安然然，路晨賀，張蔓蔓

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

礦石在處理過(guò)程中要經(jīng)過(guò)粗碎、中細(xì)碎及篩分等過(guò)程，粗碎后要輸送到中細(xì)碎車間再次粉碎.在進(jìn)一步的粉碎過(guò)程當(dāng)中，礦料是通過(guò)皮帶進(jìn)行運(yùn)輸?shù)模驗(yàn)槠д駝?dòng)使附著在礦料表面的粉塵會(huì)逐漸擴(kuò)散污染環(huán)境.當(dāng)前的策略是在皮帶上每隔一段距離進(jìn)行噴水降塵，但是對(duì)于噴水間隔距離以及噴水量的設(shè)定基本是采用定點(diǎn)、定量噴水，裝置安置如圖1所示.因?yàn)榈V石在不同的處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生粉塵的程度不同，譬如礦石在粗碎后，礦料直徑較大，破碎中產(chǎn)生的粉塵也較少，因此,在皮帶運(yùn)輸中如果采用定點(diǎn)、定量噴水，往往造成礦料過(guò)濕或噴淋量、水電大量浪費(fèi)；而在篩分車間處理階段，因?yàn)榈V料已經(jīng)通過(guò)細(xì)碎環(huán)節(jié)，粉塵顆粒特別多，如果也是采用固定的定點(diǎn)定量方式，往往產(chǎn)生兩種結(jié)果：如果兩次噴水點(diǎn)過(guò)于近，雖然降低了灰塵，但是導(dǎo)致礦料過(guò)濕，容易使礦料黏在皮帶上，造成皮帶跑偏；如果噴水距離過(guò)遠(yuǎn)，又會(huì)導(dǎo)致降塵效果不理想.

圖1 定點(diǎn)定量的霧化降塵裝置安置

目前礦業(yè)部門針對(duì)礦料處理及輸送過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵，大多采用的是定點(diǎn)定量的霧化降塵技術(shù)，并且?guī)缀跛械慕祲m操作都是人工的[1]，因此，在礦料的整個(gè)處理及輸送流程中降塵效果不是很明顯.本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對(duì)礦石在粗碎后轉(zhuǎn)運(yùn)到中細(xì)碎的過(guò)程、中細(xì)碎轉(zhuǎn)運(yùn)到篩分車間的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測(cè)粉塵的發(fā)散規(guī)律，根據(jù)規(guī)律選取合適的距離設(shè)置降塵點(diǎn)，并根據(jù)降塵點(diǎn)的粉塵采集程度決定當(dāng)下降塵點(diǎn)的噴淋量及下一個(gè)降塵點(diǎn)的噴淋量，合理調(diào)節(jié)前后降塵點(diǎn)的噴淋量，保證最佳降塵程度下的轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶上噴淋用水量最小.

1 分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖2所示.它模仿了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中的三層結(jié)構(gòu)，可以更加規(guī)范化地處理各個(gè)系統(tǒng)層級(jí)之間的任務(wù)分配.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的接入層是由系統(tǒng)中的粉塵監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)，匯聚層是由粉塵濃度匯總節(jié)點(diǎn)充當(dāng)，核心層是由主控計(jì)算機(jī)和下位機(jī)來(lái)充當(dāng).粉塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與匯總節(jié)點(diǎn)連接，匯總節(jié)點(diǎn)與主控計(jì)算機(jī)之間以無(wú)線方式進(jìn)行通信.監(jiān)測(cè)點(diǎn)由物聯(lián)網(wǎng)傳感器、STM32微處理器以及振動(dòng)能量收集供電模塊構(gòu)成.其主要作用是采集礦料在輸送過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度及濕度，并且經(jīng)過(guò)處理后將粉塵濃度通過(guò)CAN總線傳輸?shù)絽R總節(jié)點(diǎn).粉塵濃度匯總節(jié)點(diǎn)由高性能、主頻為168 MHZ、FLASH高達(dá)2 MHz的微處理器STM32F429，無(wú)線通信模塊CC2430[2]以及振動(dòng)能量收集供電模塊構(gòu)成.其主要作用是對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度進(jìn)行匯總并通過(guò)無(wú)線通信傳送到主控機(jī)，并且傳送主控機(jī)發(fā)送下位機(jī)的控制命令.主控計(jì)算機(jī)是由工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)組成.其作用是接收各個(gè)匯總節(jié)點(diǎn)的粉塵濃度信息，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與粉塵濃度的實(shí)時(shí)顯示，相應(yīng)地對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置.

