篩分車間礦料倉除塵優化策略

安然然， 路晨賀， 高文文， 張蔓蔓

(沈陽化工大學 計算機科學與技術學院， 遼寧 沈陽 110142)

礦場對礦石的處理要經過粗碎、中碎、細碎及篩分4個過程，其中，篩分是在篩分車間進行的.如圖1所示，當布料小車向礦料倉進行落料時有碎石和礦粉混合落入礦料倉內，礦料倉會在布料期間因礦料的下落而產生氣旋激蕩，當布料小車離開布料口后，因氣旋激蕩產生的粉塵會在開放的落料口處驟然性噴發，會對篩分車間造成環境污染危害工人身體健康.因此需要設計一套落料倉內粉塵濃度監測系統，該系統可以實時監測落料口處的粉塵濃度，并做出相應處理減少落料口處粉塵濃度的擴散，進而解決篩分車間落料口處粉塵的擴散問題.

圖1 篩分車間內礦料處理流程

1 監控系統總體設計

監控系統通過物聯網粉塵濃度傳感器實時監控落料口處粉塵濃度，通過CAN總線輸送到物聯網無線通信節點，無線通信節點對采集的數據進行統一整理，最終通過無線通訊方式發送到中央控制系統.中央控制系統進行分析后，向篩分車間的集中除塵器發出控制命令，根據實時情況調整現場除塵器的實際功率，對可能出現的泉涌性噴發提前作出預判，并降低粉塵的擴散程度.

監測系統的物聯網由物聯網粉塵濃度傳感器模塊、物聯網無線通信模塊以及中央控制系統構成，如圖2所示.物聯網粉塵濃度傳感器由粉塵濃度傳感器以及低功耗、主頻為72 MHz、FLASH為128 kB的 STM32F103B微處理器構成[1]，其主要作用是采集篩分車間內各個落料倉的粉塵濃度，并將粉塵濃度通過CAN總線傳輸物聯網無線通信節點.物聯網無線通信節點由高性能、主頻為140 MHz、FLASH高達2 MB的微處理器STM32F429以及無線通信模塊CC2430構成，其主要作用是對各個粉塵濃度傳感器采集的粉塵濃度進行匯總并通過無線通信方式傳送到中央控制系統，并將中央系統下達的反饋控制命令傳遞回現場.中央控制系統選用工業級計算機，其作用是接收無線通信模塊匯總的粉塵濃度信息，將其存儲在數據庫中，并對粉塵濃度數據進行分析，從而制定相應的控制策略，及時地反饋給篩分現場，達到預判效果.

圖2 篩分車間降塵系統的物聯網構成

2 監控系統的硬件結構設計

物聯網粉塵濃度傳感器是將粉塵濃度傳感器、CAN收發器及STM32F103B進行有效組合并封裝在一起，用于對現場粉塵濃度進行采集與傳送.物聯網無線通信模塊是對STM32F429和CC2430進行封裝，STM32F429利用自身的CAN收發器對各個物聯網粉塵濃度傳感器傳送的數據進行接收，并將接收的數據通過CC2430無線傳輸至中央控制系統.整個監控系統的工作流程如圖 3 所示.物聯網粉塵濃度傳感器主要負責實時采集粉塵濃度并且傳送給 STM32F103B 處理，但在實際采集過程中粉塵濃度信號比較微弱，所以需要經過放大處理；同時在自然環境下會存在干擾信號(如電磁信號)，信號去噪是必不可少的步驟.由于計算機只識別數字信號，STM32F103B 類型的微處理器也是如此，所以信號還要經過 A/D 轉換，產生 STM32 可以識別的信號.通過一系列處理之后有效的數據到達 STM32F103B 微處理器，再通過CAN總線將其傳送給高處理速率的 STM32F429 微控制器進行匯總，STM32F429 高速地將匯總后信號通過 CC2430 無線傳送到遠程監控的主控計算機.主控計算機接收到匯總信號后進行數據存儲、分析與動態顯示，經過分析產生相應的控制命令和響應，這些控制命令通過無線通信方式到達 STM32F429，最終控制篩分車間內集中降塵裝置的運行功率，整體實現粉塵濃度的采集、處理、存儲、控制等一系列流程.該系統操作簡單，容易維護，并大大增強了系統可靠性和靈活性.

圖3 監控系統工作流程

3 物聯網粉塵濃度傳感器設計

落料倉內被落料壓制的粉塵是篩分車間內粉塵擴散的主要源頭，能否準確控制粉塵泉涌式噴發是降塵的關鍵.所以本系統使用了物聯網粉塵濃度傳感器，實現了粉塵濃度傳感器的智能化.物聯網粉塵濃度傳感器由粉塵濃度傳感器DSM501A與STM32F103B封裝而成，并外接了由CAN收發器構成的CAN通信模塊[2]，其硬件構成如圖4所示.主要由STM32F103B 微處理器、粉塵濃度傳感器、信號處理模塊、按鍵、CAN通信、數據存儲和聲光警指示電路等幾大模塊組成.

圖4 物聯網粉塵濃度傳感器的硬件構成

STM32F103B的主要功能是利用SPI總線將粉塵濃度傳感器實時采集的粉塵濃度信號經過A/D轉換后轉換成計算機可以識別的數字信號，將其存儲在STM32微控制器當中.CAN總線會將處理后的粉塵濃度信號傳送給物聯網無線通信節點，供主控機處理.另外，STM32微控制器上還提供了聲光報警裝置，該裝置的作用是物聯網粉塵濃度傳感器的自檢報警裝置，當粉塵濃度節點自身發生故障時會產生報警提示：LED出現頻閃，BEEF發出聲響，且指明節點的范圍，供工作人員檢驗.當降塵裝置出故障時會進行及時處理，提高系統的準確性.

