基于物聯(lián)網(wǎng)的霧化降塵效果優(yōu)化研究

安然然，路晨賀，張蔓蔓

(沈陽化工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

礦石在處理過程中要經(jīng)過粗碎、中細碎及篩分等過程，粗碎后要輸送到中細碎車間再次粉碎.在進一步的粉碎過程當(dāng)中，礦料是通過皮帶進行運輸?shù)?，因為皮帶振動使附著在礦料表面的粉塵會逐漸擴散污染環(huán)境.當(dāng)前的策略是在皮帶上每隔一段距離進行噴水降塵，但是對于噴水間隔距離以及噴水量的設(shè)定基本是采用定點、定量噴水，裝置安置如圖1所示.因為礦石在不同的處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生粉塵的程度不同，譬如礦石在粗碎后，礦料直徑較大，破碎中產(chǎn)生的粉塵也較少，因此,在皮帶運輸中如果采用定點、定量噴水，往往造成礦料過濕或噴淋量、水電大量浪費；而在篩分車間處理階段，因為礦料已經(jīng)通過細碎環(huán)節(jié)，粉塵顆粒特別多，如果也是采用固定的定點定量方式，往往產(chǎn)生兩種結(jié)果：如果兩次噴水點過于近，雖然降低了灰塵，但是導(dǎo)致礦料過濕，容易使礦料黏在皮帶上，造成皮帶跑偏；如果噴水距離過遠，又會導(dǎo)致降塵效果不理想.

圖1 定點定量的霧化降塵裝置安置

目前礦業(yè)部門針對礦料處理及輸送過程中產(chǎn)生的粉塵，大多采用的是定點定量的霧化降塵技術(shù)，并且?guī)缀跛械慕祲m操作都是人工的[1]，因此，在礦料的整個處理及輸送流程中降塵效果不是很明顯.本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對礦石在粗碎后轉(zhuǎn)運到中細碎的過程、中細碎轉(zhuǎn)運到篩分車間的過程進行監(jiān)控，監(jiān)測粉塵的發(fā)散規(guī)律，根據(jù)規(guī)律選取合適的距離設(shè)置降塵點，并根據(jù)降塵點的粉塵采集程度決定當(dāng)下降塵點的噴淋量及下一個降塵點的噴淋量，合理調(diào)節(jié)前后降塵點的噴淋量，保證最佳降塵程度下的轉(zhuǎn)運皮帶上噴淋用水量最小.

1 分析系統(tǒng)的設(shè)計方案

分析系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖2所示.它模仿了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中的三層結(jié)構(gòu)，可以更加規(guī)范化地處理各個系統(tǒng)層級之間的任務(wù)分配.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的接入層是由系統(tǒng)中的粉塵監(jiān)測節(jié)點充當(dāng)，匯聚層是由粉塵濃度匯總節(jié)點充當(dāng)，核心層是由主控計算機和下位機來充當(dāng).粉塵監(jiān)測點以網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)當(dāng)中的星形拓撲結(jié)構(gòu)與匯總節(jié)點連接，匯總節(jié)點與主控計算機之間以無線方式進行通信.監(jiān)測點由物聯(lián)網(wǎng)傳感器、STM32微處理器以及振動能量收集供電模塊構(gòu)成.其主要作用是采集礦料在輸送過程中各監(jiān)測點的粉塵濃度及濕度，并且經(jīng)過處理后將粉塵濃度通過CAN總線傳輸?shù)絽R總節(jié)點.粉塵濃度匯總節(jié)點由高性能、主頻為168 MHZ、FLASH高達2 MHz的微處理器STM32F429，無線通信模塊CC2430[2]以及振動能量收集供電模塊構(gòu)成.其主要作用是對各個監(jiān)測點的粉塵濃度進行匯總并通過無線通信傳送到主控機，并且傳送主控機發(fā)送下位機的控制命令.主控計算機是由工業(yè)級計算機組成.其作用是接收各個匯總節(jié)點的粉塵濃度信息，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，對各個監(jiān)測點的粉塵濃度進行實時處理與粉塵濃度的實時顯示，相應(yīng)地對各個監(jiān)測點進行參數(shù)設(shè)置.

圖2 粉塵濃度采集與控制的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 分析系統(tǒng)硬件設(shè)計

分析系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括3大部分：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)匯總模塊以及主控模塊.DSM501A是數(shù)據(jù)采集模塊的核心，主要采用離子計數(shù)原理，可監(jiān)測到直徑1 μm以上的粒子，監(jiān)測靈敏度高，內(nèi)置加熱器可實現(xiàn)自動吸入空氣，而且它尺寸小、重量輕，易于安裝使用，可以準(zhǔn)確地采集皮帶廊關(guān)鍵節(jié)點的粉塵數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)匯總模塊以CC2430為核心，CC2430是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片[3]，其作用是為了解決礦區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)匯總模塊與控制中心連線問題，它可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總模塊到控制中心數(shù)據(jù)的無線高速傳輸.

