安然然， 路晨賀， 高文文， 張蔓蔓

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

礦場對(duì)礦石的處理要經(jīng)過粗碎、中碎、細(xì)碎及篩分4個(gè)過程，其中，篩分是在篩分車間進(jìn)行的.如圖1所示，當(dāng)布料小車向礦料倉進(jìn)行落料時(shí)有碎石和礦粉混合落入礦料倉內(nèi)，礦料倉會(huì)在布料期間因礦料的下落而產(chǎn)生氣旋激蕩，當(dāng)布料小車離開布料口后，因氣旋激蕩產(chǎn)生的粉塵會(huì)在開放的落料口處驟然性噴發(fā)，會(huì)對(duì)篩分車間造成環(huán)境污染危害工人身體健康.因此需要設(shè)計(jì)一套落料倉內(nèi)粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測落料口處的粉塵濃度，并做出相應(yīng)處理減少落料口處粉塵濃度的擴(kuò)散，進(jìn)而解決篩分車間落料口處粉塵的擴(kuò)散問題.

圖1 篩分車間內(nèi)礦料處理流程

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控落料口處粉塵濃度，通過CAN總線輸送到物聯(lián)網(wǎng)無線通信節(jié)點(diǎn)，無線通信節(jié)點(diǎn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整理，最終通過無線通訊方式發(fā)送到中央控制系統(tǒng).中央控制系統(tǒng)進(jìn)行分析后，向篩分車間的集中除塵器發(fā)出控制命令，根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整現(xiàn)場除塵器的實(shí)際功率，對(duì)可能出現(xiàn)的泉涌性噴發(fā)提前作出預(yù)判，并降低粉塵的擴(kuò)散程度.

監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)由物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器模塊、物聯(lián)網(wǎng)無線通信模塊以及中央控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示.物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器由粉塵濃度傳感器以及低功耗、主頻為72 MHz、FLASH為128 kB的 STM32F103B微處理器構(gòu)成[1]，其主要作用是采集篩分車間內(nèi)各個(gè)落料倉的粉塵濃度，并將粉塵濃度通過CAN總線傳輸物聯(lián)網(wǎng)無線通信節(jié)點(diǎn).物聯(lián)網(wǎng)無線通信節(jié)點(diǎn)由高性能、主頻為140 MHz、FLASH高達(dá)2 MB的微處理器STM32F429以及無線通信模塊CC2430構(gòu)成，其主要作用是對(duì)各個(gè)粉塵濃度傳感器采集的粉塵濃度進(jìn)行匯總并通過無線通信方式傳送到中央控制系統(tǒng)，并將中央系統(tǒng)下達(dá)的反饋控制命令傳遞回現(xiàn)場.中央控制系統(tǒng)選用工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)，其作用是接收無線通信模塊匯總的粉塵濃度信息，將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)粉塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而制定相應(yīng)的控制策略，及時(shí)地反饋給篩分現(xiàn)場，達(dá)到預(yù)判效果.

圖2 篩分車間降塵系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器是將粉塵濃度傳感器、CAN收發(fā)器及STM32F103B進(jìn)行有效組合并封裝在一起，用于對(duì)現(xiàn)場粉塵濃度進(jìn)行采集與傳送.物聯(lián)網(wǎng)無線通信模塊是對(duì)STM32F429和CC2430進(jìn)行封裝，STM32F429利用自身的CAN收發(fā)器對(duì)各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并將接收的數(shù)據(jù)通過CC2430無線傳輸至中央控制系統(tǒng).整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程如圖 3 所示.物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集粉塵濃度并且傳送給 STM32F103B 處理，但在實(shí)際采集過程中粉塵濃度信號(hào)比較微弱，所以需要經(jīng)過放大處理；同時(shí)在自然環(huán)境下會(huì)存在干擾信號(hào)(如電磁信號(hào))，信號(hào)去噪是必不可少的步驟.由于計(jì)算機(jī)只識(shí)別數(shù)字信號(hào)，STM32F103B 類型的微處理器也是如此，所以信號(hào)還要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生 STM32 可以識(shí)別的信號(hào).通過一系列處理之后有效的數(shù)據(jù)到達(dá) STM32F103B 微處理器，再通過CAN總線將其傳送給高處理速率的 STM32F429 微控制器進(jìn)行匯總，STM32F429 高速地將匯總后信號(hào)通過 CC2430 無線傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控的主控計(jì)算機(jī).主控計(jì)算機(jī)接收到匯總信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析與動(dòng)態(tài)顯示，經(jīng)過分析產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令和響應(yīng)，這些控制命令通過無線通信方式到達(dá) STM32F429，最終控制篩分車間內(nèi)集中降塵裝置的運(yùn)行功率，整體實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的采集、處理、存儲(chǔ)、控制等一系列流程.該系統(tǒng)操作簡單，容易維護(hù)，并大大增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性和靈活性.

