礦山毒害氣體電氣自動化控制研究

張真豪

(重慶城市科技學(xué)院,重慶 400000)

隨著采礦工藝的發(fā)展與進步,礦山生產(chǎn)產(chǎn)量逐步提高,但也存在一定的安全隱患。礦產(chǎn)資源生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生許多刺激性氣體,具有腐蝕性、強毒性,經(jīng)呼吸道進入人體會造成急性中毒。刺激性氣體會對眼、呼吸道黏膜、皮膚等產(chǎn)生損害,一般以局部損害為主,但也可能引起全身反應(yīng),故各種毒害氣體檢測方法應(yīng)運而生。以單片機為核心的毒害氣體檢測儀是其中之一,可實現(xiàn)數(shù)字化自動控制。

1 電氣自動化控制

電氣自動化控制是煤礦生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的技術(shù),利用計算機技術(shù)實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的信息化、電子化[1]。將電氣自動化控制系統(tǒng)與機電設(shè)備相結(jié)合,通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對機電設(shè)備的控制,完成對煤礦毒害氣體的探測控制。電力自動控制系統(tǒng)功能多樣,包括自動控制、動態(tài)監(jiān)控保護等[1],其特性主要體現(xiàn)在以下幾方面：①有某種相容特性。人們對煤的需求越來越大,礦井從淺層向深部推進,礦井工作環(huán)境與工作條件尤為復(fù)雜,這對電力系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。雖然各種電氣設(shè)備的應(yīng)用范圍及功率各不相同,但電氣自動化控制系統(tǒng)可對這些設(shè)備展開統(tǒng)一控制,使其發(fā)揮出更好的協(xié)同效果[3]。此外,系統(tǒng)自身兼容性較好,能夠提升采礦效率,保證采礦的正常進行。②以智能為特色。大部分礦井都在向著自動化方向發(fā)展,從自動化生產(chǎn)向智能化方向轉(zhuǎn)變,運作過程需根據(jù)設(shè)定的步驟有條不紊地展開工作,對運作階段的控制數(shù)據(jù)進行全面分析,不斷優(yōu)化采礦計劃,提升采礦效率,降低安全危險。

2 礦山毒害氣體探測車的硬件設(shè)計

2.1 方案確定

礦山開采中有大量的有害氣體,會對眼睛、呼吸道黏膜及皮膚產(chǎn)生一定的刺激,這是一種普遍的毒性效應(yīng),臨床上多表現(xiàn)為局灶性損傷,但亦可出現(xiàn)全身性損傷。三酸蒸汽不僅會對氣道黏膜造成嚴(yán)重的傷害,還會造成皮膚灼傷,如果長時間暴露在較小的酸霧中,會對牙體造成一定的傷害,導(dǎo)致牙體酸蝕。氯化物、氨氣、二氧化硫、三氧化硫具有很強的溶解性,一旦接觸到潮濕的地方就會造成傷害,如果吸入這種氣體,會在上呼吸道黏膜中分解,對黏膜造成嚴(yán)重傷害,導(dǎo)致上呼吸道黏膜充血、水腫,分泌增加,還會出現(xiàn)一些化學(xué)性炎癥反應(yīng),如流涕、喉癢、嗆咳等情況。氮氧化物、光氣等具有極低的可溶度,經(jīng)過上呼吸道時幾乎不會產(chǎn)生水解反應(yīng),故對黏膜的刺激性較弱,但如果進入到肺部,就會慢慢與肺部表面的水分發(fā)生反應(yīng),對肺部造成強烈的刺激及侵蝕,甚至引起肺部水腫,因此研究以單片機為核心的毒害氣體檢測儀系統(tǒng)十分必要。目前,可燃物燃燒煙氣體積分?jǐn)?shù)在誤差允許范圍內(nèi)可擬合為二次高斯分布形式,燃燒產(chǎn)生的CO值輸出信號服從高斯分布[4]。在受限空間要實現(xiàn)毒害氣體檢測需建立多種氣體傳感器組成的探測系統(tǒng),以提升其穩(wěn)定性與可靠性,降低誤報率[5]。受限空間事故探測儀可執(zhí)行有毒有害氣體的檢測,降低礦山安全事故發(fā)生率[6]。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計由STC89C52單片機電路+LCD1602液晶顯示電路+A/D采樣PCF8591電路+蜂鳴器報警電路+LED指示燈電路+按鍵電路+MQ-2煤氣傳感器電路+電源電路組成。LCD1602液晶實時顯示當(dāng)前的煤氣濃度顯示,當(dāng)濃度為0～20 ppm時,綠燈亮;當(dāng)濃度達到20 ppm時,黃燈亮;當(dāng)濃度超過設(shè)置值時,紅燈亮。通過按鍵設(shè)置煤氣濃度閾值,超過設(shè)置閾值時,蜂鳴器報警。

系統(tǒng)具體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

方案一：運用可進行變成的邏輯器件作為控制中心,這種控制器可完成很多復(fù)雜的功能,規(guī)模巨大,體積較小,穩(wěn)定性較強,資源全面,能夠延展出許多新功能。采用共同輸入輸出的辦法增加系統(tǒng)處理速度,使之成為大規(guī)?？刂频暮诵?其對數(shù)據(jù)處理要求較低,但從經(jīng)濟角度來說并不適用。

