粉塵火花探測(cè)及熄除系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

梅帥杰 梁爽

摘 要：在風(fēng)管、刨床、干燥、螺旋等等的輸送過程中，特別是粉塵的傳輸過程經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些不為人注意的微小火花[1]，從而造成嚴(yán)重的后果。若這個(gè)火花產(chǎn)生在除塵系統(tǒng)之外，通常不會(huì)引起火災(zāi)事故，但是這個(gè)火花如果沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并被吸塵管道吸入，將進(jìn)入隱燃狀態(tài)。當(dāng)它到達(dá)除塵室，由于氣壓回升到接近常壓，將會(huì)恢復(fù)明火燃燒，而引起較大事故。[2]本粉塵管道運(yùn)輸中火花探測(cè)系統(tǒng)直接對(duì)管道中的危險(xiǎn)火花進(jìn)行探測(cè)，并將信號(hào)傳至上位機(jī)。總體來說火花探測(cè)系統(tǒng)有三大模塊：火花探測(cè)傳感器、火花控制處理器和上位機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以起到遇到預(yù)防火災(zāi)和爆炸的作用，從根源上消除安全隱患。

關(guān)鍵詞：火花探測(cè)；傳感器；控制器；預(yù)防監(jiān)控

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.127

1 引言

粉塵的火災(zāi)和爆炸往往會(huì)造成財(cái)產(chǎn)的巨大損失，具有極強(qiáng)的破壞性，可能會(huì)中斷生產(chǎn)，甚至危及人身安全，且容易產(chǎn)生二次爆炸。二次爆炸時(shí)，粉塵濃度一般比一次爆炸時(shí)高得多，故二次爆炸威力比第一次要大得多。近些年來，國(guó)家針對(duì)相關(guān)排放企業(yè)的提出必須帶有過濾和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，在國(guó)外，相關(guān)火花探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)已經(jīng)相當(dāng)成熟。而國(guó)內(nèi)卻相當(dāng)空白，因粉塵發(fā)生的爆炸事故頻發(fā)，許多中小型企業(yè)甚至沒有安裝相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)，因此火花探測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)研究迫在眉睫。

2 粉塵火花探測(cè)及熄除系統(tǒng)基本工作原理和組成部分

本系統(tǒng)首先研究粉塵輸送管道中各類火花特征光譜，對(duì)高速光敏器件進(jìn)行選型，匹配探測(cè)波長(zhǎng)，確保探頭能探測(cè)到最小的火花顆粒，具備高靈敏性，同時(shí)可穿透高密度塵埃進(jìn)行探測(cè)。

在完成火花特征光譜研究和光敏器件選型后，搭建模擬火花生成環(huán)境，參照管道環(huán)境布置傳感器。同時(shí)搭接傳感器調(diào)理電路，測(cè)量分析光敏器件在模擬火花環(huán)境中的電特性參數(shù)，修正調(diào)理電路參數(shù)。通過光電檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)火花探測(cè)系統(tǒng)傳感器模擬信號(hào)調(diào)理[3]。

下一步使用嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)及軟件編碼實(shí)現(xiàn)下位機(jī)、上位機(jī)開發(fā)。通過arduino和通訊接口的軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化采集及通訊協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)。上位機(jī)端通過協(xié)議解析，獲取下位機(jī)傳送的火花信息，進(jìn)行綜合顯示。

火花處理控制器（下位機(jī)）通過傳感器以及其他模塊來采集并且轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)等，并將信號(hào)傳輸至上位機(jī)設(shè)備。火花探測(cè)系統(tǒng)由火花探測(cè)頭檢測(cè)火花特征光譜，探測(cè)火花或余火的存在，把報(bào)警信號(hào)發(fā)送給控制臺(tái)，再由控制臺(tái)給出相對(duì)應(yīng)的措施。控制臺(tái)可通過網(wǎng)絡(luò)化通訊方式接收到來自一個(gè)或多個(gè)火花處理控制器傳感器的警報(bào)信號(hào)，方便工作人員統(tǒng)一管理。