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

3 物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器設(shè)計(jì)

落料倉內(nèi)被落料壓制的粉塵是篩分車間內(nèi)粉塵擴(kuò)散的主要源頭，能否準(zhǔn)確控制粉塵泉涌式噴發(fā)是降塵的關(guān)鍵.所以本系統(tǒng)使用了物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器，實(shí)現(xiàn)了粉塵濃度傳感器的智能化.物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器由粉塵濃度傳感器DSM501A與STM32F103B封裝而成，并外接了由CAN收發(fā)器構(gòu)成的CAN通信模塊[2]，其硬件構(gòu)成如圖4所示.主要由STM32F103B 微處理器、粉塵濃度傳感器、信號(hào)處理模塊、按鍵、CAN通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和聲光警指示電路等幾大模塊組成.

圖4 物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器的硬件構(gòu)成

STM32F103B的主要功能是利用SPI總線將粉塵濃度傳感器實(shí)時(shí)采集的粉塵濃度信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，將其存儲(chǔ)在STM32微控制器當(dāng)中.CAN總線會(huì)將處理后的粉塵濃度信號(hào)傳送給物聯(lián)網(wǎng)無線通信節(jié)點(diǎn)，供主控機(jī)處理.另外，STM32微控制器上還提供了聲光報(bào)警裝置，該裝置的作用是物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器的自檢報(bào)警裝置，當(dāng)粉塵濃度節(jié)點(diǎn)自身發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警提示：LED出現(xiàn)頻閃，BEEF發(fā)出聲響，且指明節(jié)點(diǎn)的范圍，供工作人員檢驗(yàn).當(dāng)降塵裝置出故障時(shí)會(huì)進(jìn)行及時(shí)處理，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.

在物聯(lián)網(wǎng)傳感器中粉塵濃度的采集與處理是最主要的部分，直接關(guān)系到除塵系統(tǒng)的功率情況，因此本系統(tǒng)為保證采集的實(shí)時(shí)性，通過SPI總線完成數(shù)據(jù)傳送，如圖5所示.物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器使用DSM501A粉塵傳感器[3]，主要采用離子計(jì)數(shù)原理，可監(jiān)測到直徑1 μm以上的粒子，監(jiān)測靈敏度高，可以根據(jù)采集的粉塵濃度信息產(chǎn)生脈沖信號(hào).當(dāng)監(jiān)測到1 μm以上的粒子時(shí)，會(huì)輸出0.7 V左右的低電平；當(dāng)沒有粒子時(shí)，輸出的是4.5 V左右的高電平.但是STM32微控制器的最大輸入電壓為3.6 V，所以要實(shí)現(xiàn)SPI通信還必須進(jìn)行降壓處理.由于該設(shè)計(jì)將粉塵濃度傳感器與STM32微控制器進(jìn)行封裝，所以其通信速率可達(dá)12 MHz，可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝耘c實(shí)時(shí)性.

4 物聯(lián)網(wǎng)無線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

篩分車間的集中除塵風(fēng)機(jī)是由中央控制系統(tǒng)控制的，因此本系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)需要傳送到中央控制系統(tǒng)集中進(jìn)行整理，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析之后再進(jìn)行控制.物聯(lián)網(wǎng)無線通信節(jié)點(diǎn)也是系統(tǒng)中不可或缺的部分，STM32F429的主頻可達(dá)140 MHz，可以高速地匯總并傳輸物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器采集的數(shù)據(jù).STM32F429微控制器快速地匯總還可減輕主控計(jì)算機(jī)的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)資源利用率的最大化.

為了解決礦區(qū)內(nèi)篩分車間與控制中心連線問題，STM32F429還外接了CC2430無線通信模塊.CC2430無線通信模塊是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術(shù)的2.4 GB射頻系統(tǒng)單芯片[4]，其與STM32F429的引腳連接方式如圖6所示.無線通信模塊的通信流程為：CC2430通過SPI總線與STM32F429微控制器進(jìn)行粉塵濃度數(shù)據(jù)的收發(fā)，并完成匯總處理，將匯總后的數(shù)據(jù)傳送給中央控制系統(tǒng)，供主控計(jì)算機(jī)分析處理及存儲(chǔ).主控計(jì)算機(jī)分析處理之后，得到落料倉內(nèi)粉塵濃度的擴(kuò)散規(guī)律，進(jìn)而制定集中除塵的除塵策略，再將反饋的控制命令通過無線傳輸形式傳送給STM32F429微處理器，最終到達(dá)篩分車間控制集中除塵風(fēng)機(jī).

