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綜采工作面自動(dòng)跟蹤采煤機噴霧滅塵裝置的設計
摘要：煤礦井下綜采工作面的粉塵對煤炭生產(chǎn)的安全和工人的健康構成了很大威脅。為了改善礦井采煤工作環(huán)境，本文設計了一套綜采工作面自動(dòng)跟蹤采煤機噴霧滅塵控制系統。裝置通過(guò)采煤機上搭載的紅外發(fā)射器和支架上安裝的紅外接收傳感器實(shí)現采煤機的定位功能。
裝置根據采煤機的位置控制安裝在支架上的本安電磁閥噴霧，消除處于采煤機切割頭下風(fēng)方向的粉塵，實(shí)現采煤工作面的自動(dòng)滅塵。實(shí)際運行表明，該系統解決了綜采工作面架間自動(dòng)噴霧的技術(shù)難題，降低了粉塵濃度，從而達到改善煤礦井下作業(yè)環(huán)境，確保安全生產(chǎn)的目的。
關(guān)鍵詞：綜采工作面；滅塵；紅外傳感器；RS485；自動(dòng)控制
1 引言
煤礦生產(chǎn)過(guò)程中粉塵主要來(lái)源于采掘工作面，由于礦井通風(fēng)的特殊性，會(huì )在綜采面采煤機的下風(fēng)向飄散著(zhù)大量的煤塵。綜采工作面粉塵的治理關(guān)系到煤礦工人的身體健康和煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)。煤塵塵肺病無(wú)時(shí)無(wú)刻不在殘害著(zhù)在粉塵環(huán)境中的工作人員，是殺人不見(jiàn)血的軟刀子。塵肺病已成為影響煤礦職工身體健康的一個(gè)重要公害。瓦斯煤塵爆炸是煤礦安全的最大威脅。因此，控制煤塵危害是當前一項刻不容緩的大事。
本論文設計一個(gè)應用于煤礦綜采工作面的自動(dòng)跟蹤采煤機噴霧滅塵裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)裝置），實(shí)現綜采面的無(wú)人值守自動(dòng)滅塵。裝置的工作原理。綜采工作面液壓支架上安裝噴霧的本安電磁閥及紅外接收傳感器，裝置通過(guò)采煤機上搭載的紅外發(fā)射器和支架下的紅外接收器實(shí)現采煤機的定位功能。裝置可以根據風(fēng)向，煤塵的大小，設置開(kāi)啟噴頭的個(gè)數、距離采煤機的位置（隔架?chē)娏艿闹Ъ軘担┑裙ぷ鲄�。裝置實(shí)時(shí)檢測采煤機的運行位置，在采煤機風(fēng)流下方自動(dòng)順序開(kāi)啟/關(guān)閉數道架間扇形強霧，對采煤作業(yè)時(shí)產(chǎn)生大范圍、高濃度粉塵自動(dòng)實(shí)施多道阻隔和高效降塵，從而降低了粉塵濃度，改善井下作業(yè)環(huán)境，確保煤礦井下安全生產(chǎn)。
2 裝置的硬件設計
2.1 系統總體硬件結構
本文所研究設計的煤礦井下綜采工作面自動(dòng)跟蹤采煤機噴霧滅塵裝置結構，主要由紅外發(fā)射器、電源箱、主機、分機、紅外接收器、電磁閥、噴頭、過(guò)濾器、手動(dòng)閥門(mén)、三通、水管以及和電路配套的礦用電纜組成。每一個(gè)液壓支架下安裝一個(gè)控制分機，因此本裝置中要實(shí)現多達100 多個(gè)通信節點(diǎn)的控制網(wǎng)絡(luò )。采煤工作面啟動(dòng)采煤機，采煤機搭載紅外發(fā)射源沿著(zhù)軌道運動(dòng)，系統主機逐個(gè)查詢(xún)分機紅外接收器是否接收到紅外信號，主機根據收到的信息確定采煤機實(shí)時(shí)的位置，并且發(fā)出相關(guān)指令，控制相應分機的本安電磁閥執行開(kāi)啟/關(guān)閉的操作。在整個(gè)通信過(guò)程中，各個(gè)分機之間沒(méi)有直接的數據交換，所有的通信過(guò)程都通過(guò)主機進(jìn)行控制，主從式的RS485 總線(xiàn)結構恰好適合系統的通信特點(diǎn)。RS485 總線(xiàn)以其設備簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)勢，在煤礦井下?lián)碛休^好的應用基礎。因此裝置采用主從式RS485 總線(xiàn)作為主機與分機之間的通信總線(xiàn)，既節省了成本，又很好的實(shí)現了系統要求。
2.2 分機的電路設計
系統的主機相比分機減少了紅外接收傳感器和電磁閥的控制電路，其他部分是相同的。
分機的電路結構。圖中地址和功能輸入采用撥碼開(kāi)關(guān)設定；紅外輸入采用紅外檢測傳感器；系統微控制器采用ATMEL 公司的Atmega8 單片機；隔離通信采用隔離電源為接口芯片供電，完成控制系統和主控制系統之間的通信，實(shí)現相關(guān)的功能。穩定的電源對于控制器的工作是重要的。礦用的供電系統供127V 交流電，但是滅塵系統工作電壓需要DC18V，控制電路工作電壓需要DC5V，因此通過(guò)兩級變壓產(chǎn)生電路所需的穩定的工作的電壓。
系統的執行器件是本安電磁閥。分機在收到開(kāi)關(guān)電磁閥的命令后，由控制器發(fā)出指令通過(guò)控制電路控制開(kāi)啟/關(guān)閉繼電器，連通電磁閥所在的回路，進(jìn)行工作，噴霧滅塵。
