宋 慧

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，臨汾 041000）

施工、開采、運(yùn)輸及儲存等各環(huán)節(jié)作業(yè)時都會產(chǎn)生大量揚(yáng)塵污染，而揚(yáng)塵污染是產(chǎn)生霧霾的源頭之一。隨著建筑、施工現(xiàn)場、生活區(qū)、物料堆放區(qū)、礦山、垃圾場、原料場及港口碼頭等行業(yè)的迅速發(fā)展，治理揚(yáng)塵污染一般通過揚(yáng)塵監(jiān)測站采集、上報揚(yáng)塵數(shù)據(jù)，然后通知現(xiàn)場人員啟動相關(guān)噴淋抑塵設(shè)備進(jìn)行除塵[1-3]。 但是，這種揚(yáng)塵治理方式存在實(shí)施時間不及時、涉及部門多、工作量大及城市區(qū)域風(fēng)向等氣象參數(shù)多變等缺點(diǎn)，可能會導(dǎo)致污染面積擴(kuò)大，增大治理范圍，浪費(fèi)水資源。有的生產(chǎn)過程還要嚴(yán)格控制水分，如大面積噴淋精煤堆放區(qū)會破壞生產(chǎn)品質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，校企合作設(shè)計矩陣式自動噴霧抑塵系統(tǒng)，含有PM2.5及PM100的采集傳感器（降溫可選用溫度傳感器）。微霧設(shè)備采用納米級噴頭，在微霧噴霧水路上自動按比例添加高效粉塵捕捉劑，可以實(shí)現(xiàn)抑塵效率大于90%。對于面積較大的區(qū)域，此系統(tǒng)可分為多個監(jiān)測和工作區(qū)域，矩陣式進(jìn)行分割管理，既解決了揚(yáng)塵監(jiān)測站與噴霧設(shè)備聯(lián)動的難題，也節(jié)約了水和電力資源[4-5]。

1 任務(wù)描述

工作場景為精煤儲煤倉，儲煤倉長為120 m，寬為70 m，高為25 m。儲煤倉需要控制粉塵濃度，保證處于國家對煤礦生產(chǎn)場所空氣中全塵控制濃度的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)（GBZ 2.1—2007）中所要求的最高濃度以下。

為了實(shí)現(xiàn)快速抑塵，要嚴(yán)格控制倉內(nèi)水分。將儲煤倉區(qū)域分為9塊區(qū)域，每個區(qū)域中心位置安放1臺粉塵傳感器。粉塵傳感器可以進(jìn)行粉塵濃度報警設(shè)置。單粉塵濃度達(dá)到5 mg·m-3以上時，啟動微霧抑塵設(shè)備。濃度低于2.5 mg·m-3時，設(shè)備延時60 s（可設(shè)置），之后粉塵濃度持續(xù)低于2.5 mg·m-3后，設(shè)備停止工作。如果連續(xù)工作20 min濃度持續(xù)達(dá)到設(shè)定值以上，設(shè)備進(jìn)行報警。此時，設(shè)備需要工作人員確認(rèn)故障并復(fù)位后才能繼續(xù)工作。每個粉塵傳感器對應(yīng)不同工作區(qū)域，當(dāng)粉塵傳感器動作的數(shù)量不同時，主機(jī)工作壓力也不相同。粉塵傳感器動作數(shù)量越多，壓力就會越大。主機(jī)會通過粉塵傳感器的數(shù)量調(diào)節(jié)比例放大器，比例放大器控制比例溢流閥來達(dá)到控制壓力的目的。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 硬件設(shè)計

本次項(xiàng)目的微霧主機(jī)及系統(tǒng)的主要控制選用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。PLC是工業(yè)控制的數(shù)字運(yùn)算操作裝置，市場上的生產(chǎn)廠家、品牌及產(chǎn)品型號眾多?？紤]經(jīng)濟(jì)成本、運(yùn)行穩(wěn)定性、集成度以及市場保有度等因素，系統(tǒng)選擇西門子S7-200 SMART系列，中央處理器（Central Processing Unit，CPU）選擇集成485接口和以太網(wǎng)接口的36輸入/24輸出的SR60，擴(kuò)展模塊選用模擬量2入1出的AM03，輸入/輸出（Input/Output，I/O）地址分配表如表1所示，硬件接線圖如圖2所示。

