礦用綜合自動(dòng)噴霧裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅小博，張 強(qiáng)

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

噴 霧是實(shí)現(xiàn)礦山各場(chǎng)所粉塵治理和火災(zāi)防控的 有效手段。一方面，通過(guò)向含塵空氣中噴灑霧滴，使噴出的霧滴與粉塵發(fā)生碰撞、截留、靜電等作用，從而實(shí)現(xiàn)降塵的目的[1]；另一方面，部分霧滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與空氣充分混合并迅速蒸發(fā)[2]，吸熱降溫，余下霧滴則增加空氣濕度；再者，密集的霧滴也有抑制或撲滅火勢(shì)的作用。隨著科技進(jìn)步，井下無(wú)人化、設(shè)備智能化已成為新的發(fā)展趨勢(shì)，而智能礦山建設(shè)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦井作業(yè)少人乃至無(wú)人化[3]。筆者設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)噴霧裝置，通過(guò)傳感器采集多種工況環(huán)境的相關(guān)信號(hào)交送控制單元，經(jīng)綜合分析后自動(dòng)控制噴霧動(dòng)作，裝置同時(shí)提供遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和手動(dòng)控制的功能，避免去現(xiàn)場(chǎng)操作，提升了井下噴霧作業(yè)的效率和無(wú)人化水平。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)噴霧裝置主要由主控箱、傳感器、控制閥門和噴霧架 4 部分構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。主控箱內(nèi)置主控電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以及本安電源，外接 6 種傳感器，可分別采集粉塵質(zhì)量濃度值、溫度值、濕度值、煙霧信號(hào)、熱釋光控信號(hào)、觸控信號(hào)以及聲控信號(hào)?？刂崎y門分為電磁閥和電動(dòng)球閥，能根據(jù)各種工況環(huán)境的不同水質(zhì)特點(diǎn)切換使用。

圖1 自動(dòng)噴霧裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of automatic spraying device

1.2 技術(shù)方案與實(shí)現(xiàn)路徑

主控箱原理框圖如圖 2 所示。主控電路采用單片機(jī)作控制核心，結(jié)合存儲(chǔ)器、日歷時(shí)鐘、RS485 通信、紅外遙控接收、液晶顯示等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示及數(shù)據(jù)的傳輸，并輸出控制信號(hào)，對(duì)執(zhí)行器件進(jìn)行控制。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以電源模塊和繼電器為核心，通過(guò)電源模塊將輸入端 127 V 交流電壓轉(zhuǎn)換為 24 V 直流電壓，繼電器根據(jù)控制電路發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)控制 24 V 是否輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥開關(guān)的控制。數(shù)據(jù)采取 RS485 通信，以適應(yīng)現(xiàn)有礦山通信標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)裝置以主控箱內(nèi)的主控電路為控制主體，采集各類傳感器的信號(hào)，處理、顯示、存儲(chǔ)，并根據(jù)應(yīng)用需求，開發(fā)相應(yīng)的工作模式軟件，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)所、模式可選的自動(dòng)噴霧功能。

圖2 主控箱原理框圖Fig.2 Block diagram of principle of main control box

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心處理單元

通常采用單片機(jī)、ARM、CPLD 及 DSP 幾種智能器件作核心控制單元。作為整個(gè)裝置的核心，主控電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴霧過(guò)程中的參數(shù)采集、處理、決策、執(zhí)行及通信等功能。自動(dòng)噴霧裝置采用 STC12C5A60S2 作為主控芯片。該主控芯片和 8051 指令、管腳完全兼容，對(duì)開發(fā)設(shè)備要求較低[4]。

2.2 數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制

數(shù)據(jù)采集及控制電路如圖 3 所示。485 信號(hào)采集電路采用包括 SN65LBC184、TLP521 在內(nèi)的集成芯片，通過(guò) RS485 方式接收和轉(zhuǎn)換來(lái)自粉塵質(zhì)量濃度傳感器、溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)信息。SN65LBC184 器件是 SN75176 交易標(biāo)準(zhǔn)封裝中的差分?jǐn)?shù)據(jù)線收發(fā)器，具有針對(duì)高能噪聲瞬變的內(nèi)置保護(hù)。TLP521 是可控制的光電耦合器件，用于減小電路干擾。