圖2 粉塵濃度采集與控制的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 分析系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

分析系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括3大部分：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)匯總模塊以及主控模塊.DSM501A是數(shù)據(jù)采集模塊的核心，主要采用離子計(jì)數(shù)原理，可監(jiān)測(cè)到直徑1 μm以上的粒子，監(jiān)測(cè)靈敏度高，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸入空氣，而且它尺寸小、重量輕，易于安裝使用，可以準(zhǔn)確地采集皮帶廊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的粉塵數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)匯總模塊以CC2430為核心，CC2430是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片[3]，其作用是為了解決礦區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)匯總模塊與控制中心連線問(wèn)題，它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總模塊到控制中心數(shù)據(jù)的無(wú)線高速傳輸.

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)主要是針對(duì)礦料處理及輸送流程中粉塵擴(kuò)散程度的研究，所以，粉塵濃度的采集是重中之重.霧化降塵裝置放置的合理度決定了粉塵濃度采集的準(zhǔn)確度，進(jìn)而決定了降塵策略的合理性.數(shù)據(jù)采集模塊是由STM32微控制器與DSM501A粉塵濃度傳感器構(gòu)成.DSM501A粉塵傳感器可以根據(jù)采集的粉塵濃度信息產(chǎn)生脈沖信號(hào).該裝置共有5個(gè)引腳.其中1腳作為控制腳，外接電阻調(diào)節(jié)4腳的靈敏度.輸出腳為2腳和4腳，區(qū)別在于其監(jiān)測(cè)粉塵顆粒的范圍不同：2腳的監(jiān)測(cè)粒子的最小粒徑為1 μm，而4腳的監(jiān)測(cè)粒子的最小粒徑為2.5 μm.3腳接5 V的電源，5腳接地.DSM501A的工作電壓是(5.0±0.5)V,最大工作電流為90 mA.當(dāng)監(jiān)測(cè)到1 μm以上的粒子時(shí)，會(huì)輸出0.7 V左右的低電壓，當(dāng)沒(méi)有粒子時(shí)，輸出的是4.5 V左右的高電壓.但是STM32微控制器的最大輸入電壓為3.6 V，所以，PWM信號(hào)不能直接輸入到STM32微控制器，必須要經(jīng)過(guò)降壓電路處理，這里使用如圖3所示的經(jīng)典運(yùn)放降壓電路對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行降壓處理.

圖3 運(yùn)放降壓電路

如圖3所示，輸入信號(hào)是指DSM501A輸出的信號(hào)，將滑動(dòng)變阻器處的電壓調(diào)整為4.5 V.當(dāng)DSM501A信號(hào)為0.7 V時(shí)，輸出信號(hào)輸出0 V，完成了對(duì)DSM501A信號(hào)的降壓處理；當(dāng)DSM501A信號(hào)為4.5 V時(shí)，輸出信號(hào)輸出3.6 V.

2.2 數(shù)據(jù)匯總模塊

粉塵濃度匯總節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)如圖4所示.它主要由STM32F429微控制器、ZigBee通信以及振動(dòng)能量收集[4]供電3大模塊構(gòu)成.

圖4 粉塵濃度匯總節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯總模塊是系統(tǒng)中不可或缺的部分，因?yàn)镾TM32F429的主頻可達(dá)140 MHz，在整個(gè)系統(tǒng)起過(guò)度作用.它將粉塵濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息匯總到一起，高速地將其發(fā)送到主控機(jī)，而且也會(huì)傳送主控機(jī)反饋回來(lái)的控制命令到下位機(jī)，保證整個(gè)系統(tǒng)的高效性，提高了系統(tǒng)的決策效率.