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)主要是針對礦料處理及輸送流程中粉塵擴散程度的研究，所以，粉塵濃度的采集是重中之重.霧化降塵裝置放置的合理度決定了粉塵濃度采集的準(zhǔn)確度，進而決定了降塵策略的合理性.數(shù)據(jù)采集模塊是由STM32微控制器與DSM501A粉塵濃度傳感器構(gòu)成.DSM501A粉塵傳感器可以根據(jù)采集的粉塵濃度信息產(chǎn)生脈沖信號.該裝置共有5個引腳.其中1腳作為控制腳，外接電阻調(diào)節(jié)4腳的靈敏度.輸出腳為2腳和4腳，區(qū)別在于其監(jiān)測粉塵顆粒的范圍不同：2腳的監(jiān)測粒子的最小粒徑為1 μm，而4腳的監(jiān)測粒子的最小粒徑為2.5 μm.3腳接5 V的電源，5腳接地.DSM501A的工作電壓是(5.0±0.5)V,最大工作電流為90 mA.當(dāng)監(jiān)測到1 μm以上的粒子時，會輸出0.7 V左右的低電壓，當(dāng)沒有粒子時，輸出的是4.5 V左右的高電壓.但是STM32微控制器的最大輸入電壓為3.6 V，所以，PWM信號不能直接輸入到STM32微控制器，必須要經(jīng)過降壓電路處理，這里使用如圖3所示的經(jīng)典運放降壓電路對PWM信號進行降壓處理.

圖3 運放降壓電路

如圖3所示，輸入信號是指DSM501A輸出的信號，將滑動變阻器處的電壓調(diào)整為4.5 V.當(dāng)DSM501A信號為0.7 V時，輸出信號輸出0 V，完成了對DSM501A信號的降壓處理；當(dāng)DSM501A信號為4.5 V時，輸出信號輸出3.6 V.

2.2 數(shù)據(jù)匯總模塊

粉塵濃度匯總節(jié)點的硬件設(shè)計如圖4所示.它主要由STM32F429微控制器、ZigBee通信以及振動能量收集[4]供電3大模塊構(gòu)成.

圖4 粉塵濃度匯總節(jié)點的硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)匯總模塊是系統(tǒng)中不可或缺的部分，因為STM32F429的主頻可達140 MHz，在整個系統(tǒng)起過度作用.它將粉塵濃度監(jiān)測節(jié)點發(fā)送信息匯總到一起，高速地將其發(fā)送到主控機，而且也會傳送主控機反饋回來的控制命令到下位機，保證整個系統(tǒng)的高效性，提高了系統(tǒng)的決策效率.

3 分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計

對礦料處理及輸送流程中粉塵擴散程度的研究，軟件設(shè)計十分重要.軟件功能的豐富性決定了整個研究的靈活性.分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括：程序運行主函數(shù)、數(shù)據(jù)有效性檢測函數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)以及曲線繪制函數(shù).其中程序流程如圖5所示.該軟件用C#語言編寫，應(yīng)用導(dǎo)入Microsoft操作Excel相關(guān)類、加載COM組件支持庫、建立Application應(yīng)用實例對象等技術(shù)[5]，并且使用了SQLsever關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，可以設(shè)置數(shù)據(jù)查詢權(quán)限，提高了系統(tǒng)的安全性.生成的頁面如圖6所示，其具有靈活修改系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)用數(shù)據(jù)、歷史查詢等功能，并且設(shè)有數(shù)據(jù)庫管理按鈕，管理員可以通過賬號密碼對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行增刪改查的有效操作.

圖5 霧化降塵系統(tǒng)軟件設(shè)計的程序流程

圖6 霧化降塵系統(tǒng)的軟件界面

4 應(yīng)用結(jié)果分析

為了對礦料處理及輸送流程中粉塵擴散程度的系統(tǒng)研究，設(shè)置霧化降塵裝置[6]合理放置位置，分別對從礦料粗碎到中細碎輸送過程及從中細碎過程到篩分輸送過程進行監(jiān)測.

4.1 粉塵數(shù)據(jù)采集

礦料在經(jīng)過粗碎過程后直徑大約是100 mm，但是在經(jīng)過中細碎的過程中直徑將會被處理為幾十毫米甚至幾毫米，所以，在皮帶的輸送過程中將會產(chǎn)生大量的粉塵，并且由于皮帶的振動會產(chǎn)生粉塵的擴散，影響礦區(qū)的環(huán)境質(zhì)量.故對礦料從粗碎到中細碎輸送過程設(shè)定了如下放置策略：礦料經(jīng)過粗碎處理之后進行噴淋處理，以5 m為距離單位，分別在距離粗碎后5 m、10 m、15 m等處設(shè)置監(jiān)控點，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器(粉塵濃度傳感器)采集各個監(jiān)控點的粉塵濃度，得到的粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)如表1所示，其中A、B是粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測點.但是從中細碎到篩分車間輸送過程中由于礦料的粒度更小，所產(chǎn)生的粉塵量增多，所以采用更加精細的采樣策略：礦料在經(jīng)過中細碎處理之后進行噴淋處理，以3 m為距離單位，分別在距離中細碎后3 m、6 m、9 m、12 m等處設(shè)置監(jiān)控點，采集各點的粉塵質(zhì)量濃度，得到從中細碎到篩分車間輸送過程中的粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，如表2所示.

