礦山毒害氣體電氣自動化控制研究

張真豪

(重慶城市科技學院,重慶 400000)

隨著采礦工藝的發展與進步,礦山生產產量逐步提高,但也存在一定的安全隱患。礦產資源生產過程中會產生許多刺激性氣體,具有腐蝕性、強毒性,經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、皮膚等產生損害,一般以局部損害為主,但也可能引起全身反應,故各種毒害氣體檢測方法應運而生。以單片機為核心的毒害氣體檢測儀是其中之一,可實現數字化自動控制。

1 電氣自動化控制

電氣自動化控制是煤礦生產中廣泛應用的技術,利用計算機技術實現煤礦生產的信息化、電子化[1]。將電氣自動化控制系統與機電設備相結合,通過網絡技術實現對機電設備的控制,完成對煤礦毒害氣體的探測控制。電力自動控制系統功能多樣,包括自動控制、動態監控保護等[1],其特性主要體現在以下幾方面：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,礦井工作環境與工作條件尤為復雜,這對電力系統的性能提出了更高的要求。雖然各種電氣設備的應用范圍及功率各不相同,但電氣自動化控制系統可對這些設備展開統一控制,使其發揮出更好的協同效果[3]。此外,系統自身兼容性較好,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展,從自動化生產向智能化方向轉變,運作過程需根據設定的步驟有條不紊地展開工作,對運作階段的控制數據進行全面分析,不斷優化采礦計劃,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生一定的刺激,這是一種普遍的毒性效應,臨床上多表現為局灶性損傷,但亦可出現全身性損傷。三酸蒸汽不僅會對氣道黏膜造成嚴重的傷害,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,對黏膜造成嚴重傷害,導致上呼吸道黏膜充血、水腫,分泌增加,還會出現一些化學性炎癥反應,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,經過上呼吸道時幾乎不會產生水解反應,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生反應,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十分必要。目前,可燃物燃燒煙氣體積分數在誤差允許范圍內可擬合為二次高斯分布形式,燃燒產生的CO值輸出信號服從高斯分布[4]。在受限空間要實現毒害氣體檢測需建立多種氣體傳感器組成的探測系統,以提升其穩定性與可靠性,降低誤報率[5]。受限空間事故探測儀可執行有毒有害氣體的檢測,降低礦山安全事故發生率[6]。

2.2 總體結構

本設計由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液晶實時顯示當前的煤氣濃度顯示,當濃度為0～20 ppm時,綠燈亮;當濃度達到20 ppm時,黃燈亮;當濃度超過設置值時,紅燈亮。通過按鍵設置煤氣濃度閾值,超過設置閾值時,蜂鳴器報警。

系統具體框架如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖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雜的功能,規模巨大,體積較小,穩定性較強,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處理速度,使之成為大規?？刂频暮诵?其對數據處理要求較低,但從經濟角度來說并不適用。

方案二：運用STC企業生產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 模塊電路的設計

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

圖2 單片機最小系統原理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。復合電路由一個按鍵、電容量及電阻構成,具有人工按鈕復位及上電自動復位功能。系統檢驗到電壓升高時間,將電阻與地面連成一條通路,把高電壓變為低電壓,完成電位復位。時鐘電路由Y1C1C2構成,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,這兩種晶振在產品成本及性能等方面都存在差異。在電路設計中,電容容量值決定了晶振是否可以正確起振,設計電路時,需查閱晶振數據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,當外部時鐘脈沖信號作用在XTAL1時,XTAL2會出現懸空。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 模塊電路設計

2.4.1 STC89C52單片機核心系統電路設計

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

2.4.2 5 V電源電路設計

運用5 V直流電源供電,線路較為簡單、平穩。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,按下開關后燈亮,這時出現直流電流。再次按下開關后紅燈滅,5 V電源可以輸出。

2.4.3 按鍵電路設計

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

圖5 按鍵電路原理Fig.5 Key circuit principle

3 結束語

礦山毒害氣體探測控制系統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60年代,日本開發了室內煤氣泄露報警裝置,將其改良后的產品推向市場,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,但很多技術取得了突破,不過成熟產品較少,需設計可應用于礦山毒害氣體探測的裝置,提升礦區安全性。

在礦山開采過程中,電氣自動化控制系統應用廣泛,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量。需繼續完善礦井電控系統設計,從設備選型、軟硬件系統設計入手,提升其性能與功能,滿足礦井生產需求,促進礦井的可持續發展。