3 分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)礦料處理及輸送流程中粉塵擴(kuò)散程度的研究，軟件設(shè)計(jì)十分重要.軟件功能的豐富性決定了整個(gè)研究的靈活性.分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：程序運(yùn)行主函數(shù)、數(shù)據(jù)有效性檢測(cè)函數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)以及曲線繪制函數(shù).其中程序流程如圖5所示.該軟件用C#語(yǔ)言編寫，應(yīng)用導(dǎo)入Microsoft操作Excel相關(guān)類、加載COM組件支持庫(kù)、建立Application應(yīng)用實(shí)例對(duì)象等技術(shù)[5]，并且使用了SQLsever關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，可以設(shè)置數(shù)據(jù)查詢權(quán)限，提高了系統(tǒng)的安全性.生成的頁(yè)面如圖6所示，其具有靈活修改系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)用數(shù)據(jù)、歷史查詢等功能，并且設(shè)有數(shù)據(jù)庫(kù)管理按鈕，管理員可以通過(guò)賬號(hào)密碼對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查的有效操作.

圖5 霧化降塵系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序流程

圖6 霧化降塵系統(tǒng)的軟件界面

4 應(yīng)用結(jié)果分析

為了對(duì)礦料處理及輸送流程中粉塵擴(kuò)散程度的系統(tǒng)研究，設(shè)置霧化降塵裝置[6]合理放置位置，分別對(duì)從礦料粗碎到中細(xì)碎輸送過(guò)程及從中細(xì)碎過(guò)程到篩分輸送過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè).

4.1 粉塵數(shù)據(jù)采集

礦料在經(jīng)過(guò)粗碎過(guò)程后直徑大約是100 mm，但是在經(jīng)過(guò)中細(xì)碎的過(guò)程中直徑將會(huì)被處理為幾十毫米甚至幾毫米，所以，在皮帶的輸送過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，并且由于皮帶的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生粉塵的擴(kuò)散，影響礦區(qū)的環(huán)境質(zhì)量.故對(duì)礦料從粗碎到中細(xì)碎輸送過(guò)程設(shè)定了如下放置策略：礦料經(jīng)過(guò)粗碎處理之后進(jìn)行噴淋處理，以5 m為距離單位，分別在距離粗碎后5 m、10 m、15 m等處設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器(粉塵濃度傳感器)采集各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的粉塵濃度，得到的粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)如表1所示，其中A、B是粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn).但是從中細(xì)碎到篩分車間輸送過(guò)程中由于礦料的粒度更小，所產(chǎn)生的粉塵量增多，所以采用更加精細(xì)的采樣策略：礦料在經(jīng)過(guò)中細(xì)碎處理之后進(jìn)行噴淋處理，以3 m為距離單位，分別在距離中細(xì)碎后3 m、6 m、9 m、12 m等處設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，采集各點(diǎn)的粉塵質(zhì)量濃度，得到從中細(xì)碎到篩分車間輸送過(guò)程中的粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，如表2所示.

表1 從粗碎到中細(xì)碎輸送過(guò)程中粉塵質(zhì)量濃度隨傳輸距離變化的數(shù)據(jù)

表2 從中細(xì)碎到篩分車間輸送過(guò)程中粉塵質(zhì)量濃度隨傳輸距離變化的數(shù)據(jù)

Table 2 Data on the change of dust concentration with transmission distance in the course of transportation from medium and fine crushing to sieve workshop

距離/m粉塵質(zhì)量濃度/(mg·m-3)AB31731596236263957642612821765157156471854337521214243243053662718720530215177