圖3 數(shù)據(jù)采集及控制電路Fig.3 Data collection and control circuit

開關(guān)量信號(hào)采集電路采用 LM393D 和 TLP521 光耦等組成接收開關(guān)量信號(hào) (光控、觸控、聲控傳感器) 的電路。開關(guān)量 (光控) 端輸入的信號(hào)電壓與基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生高、低兩種電平信號(hào)，最后傳輸給單片機(jī)，判斷是否接收到開關(guān)量信號(hào)。

2.3 電磁閥供電驅(qū)動(dòng)

電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖 4 所示。由單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)固態(tài)繼電器來(lái)控制電磁閥的供電，控制電磁閥的打開和關(guān)閉[5]。該電路使用的高速 CMOS 器件 SN74HC14，具有施密特觸發(fā)反相器的功能，處理后的信號(hào)控制固態(tài)繼電器的吸合或斷開，從而決定電磁閥是否得到供電。

圖4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路框圖Fig.4 Solenoid valve driving circuit

2.4 本安電源

主控電路采用 18.5 V 本安供電，外接各類傳感器也采用了 8.5、18.5 V 2 種電壓供電，而主控箱是直接從外部取 127 V 交流電，因此在箱體內(nèi)設(shè)計(jì)交流轉(zhuǎn)直流電路，其設(shè)計(jì)原理框圖如圖 5 所示。從外部接入的交流電壓經(jīng)電感濾波和第一次整流后，經(jīng) AC/DC 模塊轉(zhuǎn)換后輸出直流電壓，再經(jīng)二次整流濾波以及穩(wěn)壓處理，形成 8.5、18.5 V 的直流電壓，用于主控電路以及外部傳感器的供電。

圖5 8.5/18.5 V 本安電源設(shè)計(jì)原理Fig.5 Design principle of 8.5/18.5 V intrinsic safe power

3 軟件設(shè)計(jì)

采用 C 語(yǔ)言編寫裝置軟件，同時(shí)使用美國(guó) Keil 公司的 Keil C51 編譯器來(lái)編譯程序。主控電路共設(shè)計(jì)了 3 種可選工作模式。首先主控電器讀取工作模式、時(shí)間等系統(tǒng)參數(shù)，然后根據(jù)讀取的參數(shù)進(jìn)入相應(yīng)模式的工作狀態(tài)。

3.1 超限控制模式

在超限控制模式下，主控電路通過(guò)讀取粉塵質(zhì)量濃度值、溫度值和濕度值 (RS485 信號(hào))，比較其與設(shè)定閾值的大小，從而打開或關(guān)閉控制閥門。當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度高于設(shè)定閾值、溫度高于設(shè)定閾值、濕度低于設(shè)定閾值這 3 種條件中至少 1 種觸發(fā)，同時(shí)，控制電路未接收到光控信號(hào) (開關(guān)量信號(hào))，則控制閥門打開，開啟噴霧；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度高于設(shè)定閾值、溫度高于設(shè)定閾值、濕度低于設(shè)閾值這 3 種條件中至少 1 種觸發(fā)，同時(shí)，控制電路接收到光控信號(hào)，開啟延時(shí)。延時(shí)時(shí)間內(nèi)，控制閥門閉合，以停止噴霧。延時(shí)結(jié)束且期間未收到光控信號(hào)，再次回到判斷測(cè)量值是否超限的步驟。超限控制模式的軟件流程如圖 6 所示。

圖6 超限控制模式軟件流程Fig.6 Software program of over-limit control mode

3.2 觸發(fā)控制模式

在觸發(fā)控制模式下，當(dāng)主控電路接收到觸控、聲控、煙霧信號(hào) (開關(guān)量信號(hào))，開啟延時(shí)。延時(shí)時(shí)間內(nèi)，控制控制閥門打開，以開啟噴霧。延時(shí)時(shí)間結(jié)束且期間未收到觸控、聲控、煙霧信號(hào)，控制控制閥門閉合，停止噴霧。觸發(fā)控制模式的軟件流程如圖 7 所示。

