羅小博，張 強

中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400037

噴 霧是實現(xiàn)礦山各場所粉塵治理和火災防控的 有效手段。一方面，通過向含塵空氣中噴灑霧滴，使噴出的霧滴與粉塵發(fā)生碰撞、截留、靜電等作用，從而實現(xiàn)降塵的目的[1]；另一方面，部分霧滴在運動過程中與空氣充分混合并迅速蒸發(fā)[2]，吸熱降溫，余下霧滴則增加空氣濕度；再者，密集的霧滴也有抑制或撲滅火勢的作用。隨著科技進步，井下無人化、設備智能化已成為新的發(fā)展趨勢，而智能礦山建設主要目標是實現(xiàn)礦井作業(yè)少人乃至無人化[3]。筆者設計了一種自動噴霧裝置，通過傳感器采集多種工況環(huán)境的相關信號交送控制單元，經(jīng)綜合分析后自動控制噴霧動作，裝置同時提供遠程實時監(jiān)測和手動控制的功能，避免去現(xiàn)場操作，提升了井下噴霧作業(yè)的效率和無人化水平。

1 總體方案設計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

自動噴霧裝置主要由主控箱、傳感器、控制閥門和噴霧架 4 部分構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。主控箱內(nèi)置主控電路、電磁閥驅(qū)動電路以及本安電源，外接 6 種傳感器，可分別采集粉塵質(zhì)量濃度值、溫度值、濕度值、煙霧信號、熱釋光控信號、觸控信號以及聲控信號。控制閥門分為電磁閥和電動球閥，能根據(jù)各種工況環(huán)境的不同水質(zhì)特點切換使用。

圖1 自動噴霧裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of automatic spraying device

1.2 技術方案與實現(xiàn)路徑

主控箱原理框圖如圖 2 所示。主控電路采用單片機作控制核心，結(jié)合存儲器、日歷時鐘、RS485 通信、紅外遙控接收、液晶顯示等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲、顯示及數(shù)據(jù)的傳輸，并輸出控制信號，對執(zhí)行器件進行控制。電磁閥驅(qū)動電路以電源模塊和繼電器為核心，通過電源模塊將輸入端 127 V 交流電壓轉(zhuǎn)換為 24 V 直流電壓，繼電器根據(jù)控制電路發(fā)出的控制信號來控制 24 V 是否輸出，從而實現(xiàn)對電磁閥開關的控制。數(shù)據(jù)采取 RS485 通信，以適應現(xiàn)有礦山通信標準。整個裝置以主控箱內(nèi)的主控電路為控制主體，采集各類傳感器的信號，處理、顯示、存儲，并根據(jù)應用需求，開發(fā)相應的工作模式軟件，實現(xiàn)不同場所、模式可選的自動噴霧功能。

圖2 主控箱原理框圖Fig.2 Block diagram of principle of main control box

2 硬件設計

2.1 核心處理單元

通常采用單片機、ARM、CPLD 及 DSP 幾種智能器件作核心控制單元。作為整個裝置的核心，主控電路實現(xiàn)自動噴霧過程中的參數(shù)采集、處理、決策、執(zhí)行及通信等功能。自動噴霧裝置采用 STC12C5A60S2 作為主控芯片。該主控芯片和 8051 指令、管腳完全兼容，對開發(fā)設備要求較低[4]。

2.2 數(shù)據(jù)采集及設備控制

數(shù)據(jù)采集及控制電路如圖 3 所示。485 信號采集電路采用包括 SN65LBC184、TLP521 在內(nèi)的集成芯片，通過 RS485 方式接收和轉(zhuǎn)換來自粉塵質(zhì)量濃度傳感器、溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)信息。SN65LBC184 器件是 SN75176 交易標準封裝中的差分數(shù)據(jù)線收發(fā)器，具有針對高能噪聲瞬變的內(nèi)置保護。TLP521 是可控制的光電耦合器件，用于減小電路干擾。

圖3 數(shù)據(jù)采集及控制電路Fig.3 Data collection and control circuit

開關量信號采集電路采用 LM393D 和 TLP521 光耦等組成接收開關量信號 (光控、觸控、聲控傳感器) 的電路。開關量 (光控) 端輸入的信號電壓與基準電壓比較，產(chǎn)生高、低兩種電平信號，最后傳輸給單片機，判斷是否接收到開關量信號。

2.3 電磁閥供電驅(qū)動

電磁閥驅(qū)動電路如圖 4 所示。由單片機發(fā)出的控制信號通過固態(tài)繼電器來控制電磁閥的供電，控制電磁閥的打開和關閉[5]。該電路使用的高速 CMOS 器件 SN74HC14，具有施密特觸發(fā)反相器的功能，處理后的信號控制固態(tài)繼電器的吸合或斷開，從而決定電磁閥是否得到供電。

圖4 電磁閥驅(qū)動電路框圖Fig.4 Solenoid valve driving circuit

2.4 本安電源

主控電路采用 18.5 V 本安供電，外接各類傳感器也采用了 8.5、18.5 V 2 種電壓供電，而主控箱是直接從外部取 127 V 交流電，因此在箱體內(nèi)設計交流轉(zhuǎn)直流電路，其設計原理框圖如圖 5 所示。從外部接入的交流電壓經(jīng)電感濾波和第一次整流后，經(jīng) AC/DC 模塊轉(zhuǎn)換后輸出直流電壓，再經(jīng)二次整流濾波以及穩(wěn)壓處理，形成 8.5、18.5 V 的直流電壓，用于主控電路以及外部傳感器的供電。