粉塵質(zhì)量濃度采集后，利用粉塵質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)分析以上兩個(gè)輸送過(guò)程粉塵質(zhì)量濃度隨傳輸距離的變化規(guī)律，為霧化降塵裝置制定了相應(yīng)的安置策略.對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，研究策略應(yīng)用前后礦料從粗碎到中細(xì)碎輸送過(guò)程以及從中細(xì)碎到篩分車間輸送過(guò)程的粉塵質(zhì)量濃度變化，并繪制曲線，分別如圖7和圖8所示.對(duì)不同天氣的粉塵擴(kuò)散程度隨輸送距離的變化規(guī)律進(jìn)行研究，分別制定相應(yīng)策略，經(jīng)過(guò)策略的反復(fù)調(diào)整，整個(gè)系統(tǒng)得到了預(yù)期的效果.

圖7 策略應(yīng)用前后礦料從粗碎到中細(xì)碎輸送過(guò)程中粉塵質(zhì)量濃度的對(duì)比曲線

圖8 策略應(yīng)用前后礦料從中細(xì)碎到篩分車間輸送過(guò)程中粉塵質(zhì)量濃度的對(duì)比曲線

4.2 粉塵數(shù)據(jù)分析

為了合理設(shè)計(jì)霧化降塵裝置的安置策略，系統(tǒng)地分析了從粗碎到中細(xì)碎輸送過(guò)程中粉塵濃度.可以看出從距離粗碎車間5～15 m這段距離上，粉塵擴(kuò)散程度逐漸增加，到達(dá)15 m時(shí)粉塵濃度達(dá)到峰值505 mg/m3，之后粉塵濃度隨傳輸距離的增長(zhǎng)粉塵濃度逐漸降低，但是每個(gè)單位距離段內(nèi)粉塵濃度的擴(kuò)散程度是不同的.為此在距離粗碎車間10 m處之前安置一個(gè)霧化降塵裝置；經(jīng)過(guò)重復(fù)的粉塵濃度采集并對(duì)其粉塵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別在距離粗碎車間15 m和25 m處之前安置了霧化降塵裝置.最終得出了如圖7所示的降塵策略應(yīng)用前后的粉塵濃度對(duì)比曲線，可以清晰地看出該降塵系統(tǒng)的降塵效果非常明顯.經(jīng)過(guò)對(duì)粉塵濃度數(shù)據(jù)的計(jì)算，降塵策略應(yīng)用前后粉塵濃度的均值降低了152 mg/m3，更加顯示出降塵策略的優(yōu)越性.

系統(tǒng)地分析了從中細(xì)碎到篩分車間輸送過(guò)程中粉塵質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù).粉塵質(zhì)量濃度分別在距離中細(xì)碎車間3～12 m和15～18 m兩段區(qū)域內(nèi)呈上升趨勢(shì)且達(dá)到峰值，其中最高值為730 mg/m3，最低值為370 mg/m3.因此，應(yīng)該在粉塵濃度第一次上升之前安置霧化降塵裝置，要在距離中細(xì)碎車間3 m處安置霧化降塵裝置；經(jīng)過(guò)多次對(duì)粉塵濃度采集之后，確定了在距離中細(xì)碎車間篩分車間的9 m、15 m、21 m以及30 m處之前安置霧化降塵裝置.最終得到了如圖8所示的粉塵濃度對(duì)比曲線，充分證明了該霧化降塵系統(tǒng)的高效性、靈活性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了礦山降塵的自動(dòng)化設(shè)計(jì).

5 結(jié) 論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟以及工業(yè)自動(dòng)化的逐步推進(jìn)，本系統(tǒng)在硬件和軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的粉塵濃度采集電路，可以實(shí)時(shí)獲取礦料處理及輸送過(guò)程當(dāng)中各指定節(jié)點(diǎn)的粉塵濃度，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，得出合理霧化降塵裝置的安置策略.克服了礦山內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸速率低、環(huán)境質(zhì)量差以及降塵用水浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題.經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明該研究顯著提高了霧化降塵系統(tǒng)的實(shí)用性，并且是一個(gè)低造價(jià)、安裝簡(jiǎn)單、容易維護(hù)、自動(dòng)化程度高的系統(tǒng).