矿用综合自动喷雾装置的设计与应用

罗小博，张 强

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037

喷 雾是实现矿山各场所粉尘治理和火灾防控的 有效手段。一方面，通过向含尘空气中喷洒雾滴，使喷出的雾滴与粉尘发生碰撞、截留、静电等作用，从而实现降尘的目的[1]；另一方面，部分雾滴在运动过程中与空气充分混合并迅速蒸发[2]，吸热降温，余下雾滴则增加空气湿度；再者，密集的雾滴也有抑制或扑灭火势的作用。随着科技进步，井下无人化、设备智能化已成为新的发展趋势，而智能矿山建设主要目标是实现矿井作业少人乃至无人化[3]。笔者设计了一种自动喷雾装置，通过传感器采集多种工况环境的相关信号交送控制单元，经综合分析后自动控制喷雾动作，装置同时提供远程实时监测和手动控制的功能，避免去现场操作，提升了井下喷雾作业的效率和无人化水平。

1 总体方案设计

1.1 结构组成

自动喷雾装置主要由主控箱、传感器、控制阀门和喷雾架 4 部分构成，总体结构如图 1 所示。主控箱内置主控电路、电磁阀驱动电路以及本安电源，外接 6 种传感器，可分别采集粉尘质量浓度值、温度值、湿度值、烟雾信号、热释光控信号、触控信号以及声控信号。控制阀门分为电磁阀和电动球阀，能根据各种工况环境的不同水质特点切换使用。

图1 自动喷雾装置总体结构Fig.1 Overall structure of automatic spraying device

1.2 技术方案与实现路径

主控箱原理框图如图 2 所示。主控电路采用单片机作控制核心，结合存储器、日历时钟、RS485 通信、红外遥控接收、液晶显示等实现数据的转换、存储、显示及数据的传输，并输出控制信号，对执行器件进行控制。电磁阀驱动电路以电源模块和继电器为核心，通过电源模块将输入端 127 V 交流电压转换为 24 V 直流电压，继电器根据控制电路发出的控制信号来控制 24 V 是否输出，从而实现对电磁阀开关的控制。数据采取 RS485 通信，以适应现有矿山通信标准。整个装置以主控箱内的主控电路为控制主体，采集各类传感器的信号，处理、显示、存储，并根据应用需求，开发相应的工作模式软件，实现不同场所、模式可选的自动喷雾功能。

图2 主控箱原理框图Fig.2 Block diagram of principle of main control box

2 硬件设计

2.1 核心处理单元

通常采用单片机、ARM、CPLD 及 DSP 几种智能器件作核心控制单元。作为整个装置的核心，主控电路实现自动喷雾过程中的参数采集、处理、决策、执行及通信等功能。自动喷雾装置采用 STC12C5A60S2 作为主控芯片。该主控芯片和 8051 指令、管脚完全兼容，对开发设备要求较低[4]。

2.2 数据采集及设备控制

数据采集及控制电路如图 3 所示。485 信号采集电路采用包括 SN65LBC184、TLP521 在内的集成芯片，通过 RS485 方式接收和转换来自粉尘质量浓度传感器、温湿度传感器的数据信息。SN65LBC184 器件是 SN75176 交易标准封装中的差分数据线收发器，具有针对高能噪声瞬变的内置保护。TLP521 是可控制的光电耦合器件，用于减小电路干扰。

图3 数据采集及控制电路Fig.3 Data collection and control circuit

开关量信号采集电路采用 LM393D 和 TLP521 光耦等组成接收开关量信号 (光控、触控、声控传感器) 的电路。开关量 (光控) 端输入的信号电压与基准电压比较，产生高、低两种电平信号，最后传输给单片机，判断是否接收到开关量信号。

2.3 电磁阀供电驱动

电磁阀驱动电路如图 4 所示。由单片机发出的控制信号通过固态继电器来控制电磁阀的供电，控制电磁阀的打开和关闭[5]。该电路使用的高速 CMOS 器件 SN74HC14，具有施密特触发反相器的功能，处理后的信号控制固态继电器的吸合或断开，从而决定电磁阀是否得到供电。

图4 电磁阀驱动电路框图Fig.4 Solenoid valve driving circuit

2.4 本安电源

主控电路采用 18.5 V 本安供电，外接各类传感器也采用了 8.5、18.5 V 2 种电压供电，而主控箱是直接从外部取 127 V 交流电，因此在箱体内设计交流转直流电路，其设计原理框图如图 5 所示。从外部接入的交流电压经电感滤波和第一次整流后，经 AC/DC 模块转换后输出直流电压，再经二次整流滤波以及稳压处理，形成 8.5、18.5 V 的直流电压，用于主控电路以及外部传感器的供电。