圖5 8.5/18.5 V 本安電源設計原理Fig.5 Design principle of 8.5/18.5 V intrinsic safe power

3 軟件設計

采用 C 語言編寫裝置軟件，同時使用美國 Keil 公司的 Keil C51 編譯器來編譯程序。主控電路共設計了 3 種可選工作模式。首先主控電器讀取工作模式、時間等系統(tǒng)參數(shù)，然后根據(jù)讀取的參數(shù)進入相應模式的工作狀態(tài)。

3.1 超限控制模式

在超限控制模式下，主控電路通過讀取粉塵質(zhì)量濃度值、溫度值和濕度值 (RS485 信號)，比較其與設定閾值的大小，從而打開或關閉控制閥門。當粉塵質(zhì)量濃度高于設定閾值、溫度高于設定閾值、濕度低于設定閾值這 3 種條件中至少 1 種觸發(fā)，同時，控制電路未接收到光控信號 (開關量信號)，則控制閥門打開，開啟噴霧；當粉塵質(zhì)量濃度高于設定閾值、溫度高于設定閾值、濕度低于設閾值這 3 種條件中至少 1 種觸發(fā)，同時，控制電路接收到光控信號，開啟延時。延時時間內(nèi)，控制閥門閉合，以停止噴霧。延時結(jié)束且期間未收到光控信號，再次回到判斷測量值是否超限的步驟。超限控制模式的軟件流程如圖 6 所示。

圖6 超限控制模式軟件流程Fig.6 Software program of over-limit control mode

3.2 觸發(fā)控制模式

在觸發(fā)控制模式下，當主控電路接收到觸控、聲控、煙霧信號 (開關量信號)，開啟延時。延時時間內(nèi)，控制控制閥門打開，以開啟噴霧。延時時間結(jié)束且期間未收到觸控、聲控、煙霧信號，控制控制閥門閉合，停止噴霧。觸發(fā)控制模式的軟件流程如圖 7 所示。

圖7 觸發(fā)控制模式軟件流程Fig.7 Software program of triggering control mode

3.3 定時控制模式

在定時控制模式下，主控電路讀取當前的時間值 (時、分)，判斷此時間值是否在設定噴霧時間段內(nèi)，從而打開或關閉控制閥門。當時間值處于設定區(qū)間以內(nèi)，同時控制電路未接收到光控信號(開關量信號)，則控制控制閥門打開，開啟噴霧；當時間值處于設定區(qū)間以內(nèi)，同時控制電路接收到光控信號，開啟延時。延時時間內(nèi)，控制控制閥門閉合，停止噴霧。延時結(jié)束且期間未收到光控信號，再次回到判斷時間值是否處于設定區(qū)間內(nèi)的步驟。定時控制模式的軟件流程如圖 8 所示。

圖8 定時控制模式軟件流程Fig.8 Software program of timing control mode

4 測試結(jié)果分析

在實驗室對自動噴霧裝置的工作環(huán)境參數(shù)進行調(diào)整，控制粉塵質(zhì)量濃度、溫度、濕度、時間以及各類觸發(fā)信號的值，以檢驗裝置基于多種環(huán)境因素對噴霧動作的自動控制功能。自動噴霧裝置在 3 種工作模式下的實驗室測試數(shù)據(jù)如表 1～ 3 所列。

表1 超限控制模式下的測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data in over-limit control mode

表2 觸發(fā)控制模式下的測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data in triggering control mode

表3 定時控制模式下的測試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data in timing control mode

通過調(diào)整粉塵質(zhì)量濃度、溫度、濕度的值，使它們高于或低于設定閾值，同時控制光控信號的產(chǎn)生或消失，觀察控制閥門的開停動作以及動作的維持時間。由表 1 數(shù)據(jù)可以看出，裝置在超限控制模式下，當粉塵質(zhì)量濃度、溫度和濕度均不越過閾值時，控制閥門為關閉狀態(tài)；在粉塵質(zhì)量濃度、溫度和濕度中任一參數(shù)超過閾值，同時光控信號無觸發(fā)的條件下，控制閥門均為開啟狀態(tài)；在粉塵質(zhì)量濃度、溫度和濕度中任一參數(shù)超過閾值，同時光控信號觸發(fā)的條件下，控制閥門在延時時間內(nèi)保持關閉狀態(tài)，延時過后變?yōu)殚_啟狀態(tài)。

5 現(xiàn)場應用

裝置在陜西、內(nèi)蒙、山西等省二十余座礦山投入了運行，通過現(xiàn)場檢驗發(fā)現(xiàn)，裝置在巷道防降塵、輸送帶防降塵、輸送帶防滅火、作業(yè)區(qū)溫濕度控制等方面應用效果良好。圖 9(a)、(b) 所示為裝置在榆林三道溝煤礦通過智能監(jiān)控平臺所展示的實時運行情況。

圖9 自動噴霧裝置在榆林三道溝煤礦的應用Fig.9 Application of automatic spraying device in Yulin Sandaogou Coal Mine

6 結(jié)語

設計研發(fā)的超限、定時、開關觸發(fā)功能于一體的自動噴霧裝置，可實時、準確地對粉塵質(zhì)量濃度、溫度、濕度、時間、煙霧、巷道人車經(jīng)過、輸送帶運煤以及放炮等情況進行統(tǒng)一的在線檢測和智能控制。自動噴霧裝置在多座礦山實地應用表明，其控塵效果顯著，有效提升了礦山在降塵、防滅火領域的自動化、智能化水平。