圖6 STM32F429與ZigBee無線通信模塊連接框圖

ZigBee無線通信以其傳輸方式方便靈活、便于接入、不受任何物理線路影響、作用范圍長的特點(diǎn)，完全滿足粉塵濃度數(shù)據(jù)的高效傳輸以及對(duì)集中除塵風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)控制的要求.

5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了確定系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器進(jìn)行自檢操作，其自檢流程如圖7所示.控制系統(tǒng)的軟件是對(duì)硬件功能的補(bǔ)充和完善，提供對(duì)粉塵濃度的歷史查詢和實(shí)時(shí)顯示等功能，在很大程度上有助于粉塵濃度優(yōu)化策略的制定.篩分車間自動(dòng)降塵控制系統(tǒng)的頁面如圖8所示.

利用C# 編程語言編寫，應(yīng)用導(dǎo)入Microsoft操作Excel相關(guān)類、加載COM組件支持庫、建立Application應(yīng)用實(shí)例對(duì)象等技術(shù)[5].軟件具有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：將粉塵濃度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)篩分車間的實(shí)際情況設(shè)置數(shù)據(jù)庫更新頻率；設(shè)有數(shù)據(jù)庫登錄按鈕，礦山管理員可以通過賬號(hào)口令對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢打印等操作，這一功能提高了系統(tǒng)的安全性；可以修改系統(tǒng)參數(shù)，靈活地設(shè)定集中除塵風(fēng)機(jī)的位置；具有物聯(lián)網(wǎng)粉塵濃度傳感器的狀態(tài)顯示的功能.

本設(shè)計(jì)將粉塵濃度傳感器分別放置于落料倉內(nèi)落料口的內(nèi)邊沿處，每一個(gè)落料口放置2個(gè)粉塵濃度傳感器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，目的在于減少粉塵濃度傳感器與下落礦料的碰撞以及減少粉塵濃度誤差.由于各個(gè)落料倉的裝置布置以及采集方法相同，所以僅以監(jiān)測點(diǎn)1為例，對(duì)布料小車離開布料口之后50～90 s、110～140 s以及180～210 s 三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行監(jiān)控.根據(jù)采集的粉塵濃度調(diào)整集中除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率，調(diào)整前后粉塵質(zhì)量濃度如表1所示.

表1 策略應(yīng)用前后監(jiān)測點(diǎn)1粉塵質(zhì)量濃度

根據(jù)表1的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到如圖9所示的粉塵質(zhì)量濃度對(duì)比曲線.

圖9 策略應(yīng)用前后礦料倉監(jiān)測點(diǎn)1粉塵濃度的對(duì)比曲線

可以看出粉塵質(zhì)量濃度趨于平穩(wěn)，未發(fā)生過粉塵質(zhì)量濃度突增和突降的現(xiàn)象；采用降塵策略后粉塵質(zhì)量濃度的峰值為627 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降塵策略應(yīng)用前的1 213 mg/m3；平均粉塵質(zhì)量濃度下降236.3 mg/m3，可見該系統(tǒng)的降塵效果十分顯著；自動(dòng)降塵控制系統(tǒng)大大降低了篩分車間的粉塵質(zhì)量濃度，明顯改善了篩分車間的空氣質(zhì)量，并且以精確的降塵控制方式，明顯減少了降塵的用電量，切實(shí)保障了礦工身體健康和礦區(qū)生產(chǎn)安全.

6 結(jié) 論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出:在應(yīng)用除塵策略后礦料倉落料口處的粉塵濃度明顯降低.以監(jiān)測點(diǎn)1為例，平均粉塵濃度下降了236.3 mg/m3，可見該系統(tǒng)的降塵效果十分顯著，這是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)粉塵傳感器可以實(shí)時(shí)采集布料車在布料時(shí)產(chǎn)生的粉塵發(fā)散情況，中央控制系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，合理調(diào)整集中除塵風(fēng)機(jī)對(duì)落料口處的除塵功率，有效減少了粉塵擴(kuò)散問題.但是該系統(tǒng)也存在不足，當(dāng)中央控制系統(tǒng)對(duì)除塵風(fēng)機(jī)的除塵功率進(jìn)行調(diào)整時(shí)，由于礦料倉的空間較大，調(diào)整后風(fēng)機(jī)的風(fēng)不能及時(shí)到達(dá)指定位置，也會(huì)造成一定時(shí)間內(nèi)的粉塵擴(kuò)散.所以，今后要大量積累各監(jiān)測點(diǎn)的粉塵濃度數(shù)據(jù)，利用一定的數(shù)據(jù)分析方法對(duì)粉塵擴(kuò)散情況進(jìn)行預(yù)判，減少類似情況發(fā)生，使降塵策略進(jìn)一步精細(xì)化.