表1 從粗碎到中細碎輸送過程中粉塵質(zhì)量濃度隨傳輸距離變化的數(shù)據(jù)

表2 從中細碎到篩分車間輸送過程中粉塵質(zhì)量濃度隨傳輸距離變化的數(shù)據(jù)

Table 2 Data on the change of dust concentration with transmission distance in the course of transportation from medium and fine crushing to sieve workshop

距離/m粉塵質(zhì)量濃度/(mg·m-3)AB31731596236263957642612821765157156471854337521214243243053662718720530215177

粉塵質(zhì)量濃度采集后，利用粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)分析以上兩個輸送過程粉塵質(zhì)量濃度隨傳輸距離的變化規(guī)律，為霧化降塵裝置制定了相應(yīng)的安置策略.對各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行采集，研究策略應(yīng)用前后礦料從粗碎到中細碎輸送過程以及從中細碎到篩分車間輸送過程的粉塵質(zhì)量濃度變化，并繪制曲線，分別如圖7和圖8所示.對不同天氣的粉塵擴散程度隨輸送距離的變化規(guī)律進行研究，分別制定相應(yīng)策略，經(jīng)過策略的反復(fù)調(diào)整，整個系統(tǒng)得到了預(yù)期的效果.

圖7 策略應(yīng)用前后礦料從粗碎到中細碎輸送過程中粉塵質(zhì)量濃度的對比曲線

圖8 策略應(yīng)用前后礦料從中細碎到篩分車間輸送過程中粉塵質(zhì)量濃度的對比曲線

4.2 粉塵數(shù)據(jù)分析

為了合理設(shè)計霧化降塵裝置的安置策略，系統(tǒng)地分析了從粗碎到中細碎輸送過程中粉塵濃度.可以看出從距離粗碎車間5～15 m這段距離上，粉塵擴散程度逐漸增加，到達15 m時粉塵濃度達到峰值505 mg/m3，之后粉塵濃度隨傳輸距離的增長粉塵濃度逐漸降低，但是每個單位距離段內(nèi)粉塵濃度的擴散程度是不同的.為此在距離粗碎車間10 m處之前安置一個霧化降塵裝置；經(jīng)過重復(fù)的粉塵濃度采集并對其粉塵數(shù)據(jù)進行分析，分別在距離粗碎車間15 m和25 m處之前安置了霧化降塵裝置.最終得出了如圖7所示的降塵策略應(yīng)用前后的粉塵濃度對比曲線，可以清晰地看出該降塵系統(tǒng)的降塵效果非常明顯.經(jīng)過對粉塵濃度數(shù)據(jù)的計算，降塵策略應(yīng)用前后粉塵濃度的均值降低了152 mg/m3，更加顯示出降塵策略的優(yōu)越性.

系統(tǒng)地分析了從中細碎到篩分車間輸送過程中粉塵質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù).粉塵質(zhì)量濃度分別在距離中細碎車間3～12 m和15～18 m兩段區(qū)域內(nèi)呈上升趨勢且達到峰值，其中最高值為730 mg/m3，最低值為370 mg/m3.因此，應(yīng)該在粉塵濃度第一次上升之前安置霧化降塵裝置，要在距離中細碎車間3 m處安置霧化降塵裝置；經(jīng)過多次對粉塵濃度采集之后，確定了在距離中細碎車間篩分車間的9 m、15 m、21 m以及30 m處之前安置霧化降塵裝置.最終得到了如圖8所示的粉塵濃度對比曲線，充分證明了該霧化降塵系統(tǒng)的高效性、靈活性和準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了礦山降塵的自動化設(shè)計.

5 結(jié) 論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟以及工業(yè)自動化的逐步推進，本系統(tǒng)在硬件和軟件兩個方面設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的粉塵濃度采集電路，可以實時獲取礦料處理及輸送過程當(dāng)中各指定節(jié)點的粉塵濃度，并對其進行系統(tǒng)的分析研究，得出合理霧化降塵裝置的安置策略.克服了礦山內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸速率低、環(huán)境質(zhì)量差以及降塵用水浪費嚴(yán)重的問題.經(jīng)過實踐證明該研究顯著提高了霧化降塵系統(tǒng)的實用性，并且是一個低造價、安裝簡單、容易維護、自動化程度高的系統(tǒng).