方案二：運用STC企業(yè)生產(chǎn)的單片機作為主要控制核心,控制器功能消耗及功率較低,投入較少,符合項目需求。

方案三：運用單片機芯片,聯(lián)合處理信號裝置耗能低,體積小,使用方便,滿足實踐需求,但成本太高,故舍棄。

選擇方案二。

2.3 模塊電路的設(shè)計

STC89C52耗能低,功能強大,具有很強的控制功能,擁有8 k字節(jié),可對某些動畫進行存儲。采用最經(jīng)典的內(nèi)核并進行改進,增加了新功能。當(dāng) CPU處于閑置時,停止運行,讓其他設(shè)備進入下一階段。采用減電保護,將數(shù)據(jù)存儲到RAM中,運行結(jié)束后進入下一階段或硬件響應(yīng),運行頻率為35 Hz。STC89C52單片機最小的體系由三部分電路構(gòu)成,即時鐘、復(fù)位、電源。運行原理如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of microcontroller minimum system

圖3 STC89C52單片機引腳Fig.3 STC89C52 MCU pin

VCC與GND提供電量來源。復(fù)合電路由一個按鍵、電容量及電阻構(gòu)成,具有人工按鈕復(fù)位及上電自動復(fù)位功能。系統(tǒng)檢驗到電壓升高時間,將電阻與地面連成一條通路,把高電壓變?yōu)榈碗妷?完成電位復(fù)位。時鐘電路由Y1C1C2構(gòu)成,其對于單片機來說非常重要,單片機每一個指令的開始及停止都源于時鐘電路,時鐘電路為其提供時鐘周期,保障單片機內(nèi)部指令有序進行。時鐘電路由晶振組成,搭配電容起振。晶振分為有源晶振和無源晶振,這兩種晶振在產(chǎn)品成本及性能等方面都存在差異。在電路設(shè)計中,電容容量值決定了晶振是否可以正確起振,設(shè)計電路時,需查閱晶振數(shù)據(jù)手冊來搭配起振電容。XTAL1和XTAL2分別是時鐘電路引腳反相放大器的輸入端和輸出端,當(dāng)外部時鐘脈沖信號作用在XTAL1時,XTAL2會出現(xiàn)懸空。晶振的頻率通常選擇1～24 MHz,而電容一般會以30PF為最佳容量值。JD1為單片機的下載接口。

2.4 模塊電路設(shè)計

2.4.1 STC89C52單片機核心系統(tǒng)電路設(shè)計

STC89C52RC由STC企業(yè)生產(chǎn)研發(fā),耗能低,功能強,具有很強的控制功能,有8 k的字節(jié)體系,可編程一些動畫儲存。其運用最經(jīng)典的內(nèi)核并做了很多改進,單個芯片包括動畫功能為8個字節(jié),RAM為512個字節(jié),具有定時裝置、復(fù)合電路、計數(shù)裝置,可令兩種不同軟件同時處于節(jié)電模式。在空閑狀態(tài)下,CPU中斷工作狀態(tài),允許其他設(shè)施繼續(xù)工作。電量低時,RAM內(nèi)容被保存起來,振蕩器被凍結(jié),操作完成后,下一步工作終止或硬件回應(yīng),運轉(zhuǎn)頻率可達35 Hz。

2.4.2 5 V電源電路設(shè)計

運用5 V直流電源供電,線路較為簡單、平穩(wěn)。電源為DC插座,可直接接USB電源線,一端插在DC插座上,另外一端插在5 V電源上。紅色指示燈用于檢驗系統(tǒng)是否有足夠的電量,電阻用于防止電流過大燒壞指示燈。自動鎖上開關(guān),按下開關(guān)后燈亮,這時出現(xiàn)直流電流。再次按下開關(guān)后紅燈滅,5 V電源可以輸出。

2.4.3 按鍵電路設(shè)計

這種按鍵具有連接中點的作用,其控制機制默認(rèn)為高電壓,按下按鍵后變成低電壓,實現(xiàn)對系統(tǒng)的手動輸入。電路原理如圖5所示。

圖5 按鍵電路原理Fig.5 Key circuit principle

3 結(jié)束語

礦山毒害氣體探測控制系統(tǒng)可對氣體進行檢測并報警,包括探測裝置、傳播信息裝置、控制裝置、報警裝置、分析裝置。20世紀(jì)60年代,日本開發(fā)了室內(nèi)煤氣泄露報警裝置,將其改良后的產(chǎn)品推向市場,可裝在浴室,防止有害氣體泄露。我國對煤氣泄露報警裝置的研究起步較晚,但很多技術(shù)取得了突破,不過成熟產(chǎn)品較少,需設(shè)計可應(yīng)用于礦山毒害氣體探測的裝置,提升礦區(qū)安全性。

在礦山開采過程中,電氣自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,具有良好的兼容性、集成性及智能性,可提升礦山開采效率及開采質(zhì)量。需繼續(xù)完善礦井電控系統(tǒng)設(shè)計,從設(shè)備選型、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計入手,提升其性能與功能,滿足礦井生產(chǎn)需求,促進礦井的可持續(xù)發(fā)展。