圖2 硬件接線圖

表1 I/O地址分配表

粉塵傳感器選擇日本夏普公司的GP2Y1014AU，尺寸為46.0 mm×30.0 mm×17.6 mm，最大工作電流為20 mA。粉塵傳感器的控制器選擇STC 89S52單片機(jī)，原理如圖3所示。

圖3 粉塵傳感器原理圖

電機(jī)選用三相異步電機(jī)YE2-132M-4，功率為5.5 kW， 轉(zhuǎn)速為1 450 r·min-1，選用型號為KBM20.15C的三缸陶瓷高壓柱塞泵，流量為20 L·min-1，最大壓強(qiáng)為15 MPa。

粉塵捕捉劑選用生態(tài)友好環(huán)保型產(chǎn)品，不具易燃易爆性，對人體無毒無刺激性，對金屬無腐蝕性。產(chǎn)品中不含重金屬離子，不影響地下水資源。由于煤塵表面性質(zhì)和清水的物理性質(zhì)，清水與煤塵的親和力差，導(dǎo)致噴霧抑塵效果不理想。因此，在噴霧系統(tǒng)水路中按比例添加粉塵捕捉劑添，使得粉塵快速沉降。粉塵捕捉劑可以改變水的物理性質(zhì)，提高水霧與粉塵的親和力，實(shí)際抑塵率可以達(dá)到90%以上。

粉塵捕捉劑的抑塵機(jī)理為：降低水的表面張力，提高潤濕性；粉塵捕捉劑的抗靜電性質(zhì)可以消除水霧和粉塵所帶電荷的相斥作用；粉塵捕捉劑良好的發(fā)泡性能使得噴出的水霧是微小的泡沫，增加與粉塵的接觸面積，提高抑塵率。微霧顆粒高速照片如圖4所示，其中一個小方格為2 μm。此次高效粉塵捕捉劑添加濃度為2‰。

圖4 微霧顆粒高速照片

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計

通過分析工作任務(wù)，將系統(tǒng)分為兩個相對獨(dú)立又能關(guān)聯(lián)的兩個系統(tǒng)，一是粉塵傳感器系統(tǒng)，二是以PLC為控制主要單元的主系統(tǒng)。

對于粉塵傳感器系統(tǒng)，本次分為3個部分。一是采用STC89S52作為CPU，采用程序設(shè)計和硬件連接，采集GP2Y1014AU傳感器測量粉塵顆粒濃度。二是對測量值用LCD1602進(jìn)行顯示。三是通過獨(dú)立按鍵設(shè)置報警值。測量值高于設(shè)定值H時，繼電器動作；測量值低于設(shè)定值L時，繼電器復(fù)位。

對單片機(jī)編程采用德國Keil Software公司開發(fā)的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)Keil uVision4。 整個系統(tǒng)要完成的任務(wù)是驅(qū)動傳感器，采集傳感器輸出的電壓，通過單片機(jī)的計算，在液晶上面顯示測量的PM2.5值。從單片機(jī)程序的角度來看，主程序流程在完成各部分初始化后采集模擬輸出電壓，計算粉塵濃度值的程序。

進(jìn)入單片機(jī)主程序后，首先要初始化子函數(shù)編程，主要是對1602和ADC0832進(jìn)行初始化。其次，選擇轉(zhuǎn)換的模擬量通道，對定時器進(jìn)行初始化。初始化程序完成后，編寫其他子函數(shù)，如獨(dú)立按鍵子函數(shù)、按鍵顯示子函數(shù)、報警子函數(shù)以及粉塵采集子函數(shù)，隨后編寫定時器0的中斷服務(wù)程序。最后，在主函數(shù)中調(diào)用相關(guān)子函數(shù)來完成粉塵傳感器的采集及報警。

