自動噴霧降塵監測系統研究

中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400037

粉 塵是煤礦職業病的主要危害因素，是導致塵肺病的根源[1-2]。目前大多數煤礦采用噴霧來進行降塵。采用定時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、影響煤質；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]。通過實時監測礦井的粉塵質量濃度，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量濃度，降低煤礦粉塵災害，又可以有效地節約防塵供水。同時不影響煤礦工人正常的生產作業，保證工人的人身安全，降低工人的發病概率。噴霧裝置能夠根據塵源質量濃度改變噴霧量，合理利用水資源，利于環保。

1 方案設計

自動噴霧降塵監測系統如圖 1 所示。其包括 2臺粉塵質量濃度傳感器、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、下風側按一定距離布置。

圖1 自動噴霧降塵監測系統Fig.1 Automatic spray dust reduction and monitor system

自動噴霧降塵監測系統根據現場粉塵質量濃度、布置距離、上下粉塵質量濃度的差值，設定礦井區域粉塵質量濃度標準限值，經主控單元閉環控制算法的綜合分析，自動控制噴霧控制閥的開啟或關閉，進行噴霧降塵，并根據降塵時間自動調整噴霧，達到高效噴霧降塵效果。該系統可以監測有無人員經過，從而達到人性化噴霧降塵。

2 閉環控制算法

主控單元的閉環控制算法主要根據粉塵質量濃度傳感器的實時數據、熱釋電傳感器的數據、噴霧區域濃度的最高設置值和 2 臺粉塵質量濃度傳感器之間的距離，自動開啟或關閉噴霧控制閥來降低現場的粉塵質量濃度。

2.1 粉塵質量濃度傳感器

粉塵質量濃度傳感器采用交流耦合式電荷感應原理檢測粉塵質量濃度。當粉塵顆粒流經感應電極時，在電極上感應出交變信號，此信號經過放大、濾波和 A/D 轉換，送入 MCU，經過 MCU 處理，將粉塵質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 的動作控制

主控單元每隔 1 s 采樣 1 次粉塵質量濃度傳感器1 的數值，當連續 10 次均大于最高設限值時，開啟噴霧控制閥 1。針對部分煤礦現場粉塵質量濃度波動較大的情況，主控單元可自動調整判斷頻次，減少異常干擾帶來的影響。如果此時有工人經過噴霧區域，就會觸發熱釋電傳感器，從而關閉噴霧控制閥 1。延時一段時間，待工人通過噴霧區域后，再開啟噴霧控制閥 1。粉塵質量濃度降低到安全水平后，關閉噴霧控制閥 1。為了防止粉塵質量濃度在設定值附近時，噴霧控制閥 1 頻繁開關，設置了粉塵質量濃度回差值。當粉塵質量濃度連續 10 次均低于回差值時，關閉噴霧控制閥 1。

粉塵質量濃度的回差比例

式中：N為回差比例；t為噴霧控制閥開啟時間，min。

粉塵質量濃度回差值

式中：H為回差值，mg/m3；B為設限值，mg/m3。

2.3 噴霧控制閥 2 的動作控制

主控單元每隔 1 s 采樣 1 次粉塵質量濃度傳感器2 的數值，當連續 10 次均大于最高設限值時，開啟噴霧控制閥 2。如果此時有工人經過噴霧區域，就會觸發熱釋電傳感器，從而關閉噴霧控制閥 2。延時一段時間，待工人通過噴霧區域后，再開啟噴霧控制閥2。為了防止粉塵質量濃度在設定值附近時，噴霧控制閥 2 頻繁開關，設置粉塵質量濃度回差值。當粉塵質量濃度連續 10 次均低于回差值時，監測噴霧控制閥 1 的狀態，當噴霧控制閥 1 處于開啟狀態時，噴霧控制閥 2 才開啟進行噴霧，進一步降低作業場所的粉塵質量濃度；當噴霧控制閥 1 處于關閉狀態時，噴霧控制閥 2 也關閉。

3 主控單元的硬件設計

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、開關量采集電路、控制閥驅動電路、時鐘電路和顯示電路等。

3.1 MCU

MCU 是主控單元的處理核心，負責處理粉塵質量濃度傳感器和熱釋電傳感器的數據，實現閉環控制算法的處理，實現控制噴霧控制閥的開關。要求在極短的時間內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行速度。STM32F103是基于 Cortex-M3 核心的 32 位微控制器，具有強大的事務處理功能。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

