基于嵌入式系統(tǒng)控制的金屬礦山井下智能降塵裝置的研制

李建++歐陽健強(qiáng)++吳富姬

摘 要：本文介紹了一種在金屬礦山下應(yīng)用的閉環(huán)控制的井下降塵裝置，該裝置由傳感器和控制主機(jī)組成，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；閉環(huán)；自動(dòng)降塵；傳感器

0 引言

隨著鎢礦、稀土工業(yè)的發(fā)展，礦山安全、環(huán)境污染等一系列問題正成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，尤其井下粉塵濃度高，對井下工作人員的身心健康造成了極大的威脅。隨著時(shí)間的推移，金屬礦山挖掘的深度越來越深，開采和運(yùn)輸?shù)木嚯x越來越遠(yuǎn)，導(dǎo)致了運(yùn)輸過程粉塵的污染嚴(yán)重，帶來了一系列的職業(yè)健康問題。同時(shí)，國家出臺(tái)了一系列的政策，推動(dòng)治理金屬礦山的井下粉塵污染問題。

本項(xiàng)目研制的嵌入式智能降塵檢測系統(tǒng)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、分辨力高，抗電磁干擾、適用于金屬非金屬礦山主巷道、支巷道、卸礦斗和作業(yè)面等多種復(fù)雜區(qū)域，從而具有重大的研究意義。目前矽肺病是金屬礦山職業(yè)衛(wèi)生健康危害最大的病因之一，其導(dǎo)致的原因也是井下作業(yè)人員長期暴露在有大量粉塵的地方，因此防治粉塵在金屬礦山十分必要，它關(guān)系到礦工的身心健康和礦井的安全生產(chǎn)。該裝置的研制可大大提高金屬礦山粉塵防治的可靠性和精確性，同時(shí)可進(jìn)一步降低礦工的職業(yè)病危害，最大限度地保障礦井的安全生產(chǎn)。

1 裝置原理

本裝置安裝在金屬礦山井下粉塵較大的位置，需要接水管和220V交流電壓，如水壓不夠，需要安裝增壓泵，電壓不匹配，則需要安裝轉(zhuǎn)220V變壓器。首先，兩個(gè)或兩個(gè)以上帶粉塵監(jiān)測的傳感器（取平均值，不容易誤判斷）會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測安裝位置的粉塵濃度，并且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置傳輸給主機(jī)，主機(jī)根據(jù)事先設(shè)置好的參數(shù)判斷粉塵是否超過閾值，如果比較的粉塵濃度小于設(shè)定參數(shù)值，則繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，如果得到的比較平均值大于設(shè)定參數(shù)值，主機(jī)發(fā)出一個(gè)信號(hào)給水路開關(guān)，降塵裝置的開關(guān)將打開。隨著霧化裝置的進(jìn)行，該位置的粉塵濃度會(huì)不斷降低，當(dāng)監(jiān)測粉塵傳感器監(jiān)測到空氣中的粉塵濃度低于參數(shù)設(shè)置值時(shí)，主機(jī)給出新信號(hào)關(guān)閉降塵裝置。

粉塵濃度傳感器主要用于礦山粉塵作業(yè)場所總粉塵濃度的連續(xù)監(jiān)測。能夠在自然風(fēng)流狀態(tài)下實(shí)時(shí)的、就地、連續(xù)不間斷地監(jiān)測顯示井下粉塵濃度、當(dāng)前溫度值、濕度值以及輸出與灑水噴霧的降塵裝置開關(guān)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了測塵降塵、監(jiān)測環(huán)境的最佳效果。

2 硬件設(shè)計(jì)

本裝置用于金屬礦山的自動(dòng)降塵，如圖1所示主要由主機(jī)控制系統(tǒng)、傳感監(jiān)測系統(tǒng)和降塵輸出系統(tǒng)組成。主機(jī)控制系統(tǒng)由按鍵、高亮顯示器以及語言播報(bào)裝置組成，按鍵可設(shè)置參數(shù)，高亮顯示器能在黑暗環(huán)境下顯示清晰當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度和粉塵濃度，并且可以將這些參數(shù)通過語音讀出；傳感監(jiān)測裝置組主要由濕度傳感器、粉塵傳感器和溫度傳感器組成；降塵輸出系統(tǒng)則是由電磁閥、水路系統(tǒng)、增壓泵、霧化裝置和過濾系統(tǒng)組成，其中，為了防止霧化裝置阻塞，過濾系統(tǒng)需要定期清潔或更換。

圖1 硬件示意圖

其中，粉塵監(jiān)測傳感器采用的是光纖濃度數(shù)轉(zhuǎn)換光纖濃度傳感器。它的主要作用是將探測到的粉塵濃度值轉(zhuǎn)換成光波信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過比較電路，可直接讀入系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中屬于系統(tǒng)的處理中心，它是用來接受粉塵濃度傳感器所探測的粉塵濃度值來控制液晶顯示器、語音提示電路及排塵控制電路等，它將處理好的信息分別執(zhí)行到各個(gè)電路，以達(dá)到一種閉環(huán)控制的目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

本裝置的軟件主要由主處理程序和中斷子程序構(gòu)成。開機(jī)后先初始化，然后打開中斷，再跳入主程序開始執(zhí)行，實(shí)時(shí)接收粉塵傳感器送過來的模擬量同時(shí)計(jì)時(shí)，如果接收值大于參數(shù)設(shè)定值則開閥降塵，設(shè)置好采樣頻率后進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，每次取十次采樣的平均值，之后通過延時(shí)處理，以保證不會(huì)錯(cuò)誤降塵和減少閥的頻繁動(dòng)作。

4 應(yīng)用效果

①操作簡單。本裝置在金屬非金屬礦山主巷道、支巷道、卸礦斗和作業(yè)面等多種復(fù)雜區(qū)域自動(dòng)降塵，參數(shù)閾值已經(jīng)由工程技術(shù)人員設(shè)置好，如遇特殊情況可切換至手動(dòng)模式開啟或關(guān)閉，即可實(shí)現(xiàn)快速降塵，一鍵式操作簡單，易于控制。②降塵良好。本裝置的研制有效解決了由人工灑水降塵存在的作業(yè)環(huán)節(jié)多、降塵時(shí)間長、井下降塵作業(yè)人員之間的配合和降塵質(zhì)量難于保證等問題，節(jié)省了大量人工費(fèi)用，消除了粉塵污染對降塵作業(yè)人員的傷害，降塵裝置自動(dòng)完成噴霧工作，確保巷道的噴霧降塵效果可觀。③處理迅速。傳統(tǒng)的人工噴灑水巷道、作業(yè)面每次工作需要2～3人來完成，程序煩瑣，完成一個(gè)區(qū)域的降塵時(shí)間很長，耗費(fèi)的人力物力多。假設(shè)一個(gè)作業(yè)面至少需2人每天不少于2個(gè)小時(shí)降塵，使用本裝置只需要半個(gè)小時(shí)就能迅速處理完成，且不需要人工干預(yù)，減少了作業(yè)人員使用及設(shè)備施工環(huán)節(jié)，降低了事故發(fā)生概率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大的節(jié)約了成本，并且提高了工作效率。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制嵌入式裝置，可高效、實(shí)時(shí)的降塵，在某金屬礦山應(yīng)用后效果良好，受到極大的好評。此降塵裝置的開發(fā)研制可提高金屬礦山井下的環(huán)境質(zhì)量，極大地保護(hù)井下人員的健康。

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作者簡介：李建（1983-），男，江西信豐人，碩士學(xué)歷，工程師，研究方向：自動(dòng)化。