在物聯網傳感器中粉塵濃度的采集與處理是最主要的部分，直接關系到除塵系統的功率情況，因此本系統為保證采集的實時性，通過SPI總線完成數據傳送，如圖5所示.物聯網粉塵濃度傳感器使用DSM501A粉塵傳感器[3]，主要采用離子計數原理，可監測到直徑1 μm以上的粒子，監測靈敏度高，可以根據采集的粉塵濃度信息產生脈沖信號.當監測到1 μm以上的粒子時，會輸出0.7 V左右的低電平；當沒有粒子時，輸出的是4.5 V左右的高電平.但是STM32微控制器的最大輸入電壓為3.6 V，所以要實現SPI通信還必須進行降壓處理.由于該設計將粉塵濃度傳感器與STM32微控制器進行封裝，所以其通信速率可達12 MHz，可以確保數據傳輸的高效性與實時性.

4 物聯網無線通信節點設計

篩分車間的集中除塵風機是由中央控制系統控制的，因此本系統監測到的數據需要傳送到中央控制系統集中進行整理，經過對數據的分析之后再進行控制.物聯網無線通信節點也是系統中不可或缺的部分，STM32F429的主頻可達140 MHz，可以高速地匯總并傳輸物聯網粉塵濃度傳感器采集的數據.STM32F429微控制器快速地匯總還可減輕主控計算機的負載，實現資源利用率的最大化.

為了解決礦區內篩分車間與控制中心連線問題，STM32F429還外接了CC2430無線通信模塊.CC2430無線通信模塊是Chipcon公司生產的首款符合ZigBee技術的2.4 GB射頻系統單芯片[4]，其與STM32F429的引腳連接方式如圖6所示.無線通信模塊的通信流程為：CC2430通過SPI總線與STM32F429微控制器進行粉塵濃度數據的收發，并完成匯總處理，將匯總后的數據傳送給中央控制系統，供主控計算機分析處理及存儲.主控計算機分析處理之后，得到落料倉內粉塵濃度的擴散規律，進而制定集中除塵的除塵策略，再將反饋的控制命令通過無線傳輸形式傳送給STM32F429微處理器，最終到達篩分車間控制集中除塵風機.

圖6 STM32F429與ZigBee無線通信模塊連接框圖

ZigBee無線通信以其傳輸方式方便靈活、便于接入、不受任何物理線路影響、作用范圍長的特點，完全滿足粉塵濃度數據的高效傳輸以及對集中除塵風機實時控制的要求.

5 控制系統的軟件設計

為了確定系統穩定運行，需要對物聯網粉塵濃度傳感器進行自檢操作，其自檢流程如圖7所示.控制系統的軟件是對硬件功能的補充和完善，提供對粉塵濃度的歷史查詢和實時顯示等功能，在很大程度上有助于粉塵濃度優化策略的制定.篩分車間自動降塵控制系統的頁面如圖8所示.

利用C# 編程語言編寫，應用導入Microsoft操作Excel相關類、加載COM組件支持庫、建立Application應用實例對象等技術[5].軟件具有如下設計特點：將粉塵濃度數據存儲在數據庫中，根據篩分車間的實際情況設置數據庫更新頻率；設有數據庫登錄按鈕，礦山管理員可以通過賬號口令對數據庫內的數據進行查詢打印等操作，這一功能提高了系統的安全性；可以修改系統參數，靈活地設定集中除塵風機的位置；具有物聯網粉塵濃度傳感器的狀態顯示的功能.

本設計將粉塵濃度傳感器分別放置于落料倉內落料口的內邊沿處，每一個落料口放置2個粉塵濃度傳感器進行連續監測，目的在于減少粉塵濃度傳感器與下落礦料的碰撞以及減少粉塵濃度誤差.由于各個落料倉的裝置布置以及采集方法相同，所以僅以監測點1為例，對布料小車離開布料口之后50～90 s、110～140 s以及180～210 s 三個時間段進行監控.根據采集的粉塵濃度調整集中除塵風機的運行功率，調整前后粉塵質量濃度如表1所示.

表1 策略應用前后監測點1粉塵質量濃度

根據表1的相關數據，得到如圖9所示的粉塵質量濃度對比曲線.

圖9 策略應用前后礦料倉監測點1粉塵濃度的對比曲線

可以看出粉塵質量濃度趨于平穩，未發生過粉塵質量濃度突增和突降的現象；采用降塵策略后粉塵質量濃度的峰值為627 mg/m3，遠遠小于降塵策略應用前的1 213 mg/m3；平均粉塵質量濃度下降236.3 mg/m3，可見該系統的降塵效果十分顯著；自動降塵控制系統大大降低了篩分車間的粉塵質量濃度，明顯改善了篩分車間的空氣質量，并且以精確的降塵控制方式，明顯減少了降塵的用電量，切實保障了礦工身體健康和礦區生產安全.

6 結 論

從實驗結果中可以看出:在應用除塵策略后礦料倉落料口處的粉塵濃度明顯降低.以監測點1為例，平均粉塵濃度下降了236.3 mg/m3，可見該系統的降塵效果十分顯著，這是因為物聯網粉塵傳感器可以實時采集布料車在布料時產生的粉塵發散情況，中央控制系統能夠根據現場傳送的實時數據，合理調整集中除塵風機對落料口處的除塵功率，有效減少了粉塵擴散問題.但是該系統也存在不足，當中央控制系統對除塵風機的除塵功率進行調整時，由于礦料倉的空間較大，調整后風機的風不能及時到達指定位置，也會造成一定時間內的粉塵擴散.所以，今后要大量積累各監測點的粉塵濃度數據，利用一定的數據分析方法對粉塵擴散情況進行預判，減少類似情況發生，使降塵策略進一步精細化.