部分C語言程序和注釋如下

3.2 PLC程序設(shè)計

系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集各個區(qū)中粉塵傳感器的報警值，并啟動相應(yīng)的電磁閥。例如，啟動主機(jī)后系統(tǒng)開始自檢，如果系統(tǒng)沒有故障，且水箱水位不處于低水位狀態(tài)，那么系統(tǒng)啟動自檢完成。當(dāng)所有的啟動電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，所有的排水電磁閥處于打開狀態(tài)時，將水管中的水及時排到水箱中，不僅能防止冬天溫度太低出現(xiàn)管路和噴頭凍結(jié)，也能很好地保持管路清潔，防止噴頭堵塞。此時，操作人員在上位機(jī)上點(diǎn)擊自動運(yùn)行，使得設(shè)備開始運(yùn)行。

如果1號區(qū)域粉塵傳感器報警，那么啟動1號區(qū)域的啟動電磁閥，關(guān)閉1號區(qū)域?qū)?yīng)的排水電磁閥。延時0.5 s后啟動主機(jī)，PLC根據(jù)動作區(qū)域的數(shù)量調(diào)節(jié)壓力，使得整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓，既保證管路的安全，又保證了噴霧效果。1號區(qū)域粉塵傳感器繼電器復(fù)位后，停止電機(jī)工作，打開1號區(qū)域排水電磁閥，延時1 min后關(guān)閉啟動電磁閥。柱塞泵上有溫度開關(guān)，用來監(jiān)測柱塞泵的溫度。在柱塞泵外殼貼有非接觸液位傳感器，用來測量是否缺機(jī)油。高溫是輕故障，缺油是致命故障。出現(xiàn)這兩種故障后，都不能啟動主機(jī)，需要操作人員排除故障并在上位機(jī)上進(jìn)行故障復(fù)位后再次啟動。系統(tǒng)中加入溫度開關(guān)，安放于室外。溫度開關(guān)設(shè)置到2 ℃。單溫度開關(guān)動作后，系統(tǒng)啟動伴熱帶。伴熱帶纏繞在電磁閥、水處理器管路以及水箱底部管路上，防止凍壞閥門和管路。對于極端嚴(yán)寒環(huán)境，可以配合使用防凍液來防凍。

系統(tǒng)的液位控制獨(dú)立。當(dāng)液位低于低液位時，水處理設(shè)備啟動。液位達(dá)到高液位時，水處理設(shè)備停止工作。水處理設(shè)備定期進(jìn)行自動排污和反清洗處理。

4 結(jié)語

粉塵傳感器采用GP2Y1014AU進(jìn)行粉塵監(jiān)測，精度不高，且粉塵大的時候容易在監(jiān)測點(diǎn)落塵，需要定期拿酒精進(jìn)行清洗，增加了維護(hù)工時。在隨后的相同系統(tǒng)改進(jìn)中，采用激光粉塵監(jiān)測傳感器，加入防塵罩和采樣風(fēng)扇，將測出的數(shù)值按比例進(jìn)行換算顯示。這樣只需定期吹掃防塵罩即可，減少了維護(hù)工作量，使得設(shè)備更加穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)中去除比例放大器和比例溢流閥，采用變頻器控制主機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對壓力的控制。壓力傳感器的信號直接接入變頻器，變頻器內(nèi)部采用比例-積分-導(dǎo)數(shù)（Proportion-Integral-Differential，PID）模式來控制電機(jī)。PLC與變頻器之間采用485接口Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行通信，既可以實(shí)現(xiàn)原有功能，還可以減少一個模擬量擴(kuò)展模塊AM03，經(jīng)濟(jì)又節(jié)能。通過此系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用，加入單片機(jī)和PLC控制，使得設(shè)備在粉塵數(shù)據(jù)采集、顯示、快速抑塵、降溫、節(jié)能和無人值守方面得到了提升和改善。該系統(tǒng)已經(jīng)在煤倉抑塵行業(yè)大量使用，其衍生設(shè)備也逐漸應(yīng)用于降溫、消毒、園林造景等行業(yè)。