基于嵌入式系統控制的金屬礦山井下智能降塵裝置的研制

李建++歐陽健強++吳富姬

摘 要：本文介紹了一種在金屬礦山下應用的閉環控制的井下降塵裝置，該裝置由傳感器和控制主機組成，該裝置結構簡單，應用效果良好。

關鍵詞：嵌入式系統；閉環；自動降塵；傳感器

0 引言

隨著鎢礦、稀土工業的發展，礦山安全、環境污染等一系列問題正成為人們關注的重點，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。隨著時間的推移，金屬礦山挖掘的深度越來越深，開采和運輸的距離越來越遠，導致了運輸過程粉塵的污染嚴重，帶來了一系列的職業健康問題。同時，國家出臺了一系列的政策，推動治理金屬礦山的井下粉塵污染問題。

本項目研制的嵌入式智能降塵檢測系統具有靈敏度高、響應速度快、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、卸礦斗和作業面等多種復雜區域，從而具有重大的研究意義。目前矽肺病是金屬礦山職業衛生健康危害最大的病因之一，其導致的原因也是井下作業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，它關系到礦工的身心健康和礦井的安全生產。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，同時可進一步降低礦工的職業病危害，最大限度地保障礦井的安全生產。

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220V變壓器。首先，兩個或兩個以上帶粉塵監測的傳感器（取平均值，不容易誤判斷）會實時監測安裝位置的粉塵濃度，并且通過模數轉換裝置傳輸給主機，主機根據事先設置好的參數判斷粉塵是否超過閾值，如果比較的粉塵濃度小于設定參數值，則繼續實時監測，如果得到的比較平均值大于設定參數值，主機發出一個信號給水路開關，降塵裝置的開關將打開。隨著霧化裝置的進行，該位置的粉塵濃度會不斷降低，當監測粉塵傳感器監測到空氣中的粉塵濃度低于參數設置值時，主機給出新信號關閉降塵裝置。

粉塵濃度傳感器主要用于礦山粉塵作業場所總粉塵濃度的連續監測。能夠在自然風流狀態下實時的、就地、連續不間斷地監測顯示井下粉塵濃度、當前溫度值、濕度值以及輸出與灑水噴霧的降塵裝置開關量信號，實現了測塵降塵、監測環境的最佳效果。

2 硬件設計

本裝置用于金屬礦山的自動降塵，如圖1所示主要由主機控制系統、傳感監測系統和降塵輸出系統組成。主機控制系統由按鍵、高亮顯示器以及語言播報裝置組成，按鍵可設置參數，高亮顯示器能在黑暗環境下顯示清晰當前環境的溫度、濕度和粉塵濃度，并且可以將這些參數通過語音讀出；傳感監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；降塵輸出系統則是由電磁閥、水路系統、增壓泵、霧化裝置和過濾系統組成，其中，為了防止霧化裝置阻塞，過濾系統需要定期清潔或更換。

圖1 硬件示意圖

其中，粉塵監測傳感器采用的是光纖濃度數轉換光纖濃度傳感器。它的主要作用是將探測到的粉塵濃度值轉換成光波信號，再轉換成電壓信號，電壓信號經過比較電路，可直接讀入系統。嵌入式系統主機在這個系統中屬于系統的處理中心，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行到各個電路，以達到一種閉環控制的目的。

3 軟件設計

本裝置的軟件主要由主處理程序和中斷子程序構成。開機后先初始化，然后打開中斷，再跳入主程序開始執行，實時接收粉塵傳感器送過來的模擬量同時計時，如果接收值大于參數設定值則開閥降塵，設置好采樣頻率后進行實時采樣，每次取十次采樣的平均值，之后通過延時處理，以保證不會錯誤降塵和減少閥的頻繁動作。

4 應用效果

①操作簡單。本裝置在金屬非金屬礦山主巷道、支巷道、卸礦斗和作業面等多種復雜區域自動降塵，參數閾值已經由工程技術人員設置好，如遇特殊情況可切換至手動模式開啟或關閉，即可實現快速降塵，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環節多、降塵時間長、井下降塵作業人員之間的配合和降塵質量難于保證等問題，節省了大量人工費用，消除了粉塵污染對降塵作業人員的傷害，降塵裝置自動完成噴霧工作，確保巷道的噴霧降塵效果可觀。③處理迅速。傳統的人工噴灑水巷道、作業面每次工作需要2～3人來完成，程序煩瑣，完成一個區域的降塵時間很長，耗費的人力物力多。假設一個作業面至少需2人每天不少于2個小時降塵，使用本裝置只需要半個小時就能迅速處理完成，且不需要人工干預，減少了作業人員使用及設備施工環節，降低了事故發生概率，減輕了工人的勞動強度，極大的節約了成本，并且提高了工作效率。

5 結論

本文設計的閉環控制嵌入式裝置，可高效、實時的降塵，在某金屬礦山應用后效果良好，受到極大的好評。此降塵裝置的開發研制可提高金屬礦山井下的環境質量，極大地保護井下人員的健康。

參考文獻：

[1]馬素平，寇子明.噴霧降塵機理的研究[J].煤炭學報，2005，30（3）：297-300.

[2]張強.井下軌道大巷灑水降塵裝置的設計應用[J].中州煤炭，2007（3）：14-16.

[3]葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理與技術[M].西安：西安交通大學出版社，1996.

[4]王函韻，溫云波.基于GPRS技術的配電網通訊解決方案[J].電力學與工程，2003（4）：46-49.

[5]張玉生，何紅太.基于GPRS無線技術的架空電力線路監測系統[J].微計算機信息，2005：23-32.

[6]王章利.井下移動噴霧降塵車的研制與應用[J].繼電器，2011（8）：28-29.

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