由于粉塵質量濃度傳感器具有頻率和數字 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量濃度轉化為頻率信號時，理論計算會有小數產生，而頻率輸出又只能輸出整數的頻率信號，在實際應用中會對理論計算的頻率進行處理，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整形數和浮點數之間的精確轉化，實現小數的精確傳輸，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量濃度傳感器進行通信。RS-485 通信電路如圖 3 所示。主控單元的數據通信芯片采用 SN75LBC184。該芯片的驅動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生的干擾，信號傳輸更加準確。該芯片能承受的靜電放電沖擊電壓高達 8 kV，無需再添加抗浪涌的 TVS 瞬態雜波抑制器等保護措施，電路設計簡單可靠[8-11]。

3.3 開關量采集電路

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，開關量采用光耦芯片實現光電隔離和電平轉換，然后將轉換后的電平信號送入 MCU 的 I/O 端口進行采集。當采集到高電平時，判定接收到工人經過信息。開關量采集電路如圖4 所示。

圖4 開關量采集電路Fig.4 Switching value acquisition circuit

3.4 控制閥驅動電路

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

圖5 噴霧控制閥驅動電路Fig.5 Drive circuit for spray control valve

3.5 時鐘電路

為了統計控制閥的開啟時間來進行回差值的計算，主控單元選用 SD2201E 作為時鐘電路主芯片。該芯片的時鐘精度非常高，具有標準 IIC 接口，硬件電路設計簡潔實用。在設計電路時，只需將 MCU 的I/O 口與 SD2405AL 的 SDA 和 SCL 相連即可，時鐘的讀取與修改可以通過程序實現[12]。同時為了使得SDA 和 SCL 能產生穩定的電平信號，需要在對應引腳上加上拉電阻。

4 軟件設計

主控單元采用 ARM 嵌入式系統的軟件進行編程，采用可固化、可裁剪、可剝奪型的 μC/OS-III 實時操作系統，來實現系統中粉塵質量濃度傳感器和熱釋電傳感器的數據讀取、噴霧控制閥的控制、數據的存儲以及結果的顯示等。μC/OS-III 是一種源代碼公開的操作系統，可以支持 64 個任務同時進行，在應用中具有穩定可靠、實時性好以及抗干擾能力強等優點[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。系統開始運行時，首先讀取系統參數，并讀取粉塵質量濃度傳感器1 的數值，判斷是否超過限值。若超過限值，則開啟噴霧控制閥 1，然后開始計時，記錄開啟時間并計算回差值。當粉塵質量濃度低于回差值時，關閉控制閥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。系統開始運行時，首先讀取系統參數，并讀取粉塵質量濃度傳感器2 的數值，判斷是否超過限值。若超過限值，則開啟噴霧控制閥 2，然后開始計時，記錄開啟時間并計算回差值。當粉塵質量濃度低于回差值時，監測噴霧控制閥 1 的狀態，若控制閥 1 處于關閉狀態，則關閉控制閥 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，在軟件程序上設計了多種抗干擾方式：①使用軟件冗余技術，循環多次采樣、處理和控制輸出，減少偶然因素的干擾；② 使用時間監視器，在軟件中設置 1 個定時器，當程序遭到干擾，進入某個死循環時，不會觸發定時器的復位程序，并有 1 個溢出信號輸出，使用這個溢出信號，就能使程序恢復到初始狀態；③在采集熱釋電傳感器的信號時，采用多次重復采集的方法，直到連續 5 次以上結果完全一致，方可確定為信號采集有效[14-17]。

5 現場試驗

為驗證系統算法的準確性以及實用性，在棗礦集團高莊煤礦進行現場測試。根據礦上情況將粉塵設限值設為 30 mg/m3(可任意設置)，工人經過時，噴霧控制閥關閉時間設為 20 s。噴霧控制閥的試驗數據如表1 所列。

表1 噴霧控制閥的試驗數據Tab.1 Test data of spray control valves

從表 1 可以看出，當粉塵質量濃度高于設定值時，立即打開噴霧控制閥進行噴霧降塵，并記錄控制閥開啟時間，計算回差值；當粉塵質量濃度低于回差值時，關閉控制閥；當有人經過水幕時，控制閥會關閉 20 s 再重新開啟。

6 結語

基于粉塵質量濃度的自動噴霧降塵監測系統，通過設計相應的硬件電路和編寫相應軟件，實現了系統的自動噴霧功能。在高莊煤礦的現場試驗表明，該系統能根據設定的粉塵質量濃度設限值自動開關噴霧水幕，既能及時降低現場的粉塵質量濃度，又能有效地節約用水，保護煤礦水資源。