自动喷雾降尘监测系统研究

2020-03-27

矿山机械 2020年1期

中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆 400037

粉尘是煤矿职业病的主要危害因素，是导致尘肺病的根源[1-2]。目前大多数煤矿采用喷雾来进行降尘。采用定时喷雾或人工控制喷雾等控制方式存在 2 种后果：①大量供水浪费、影响煤质；② 水量不足，粉尘防治效果差，煤矿工人患尘肺病几率上升[3-6]。通过实时监测矿井的粉尘质量浓度，决定喷雾的开停和水量的控制，既可以高效喷雾降尘，降低煤矿井下浮游粉尘质量浓度，降低煤矿粉尘灾害，又可以有效地节约防尘供水。同时不影响煤矿工人正常的生产作业，保证工人的人身安全，降低工人的发病概率。喷雾装置能够根据尘源质量浓度改变喷雾量，合理利用水资源，利于环保。

1 方案设计

自动喷雾降尘监测系统如图 1 所示。其包括 2台粉尘质量浓度传感器、2 台热释电传感器，2 套核心主控单元。2 台粉尘质量浓度传感器、2 台热释电传感器分别在矿井巷道的上、下风侧按一定距离布置。

图1 自动喷雾降尘监测系统Fig.1 Automatic spray dust reduction and monitor system

自动喷雾降尘监测系统根据现场粉尘质量浓度、布置距离、上下粉尘质量浓度的差值，设定矿井区域粉尘质量浓度标准限值，经主控单元闭环控制算法的综合分析，自动控制喷雾控制阀的开启或关闭，进行喷雾降尘，并根据降尘时间自动调整喷雾，达到高效喷雾降尘效果。该系统可以监测有无人员经过，从而达到人性化喷雾降尘。

2 闭环控制算法

主控单元的闭环控制算法主要根据粉尘质量浓度传感器的实时数据、热释电传感器的数据、喷雾区域浓度的最高设置值和 2 台粉尘质量浓度传感器之间的距离，自动开启或关闭喷雾控制阀来降低现场的粉尘质量浓度。

2.1 粉尘质量浓度传感器

粉尘质量浓度传感器采用交流耦合式电荷感应原理检测粉尘质量浓度。当粉尘颗粒流经感应电极时，在电极上感应出交变信号，此信号经过放大、滤波和 A/D 转换，送入 MCU，经过 MCU 处理，将粉尘质量浓度显示并向外传输。传感器的测量范围为 0.1～1 000 mg/m3，测量误差为±10%。

2.2 喷雾控制阀 1 的动作控制

主控单元每隔 1 s 采样 1 次粉尘质量浓度传感器1 的数值，当连续 10 次均大于最高设限值时，开启喷雾控制阀 1。针对部分煤矿现场粉尘质量浓度波动较大的情况，主控单元可自动调整判断频次，减少异常干扰带来的影响。如果此时有工人经过喷雾区域，就会触发热释电传感器，从而关闭喷雾控制阀 1。延时一段时间，待工人通过喷雾区域后，再开启喷雾控制阀 1。粉尘质量浓度降低到安全水平后，关闭喷雾控制阀 1。为了防止粉尘质量浓度在设定值附近时，喷雾控制阀 1 频繁开关，设置了粉尘质量浓度回差值。当粉尘质量浓度连续 10 次均低于回差值时，关闭喷雾控制阀 1。

粉尘质量浓度的回差比例

式中：N为回差比例；t为喷雾控制阀开启时间，min。

粉尘质量浓度回差值

式中：H为回差值，mg/m3；B为设限值，mg/m3。

2.3 喷雾控制阀 2 的动作控制

主控单元每隔 1 s 采样 1 次粉尘质量浓度传感器2 的数值，当连续 10 次均大于最高设限值时，开启喷雾控制阀 2。如果此时有工人经过喷雾区域，就会触发热释电传感器，从而关闭喷雾控制阀 2。延时一段时间，待工人通过喷雾区域后，再开启喷雾控制阀2。为了防止粉尘质量浓度在设定值附近时，喷雾控制阀 2 频繁开关，设置粉尘质量浓度回差值。当粉尘质量浓度连续 10 次均低于回差值时，监测喷雾控制阀 1 的状态，当喷雾控制阀 1 处于开启状态时，喷雾控制阀 2 才开启进行喷雾，进一步降低作业场所的粉尘质量浓度；当喷雾控制阀 1 处于关闭状态时，喷雾控制阀 2 也关闭。

3 主控单元的硬件设计

主控单元的硬件电路原理如图 2 所示，主要包括MCU、通信电路、开关量采集电路、控制阀驱动电路、时钟电路和显示电路等。

3.1 MCU

MCU 是主控单元的处理核心，负责处理粉尘质量浓度传感器和热释电传感器的数据，实现闭环控制算法的处理，实现控制喷雾控制阀的开关。要求在极短的时间内完成信号采集和算法处理，因此 MCU 需要有较大的存储空间和较快的运行速度。STM32F103是基于 Cortex-M3 核心的 32 位微控制器，具有强大的事务处理功能。该芯片采用 3.3 V 供电，可工作于低功耗模式，可以满足主控单元的功能需求[7]。

