選煤廠智能除塵系統設計與應用

潘 瑛

（西山煤電（集團）有限責任公司官地選煤廠，山西太原030053）

選煤廠選煤過程中會產生許多細微粉塵顆粒，其中粉塵直徑小于7.7 微米的粒子會以游離態懸浮于空氣中，粉塵直徑小于5 微米的粒子為可呼吸性粉塵，危害員工健康。選煤廠設備粘附粉塵后會加速設備老化、縮短設備使用周期，嚴重時會誘發設備故障。當選煤廠空氣粉塵濃度達到一定濃度時會有爆炸的潛在危險，造成嚴重的安全生產事故[1-2]。因此，研究并設計選煤廠噴霧降塵系統具有重要意義。國內外學者針對選煤廠降塵展開一系列研究[3-5]。國內學者借鑒國外降塵原理，基于氣溶膠力學、穩態均勻流程力學、顆粒群兩相流模型等建立降塵模型，并應用單片機技術、PLC 技術、微控制器技術以及傳感器技術建立降塵控制系統，達到噴霧降塵的目的。同時為增加選煤廠噴霧降塵系統的智能性，研究就地控制、遠程控制、智能控制等多種模式，促進選煤廠降塵系統向智能化、信息化方向發展[6]。

1 智能除塵系統總體設計方案

選煤廠智能除塵系統總體設計方案見圖1，在選煤廠粉塵指定點設置噴霧控制器1-n，用于就地控制該范圍內的降塵設備并實時采集粉塵數據。噴霧控制器將采集到的數據經CAN 總線通訊上傳至主控制器；主控制器經CAN/光纖轉換器、CAN 接口卡后將數據傳送至上位機、遠程主機、監控主機等設備，用于顯示各噴霧設備運行狀態、參數設置以及故障信息等[7]。同時，主控制器將上位機、遠程主機以及監控主機的控制指令經CAN 總線通訊后傳送至各噴霧控制器，進而控制對應的電磁閥、按鈕、急停等動作。為區分噴霧控制器，在進行CAN 總線通訊時為各噴霧控制器分配唯一11 位ID，上位機的控制指令以及數據由該ID 進行索引。當噴霧降塵過程中水壓不足時，利用增壓水泵進行水壓增壓，保證降塵效果。

圖1 選煤廠智能除塵系統總體設計方案框圖

2 系統硬件設計

選煤廠智能除塵系統硬件設計框圖見圖2。噴霧控制器實時采集粉塵濃度傳感器、水壓壓力傳感器數據并經A/D 轉換后控制噴霧動作。主控制器接收鍵盤輸入指令經濾波處理并綜合考慮傳感器數據后以CAN 總線通訊模式發送給噴霧控制器1-n，完成噴霧降塵動作[8-9]。同時主控制器各噴霧控制設備的運行狀態、電磁閥狀態、故障信息等傳送給液晶顯示器進行實時顯示。同時可通過液晶顯示器設置工作模式，根據控制要求設備控制參數等。

圖2 選煤廠智能除塵系統硬件設計框圖

選煤廠智能除塵系統數據傳送基于芯片MC33897BEF 和CAN 總線通訊實現，接口電路見圖3。管腳VCC 為芯片提供供電電源DC 12V，經100nFd 電容后接地[10]；管腳TXD、RXD 為CANH以及CANL 兩條通訊線。

圖3 CAN總線通訊接口電路

選煤廠智能除塵系統用到的硬件設備主要有STM32 微控制器、主控制箱、噴霧控制箱、粉塵濃度傳感器、水壓壓力傳感器、溫度傳感器、煤流傳感器、礦用設備開庭傳感器、礦用隔爆兼本質安全型電源、電磁閥以及按鈕等。其中粉塵濃度傳感器選用的型號微GCG1000（A），該傳感器的防護等級微IP65，可在選煤廠惡劣、潮濕的環境中使用；可檢測的粉塵濃度范圍微0～1 000 mg/m3，輸出信號為4～20 mA 電流信號，供電電源為DC 24V，滿足系統要求。電磁閥選用的型號為HANLKA，工作電壓為AC 220V。

3 系統軟件設計

選煤廠智能除塵系統軟件基于keil ARM 軟件平臺，采用C 語言加匯編語言編程實現，軟件總流程見圖4。智能除塵系統上電后，首先完成系統初始化過程，包括軟件程序中用到的定時器、計數器、內存空間等；同時還包括系統自檢過程，排除系統漏電、缺相、斷相等故障。主控制器與各噴霧控制器以及主控制器與上位機、遠程平臺、監控平臺建立CAN 總線通訊連接，循環處理CAN 總線通訊數據。主控制器接收上位機數據，如果該數據為控制指令，則根據ID 地址發送至噴霧控制器，同時在液晶顯示器上顯示相關信息或者傳送至遠程控制平臺，并進入下一個循環處理周期。如果主控制器接收到的數據信息為非控制指令，則對該數據信息不進行任何處理。

圖4 選煤廠智能除塵系統軟件設計流程

主控制器與各噴霧控制器之間的CAN 總線通訊協議見表1，采用CAN2.0B 協議，通訊波特率為250 kbps，擴展幀29 位標識符，由3 位優先級P、1 位保留位R、1 位數據頁DP、8 位數據格式PF、8 位目的地址PS 以及8 位源地址SA 組成。主控制器、噴霧控制器按照表1 協議格式完成數據的打包、解包。

表1 主控制器與各噴霧控制器間CAN 總線通信協議（部分）

4 系統測試

為驗證設計并實現的選煤廠智能除塵系統的正確性、可用性，在某選煤廠進行系統測試，在粉塵濃度較高點布置噴霧控制器1-3 以及各噴霧控制器系統的粉塵濃度傳感器、水壓傳感器、溫度傳感器、電磁閥、按鈕等。分別記錄并統計噴霧降塵前后該點的粉塵濃度見表2、表3。表2 為在選煤廠皮帶導斜槽上方布置的噴霧系統的數據統計表，可知使用噴霧降塵系統后，將粉塵濃度由原來的500 mg.m-3左右降低至30 mg.m-3左右，降塵率可達約93%。

表2 選煤廠粉塵檢測點1 除塵統計（皮帶導斜槽）

表3 為在選煤廠皮帶輸送機機尾布置的噴霧系統的數據統計表，使用該噴霧降塵系統后，將粉塵濃度由原來的340 mg.m-3左右降低至24 mg.m-3左右，降塵率可達約93%。該智能噴霧降塵系統可實現選煤廠噴霧降塵并投入實際應用。

表3 選煤廠粉塵檢測點2 除塵統計（皮帶輸送機機尾）

5 結語

文章基于STM32 微控制器技術，以CAN 總線通訊方式實現噴霧降塵系統上位機/遠程控制平臺/監控平臺、主控制器、各噴霧控制器之間的數據、指令傳輸，達到智能降塵的目的。實際系統測試結果表明，該智能除塵系統能夠有效降低選煤廠粉塵濃度，降塵率約達93%，保障選煤廠安全生產。