图5 8.5/18.5 V 本安电源设计原理Fig.5 Design principle of 8.5/18.5 V intrinsic safe power

3 软件设计

采用 C 语言编写装置软件，同时使用美国 Keil 公司的 Keil C51 编译器来编译程序。主控电路共设计了 3 种可选工作模式。首先主控电器读取工作模式、时间等系统参数，然后根据读取的参数进入相应模式的工作状态。

3.1 超限控制模式

在超限控制模式下，主控电路通过读取粉尘质量浓度值、温度值和湿度值 (RS485 信号)，比较其与设定阈值的大小，从而打开或关闭控制阀门。当粉尘质量浓度高于设定阈值、温度高于设定阈值、湿度低于设定阈值这 3 种条件中至少 1 种触发，同时，控制电路未接收到光控信号 (开关量信号)，则控制阀门打开，开启喷雾；当粉尘质量浓度高于设定阈值、温度高于设定阈值、湿度低于设阈值这 3 种条件中至少 1 种触发，同时，控制电路接收到光控信号，开启延时。延时时间内，控制阀门闭合，以停止喷雾。延时结束且期间未收到光控信号，再次回到判断测量值是否超限的步骤。超限控制模式的软件流程如图 6 所示。

图6 超限控制模式软件流程Fig.6 Software program of over-limit control mode

3.2 触发控制模式

在触发控制模式下，当主控电路接收到触控、声控、烟雾信号 (开关量信号)，开启延时。延时时间内，控制控制阀门打开，以开启喷雾。延时时间结束且期间未收到触控、声控、烟雾信号，控制控制阀门闭合，停止喷雾。触发控制模式的软件流程如图 7 所示。

图7 触发控制模式软件流程Fig.7 Software program of triggering control mode

3.3 定时控制模式

在定时控制模式下，主控电路读取当前的时间值 (时、分)，判断此时间值是否在设定喷雾时间段内，从而打开或关闭控制阀门。当时间值处于设定区间以内，同时控制电路未接收到光控信号(开关量信号)，则控制控制阀门打开，开启喷雾；当时间值处于设定区间以内，同时控制电路接收到光控信号，开启延时。延时时间内，控制控制阀门闭合，停止喷雾。延时结束且期间未收到光控信号，再次回到判断时间值是否处于设定区间内的步骤。定时控制模式的软件流程如图 8 所示。

图8 定时控制模式软件流程Fig.8 Software program of timing control mode

4 测试结果分析

在实验室对自动喷雾装置的工作环境参数进行调整，控制粉尘质量浓度、温度、湿度、时间以及各类触发信号的值，以检验装置基于多种环境因素对喷雾动作的自动控制功能。自动喷雾装置在 3 种工作模式下的实验室测试数据如表 1～ 3 所列。

表1 超限控制模式下的测试数据Tab.1 Test data in over-limit control mode

表2 触发控制模式下的测试数据Tab.2 Test data in triggering control mode

表3 定时控制模式下的测试数据Tab.3 Test data in timing control mode

通过调整粉尘质量浓度、温度、湿度的值，使它们高于或低于设定阈值，同时控制光控信号的产生或消失，观察控制阀门的开停动作以及动作的维持时间。由表 1 数据可以看出，装置在超限控制模式下，当粉尘质量浓度、温度和湿度均不越过阈值时，控制阀门为关闭状态；在粉尘质量浓度、温度和湿度中任一参数超过阈值，同时光控信号无触发的条件下，控制阀门均为开启状态；在粉尘质量浓度、温度和湿度中任一参数超过阈值，同时光控信号触发的条件下，控制阀门在延时时间内保持关闭状态，延时过后变为开启状态。

5 现场应用

装置在陕西、内蒙、山西等省二十余座矿山投入了运行，通过现场检验发现，装置在巷道防降尘、输送带防降尘、输送带防灭火、作业区温湿度控制等方面应用效果良好。图 9(a)、(b) 所示为装置在榆林三道沟煤矿通过智能监控平台所展示的实时运行情况。

图9 自动喷雾装置在榆林三道沟煤矿的应用Fig.9 Application of automatic spraying device in Yulin Sandaogou Coal Mine

6 结语

设计研发的超限、定时、开关触发功能于一体的自动喷雾装置，可实时、准确地对粉尘质量浓度、温度、湿度、时间、烟雾、巷道人车经过、输送带运煤以及放炮等情况进行统一的在线检测和智能控制。自动喷雾装置在多座矿山实地应用表明，其控尘效果显著，有效提升了矿山在降尘、防灭火领域的自动化、智能化水平。