图2 主控单元的硬件电路原理Fig.2 Hardware circuit principle of master control unit

3.2 通信电路

由于粉尘质量浓度传感器具有频率和数字 2 种信号输出形式。其中，200～1 000 Hz 的频率信号传输在将粉尘质量浓度转化为频率信号时，理论计算会有小数产生，而频率输出又只能输出整数的频率信号，在实际应用中会对理论计算的频率进行处理，因此，在传输中会存在一定的误差，而 RS-485 串行通信可采用四字节整形数和浮点数之间的精确转化，实现小数的精确传输，从而减小误差。因此，主控单元采用 RS-485 串行通信方式与粉尘质量浓度传感器进行通信。RS-485 通信电路如图 3 所示。主控单元的数据通信芯片采用 SN75LBC184。该芯片的驱动器采用限斜率的方式，输出信号的边沿不会太抖，传输线上的高频分量会大大减少，从而降低外界信号产生的干扰，信号传输更加准确。该芯片能承受的静电放电冲击电压高达 8 kV，无需再添加抗浪涌的 TVS 瞬态杂波抑制器等保护措施，电路设计简单可靠[8-11]。

3.3 开关量采集电路

由于热释电传感器是 5 V 信号输出，而 STM 32F103 是采用 3.3 V 供电，因此，开关量采用光耦芯片实现光电隔离和电平转换，然后将转换后的电平信号送入 MCU 的 I/O 端口进行采集。当采集到高电平时，判定接收到工人经过信息。开关量采集电路如图4 所示。

图4 开关量采集电路Fig.4 Switching value acquisition circuit

3.4 控制阀驱动电路

由于喷雾控制阀需要 36 V 供电，MCU 无法直接驱动控制阀，主控单元采用固态继电器来间接驱动控制阀。喷雾控制阀驱动电路如图 5 所示。MCU 控制 I/O 口与固态继电器之间采用三极管及外围电路进行信号处理，提高驱动能力。当 I/O 口输出高电平时，固态继电器导通，将 36 V 电压加载到控制阀上开启控制阀；当 MCU 的控制 I/O 口输出低电平时，固态继电器断开，从而关闭控制阀。因此，只要改变MCU 的控制 I/O 口的输出状态，就可以实现喷雾控制阀的开启与关闭。

图5 喷雾控制阀驱动电路Fig.5 Drive circuit for spray control valve

3.5 时钟电路

为了统计控制阀的开启时间来进行回差值的计算，主控单元选用 SD2201E 作为时钟电路主芯片。该芯片的时钟精度非常高，具有标准 IIC 接口，硬件电路设计简洁实用。在设计电路时，只需将 MCU 的I/O 口与 SD2405AL 的 SDA 和 SCL 相连即可，时钟的读取与修改可以通过程序实现[12]。同时为了使得SDA 和 SCL 能产生稳定的电平信号，需要在对应引脚上加上拉电阻。

4 软件设计

主控单元采用 ARM 嵌入式系统的软件进行编程，采用可固化、可裁剪、可剥夺型的 µC/OS-III 实时操作系统，来实现系统中粉尘质量浓度传感器和热释电传感器的数据读取、喷雾控制阀的控制、数据的存储以及结果的显示等。µC/OS-III 是一种源代码公开的操作系统，可以支持 64 个任务同时进行，在应用中具有稳定可靠、实时性好以及抗干扰能力强等优点[13]。

4.1 喷雾控制阀 1 的控制

图6 喷雾控制阀 1 的控制Fig.6 Control of spray control valve 1

喷雾控制阀 1 的控制如图 6 所示。系统开始运行时，首先读取系统参数，并读取粉尘质量浓度传感器1 的数值，判断是否超过限值。若超过限值，则开启喷雾控制阀 1，然后开始计时，记录开启时间并计算回差值。当粉尘质量浓度低于回差值时，关闭控制阀1。

4.2 喷雾控制阀 2 的控制

喷雾控制阀 2 的控制如图 7 所示。系统开始运行时，首先读取系统参数，并读取粉尘质量浓度传感器2 的数值，判断是否超过限值。若超过限值，则开启喷雾控制阀 2，然后开始计时，记录开启时间并计算回差值。当粉尘质量浓度低于回差值时，监测喷雾控制阀 1 的状态，若控制阀 1 处于关闭状态，则关闭控制阀 2。

图7 喷雾控制阀 2 的控制Fig.7 Control of spray control valve 2

4.3 软件抗干扰

为了提高传感器的测量精度，在软件程序上设计了多种抗干扰方式：①使用软件冗余技术，循环多次采样、处理和控制输出，减少偶然因素的干扰；② 使用时间监视器，在软件中设置 1 个定时器，当程序遭到干扰，进入某个死循环时，不会触发定时器的复位程序，并有 1 个溢出信号输出，使用这个溢出信号，就能使程序恢复到初始状态；③在采集热释电传感器的信号时，采用多次重复采集的方法，直到连续 5 次以上结果完全一致，方可确定为信号采集有效[14-17]。