本系統(tǒng)組成部分如下：

2.1 火花探測(cè)傳感器

整個(gè)系統(tǒng)的前提是對(duì)火花信號(hào)的精確檢測(cè)，要求火花探測(cè)傳感器能夠快速準(zhǔn)確捕獲經(jīng)過輸送管道整個(gè)橫截面的危險(xiǎn)因素火花，甚至夾帶在高密度物料中間的火花也能夠被檢測(cè)到，以完成大面積、高速度的火花探測(cè)。此外，火花探測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不產(chǎn)生負(fù)面影響，火花探測(cè)傳感器在安裝簡(jiǎn)易性的同時(shí)也要保證輸送型管道的封閉性。

傳感器名稱測(cè)量波長(zhǎng)探測(cè)角度

PIN硅光電二極管 300-1100nm 65度

單路火焰?zhèn)鞲衅髂K 760-1100nm 60度

雙路火焰?zhèn)鞲衅髂K 760-1100nm 60度

五路火焰?zhèn)鞲衅髂K 700-1100nm 大于120度

BPW34硅光電池 400-1100nm 65度

2.2 火花處理控制器

系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收火花探測(cè)傳感器檢測(cè)信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)類型數(shù)目做出相應(yīng)判斷。在工業(yè)管道輸送過程中，為了確保實(shí)時(shí)性，該裝置需要沒有間斷的進(jìn)行火花檢測(cè)。因此，火花處理系統(tǒng)支持計(jì)數(shù)多個(gè)火花探測(cè)傳感器的信號(hào)采集，系統(tǒng)信號(hào)干擾小，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確接收。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)提供友好、直觀的交互界面，方便操作人員了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及對(duì)監(jiān)控區(qū)域的觀察及控制，做出高效有用的決策。

三大模塊之間需要穩(wěn)定而及時(shí)的通訊建立與系統(tǒng)本身的高可靠性，所以火花探測(cè)系統(tǒng)還有如下通訊功能；此系統(tǒng)需要將數(shù)據(jù)反饋到上位機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)，以便于用戶對(duì)監(jiān)控狀態(tài)及系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行觀察、判斷、控制和記錄。當(dāng)然，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的廣闊性，監(jiān)控范圍過大，單個(gè)火花處理控制器所接傳感器個(gè)數(shù)有限，需要多個(gè)控制單元協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)多模塊的多機(jī)擴(kuò)展。火花探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)定，用以保證上下位機(jī)、多模塊擴(kuò)展等傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。

3 總結(jié)

（1）本文致力于研發(fā)一套包含火花探測(cè)傳感器、火花處理控制器以及上位機(jī)系統(tǒng)等模塊的完整的粉塵火花及熄除系統(tǒng)，火花處理控制器模塊進(jìn)行擴(kuò)展數(shù)據(jù)通訊，并且選擇CAN 總線與上位機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從來一個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)可以控制多個(gè)控制器以達(dá)到監(jiān)測(cè)較廣范圍區(qū)域的目的。本文所設(shè)計(jì)的火花探測(cè)傳感器由于檢測(cè)波段為近紅外范圍，故具有一定局限性。而針對(duì)一些其他危險(xiǎn)情形，可以選擇設(shè)計(jì)其他的探測(cè)元器件以達(dá)到檢測(cè)要求。

（2）本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，但是在輸送管道中的爆炸產(chǎn)生的原因可能是方方面面的，所以在設(shè)計(jì)中傳感器時(shí)可以同時(shí)加入粉塵濃度、溫濕度等參數(shù)來達(dá)到全方位安全監(jiān)測(cè)的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]阿濟(jì)格.粉塵爆炸事故頻發(fā)科學(xué)防治是關(guān)鍵[N].中華合作時(shí)報(bào)，2011-06-07C03.

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