圖7 觸發(fā)控制模式軟件流程Fig.7 Software program of triggering control mode

3.3 定時(shí)控制模式

在定時(shí)控制模式下，主控電路讀取當(dāng)前的時(shí)間值 (時(shí)、分)，判斷此時(shí)間值是否在設(shè)定噴霧時(shí)間段內(nèi)，從而打開或關(guān)閉控制閥門。當(dāng)時(shí)間值處于設(shè)定區(qū)間以內(nèi)，同時(shí)控制電路未接收到光控信號(hào)(開關(guān)量信號(hào))，則控制控制閥門打開，開啟噴霧；當(dāng)時(shí)間值處于設(shè)定區(qū)間以內(nèi)，同時(shí)控制電路接收到光控信號(hào)，開啟延時(shí)。延時(shí)時(shí)間內(nèi)，控制控制閥門閉合，停止噴霧。延時(shí)結(jié)束且期間未收到光控信號(hào)，再次回到判斷時(shí)間值是否處于設(shè)定區(qū)間內(nèi)的步驟。定時(shí)控制模式的軟件流程如圖 8 所示。

圖8 定時(shí)控制模式軟件流程Fig.8 Software program of timing control mode

4 測(cè)試結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)自動(dòng)噴霧裝置的工作環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，控制粉塵質(zhì)量濃度、溫度、濕度、時(shí)間以及各類觸發(fā)信號(hào)的值，以檢驗(yàn)裝置基于多種環(huán)境因素對(duì)噴霧動(dòng)作的自動(dòng)控制功能。自動(dòng)噴霧裝置在 3 種工作模式下的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)如表 1～ 3 所列。

表1 超限控制模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data in over-limit control mode

表2 觸發(fā)控制模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data in triggering control mode

表3 定時(shí)控制模式下的測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data in timing control mode

通過(guò)調(diào)整粉塵質(zhì)量濃度、溫度、濕度的值，使它們高于或低于設(shè)定閾值，同時(shí)控制光控信號(hào)的產(chǎn)生或消失，觀察控制閥門的開停動(dòng)作以及動(dòng)作的維持時(shí)間。由表 1 數(shù)據(jù)可以看出，裝置在超限控制模式下，當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度、溫度和濕度均不越過(guò)閾值時(shí)，控制閥門為關(guān)閉狀態(tài)；在粉塵質(zhì)量濃度、溫度和濕度中任一參數(shù)超過(guò)閾值，同時(shí)光控信號(hào)無(wú)觸發(fā)的條件下，控制閥門均為開啟狀態(tài)；在粉塵質(zhì)量濃度、溫度和濕度中任一參數(shù)超過(guò)閾值，同時(shí)光控信號(hào)觸發(fā)的條件下，控制閥門在延時(shí)時(shí)間內(nèi)保持關(guān)閉狀態(tài)，延時(shí)過(guò)后變?yōu)殚_啟狀態(tài)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

裝置在陜西、內(nèi)蒙、山西等省二十余座礦山投入了運(yùn)行，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裝置在巷道防降塵、輸送帶防降塵、輸送帶防滅火、作業(yè)區(qū)溫濕度控制等方面應(yīng)用效果良好。圖 9(a)、(b) 所示為裝置在榆林三道溝煤礦通過(guò)智能監(jiān)控平臺(tái)所展示的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。

圖9 自動(dòng)噴霧裝置在榆林三道溝煤礦的應(yīng)用Fig.9 Application of automatic spraying device in Yulin Sandaogou Coal Mine

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)研發(fā)的超限、定時(shí)、開關(guān)觸發(fā)功能于一體的自動(dòng)噴霧裝置，可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)粉塵質(zhì)量濃度、溫度、濕度、時(shí)間、煙霧、巷道人車經(jīng)過(guò)、輸送帶運(yùn)煤以及放炮等情況進(jìn)行統(tǒng)一的在線檢測(cè)和智能控制。自動(dòng)噴霧裝置在多座礦山實(shí)地應(yīng)用表明，其控塵效果顯著，有效提升了礦山在降塵、防滅火領(lǐng)域的自動(dòng)化、智能化水平。