶然因素的干擾；② 使用時(shí)間監(jiān)視器，在軟件中設(shè)置 1 個(gè)定時(shí)器，當(dāng)程序遭到干擾，進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)時(shí)，不會觸發(fā)定時(shí)器的復(fù)位程序，并有 1 個(gè)溢出信號輸出，使用這個(gè)溢出信號，就能使程序恢復(fù)到初始狀態(tài)；③在采集熱釋電傳感器的信號時(shí)，采用多次重復(fù)采集的方法，直到連續(xù) 5 次以上結(jié)果完全一致，方可確定為信號采集有效[14-17]。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)算法的準(zhǔn)確性以及實(shí)用性，在棗礦集團(tuán)高莊煤礦進(jìn)行現(xiàn)場測試。根據(jù)礦上情況將粉塵設(shè)限值設(shè)為 30 mg/m3(可任意設(shè)置)，工人經(jīng)過時(shí)，噴霧控制閥關(guān)閉時(shí)間設(shè)為 20 s。噴霧控制閥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所列。

表1 噴霧控制閥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of spray control valves

從表 1 可以看出，當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度高于設(shè)定值時(shí)，立即打開噴霧控制閥進(jìn)行噴霧降塵，并記錄控制閥開啟時(shí)間，計(jì)算回差值；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度低于回差值時(shí)，關(guān)閉控制閥；當(dāng)有人經(jīng)過水幕時(shí)，控制閥會關(guān)閉 20 s 再重新開啟。

6 結(jié)語

基于粉塵質(zhì)量濃度的自動(dòng)噴霧降塵監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路和編寫相應(yīng)軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)噴霧功能。在高莊煤礦的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)定的粉塵質(zhì)量濃度設(shè)限值自動(dòng)開關(guān)噴霧水幕，既能及時(shí)降低現(xiàn)場的粉塵質(zhì)量濃度，又能有效地節(jié)約用水，保護(hù)煤礦水資源。