系統通信電路采用SP485R 作為RS485 接口芯片。SP485R 是Sipex 公司設計生產(chǎn)的高性能RS485 收發(fā)器，能夠替換通用的RS485 收發(fā)器，并在許多方面有所增強。SP485R 芯片與流行的標準RS485 芯片管腳對應相同，而且包含更高的ESD 保護和高接收器輸入阻抗等性能。接收器輸入高阻抗可以使400 個(gè)收發(fā)器接到同一條傳輸線(xiàn)上，又不會(huì )引起RS485 驅動(dòng)器信號的衰減。SP485R 芯片比通用RS485 收發(fā)器具有更低的功耗，最低僅為250mW，共模輸入電壓范圍為-7V～+12V。使用光電隔離方式連接的SP485R 的通信接口電路圖。微處理器的標準串行口的RXD、TXD 通過(guò)光電隔離電路連接SP485R 芯片的RO、DI 引腳，控制芯片R/D 同樣經(jīng)光電隔離電路去控制SP485R 芯片的DE 和RE 引腳。由微處理器輸出的R/D 信號通過(guò)光電隔離器件控制SP485R 芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D 信號為“1”，則SP485R 芯片的和RE 引腳為“1”，發(fā)送器有效，接收器禁止，此時(shí)微處理器可以向RS485 總線(xiàn)發(fā)送數據字節；R/D 信號為“0”，則SP485R 芯片的DE 和RE 引腳為“0”，發(fā)送器禁止，接收器有效，此時(shí)微處理器可以接收來(lái)自RS485 總線(xiàn)的數據字節。
使用隔離的DC-DC 電源模塊可以產(chǎn)生1 組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS485 收發(fā)器電路提供+5V 電源。
電路中光耦器件的速率將會(huì )影響RS485 電路的通訊速率。選用了東芝公司的光耦器件TLP521 芯片，在光耦兩端電阻為1K 的情況下，可以使該RS485 電路的通訊速率達到19200bps。如果需要達到更高的RS485 通訊速率，則需要選用響應速度更高的光耦器件。
通常在遠距離的RS485 通信時(shí)，485 芯片的6、7 腳要接120 歐姆的終端匹配電阻，本裝置的通信長(cháng)度一般在200 米左右，且節點(diǎn)數量較多，因此不需要接匹配電阻。
芯片本身集成了有效的ESD 保護措施。但為了更加可靠地保護RS485 網(wǎng)絡(luò )，確保系統安全，我們通常還會(huì )額外增加一些保護電路。電路圖中，鉗位于6.8V 的TVS 管、D2 都是用來(lái)保護RS485 總線(xiàn)的，避免RS485 總線(xiàn)在受外界干擾時(shí)（雷擊、浪涌）產(chǎn)生的高壓損壞RS485 收發(fā)器。另外，電路中的18 歐姆的電阻R7、R8，用于限流保護通信電路。電源處的R9 為壓敏電阻，印制電路中的異常過(guò)壓，增加電路的ESD 保護。以上附加的保護電路能夠對SP485R 芯片起到良好的保護效果。
3 裝置的軟件設計
對于自動(dòng)跟蹤采煤機滅塵裝置，我們需要實(shí)時(shí)檢測每個(gè)分機的紅外接收器是否收到紅外發(fā)射信息，從而確定采煤機的位置，并針對采煤機的位置控制相應液壓支架下的電磁閥開(kāi)合，噴霧滅塵。整個(gè)系統通信的數據量不是很大，而對實(shí)時(shí)性有一定要求，因此參考協(xié)議制定了通信規約。
3.1 通信的數據格式
信息傳輸為異步方式，并以字節為單位。每個(gè)字節由8 位二進(jìn)制數組成。通信數據的字格式，主機和從機之間傳遞的數據是10 位的字格式�？偩�(xiàn)上通信數據的幀格式，在發(fā)送數據之前，發(fā)送保證總線(xiàn)至少3.5 個(gè)字符的空閑時(shí)間，作為幀的起始，用來(lái)區分每個(gè)不同的幀。
3.2 通信的傳輸過(guò)程
�。�1）時(shí)間間隔
通信波特率：19200bps。則每個(gè)數據幀之間至少間隔3.5 個(gè)字符時(shí)間：實(shí)際應用時(shí)，通過(guò)定時(shí)器設定大于1.46ms 的時(shí)間，用于區分兩幀數據。當接收方檢測到總線(xiàn)空閑時(shí)間大于1.46ms 之后，接收到的任何信息都將作為下一個(gè)幀數據的開(kāi)始。
�。�2）地址碼
地址碼是每次通訊信息幀的第一字節（8 位），地址碼是總線(xiàn)上傳輸的信息包的標志，總線(xiàn)上的每個(gè)節點(diǎn)都有自己固定的各不相同的地址碼。其中，無(wú)效地址為0，廣播地址為255，主機的地址固定為1，從機的地址由用戶(hù)設定，地址范圍視綜采面支架的數量而定。主機和從機相互通信必須包含接收信息的目標地址，每個(gè)從機擁有唯一的地址碼，從機在和自己的地址碼比對符合后才能響應主機的命令，同時(shí)執行控制命令字并向主機回送信息。當從機回復主機的信息時(shí)，目標地址為主機的地址1。因總線(xiàn)上的通信為主從輪詢(xún)式，總是先由主機詢(xún)問(wèn)從機，隨后主機等待從機回復，因此，在從機向主機回復的信息中，不需要使用一個(gè)字節來(lái)表明從機地址，主機便可知道此次回復的從機地址，可以節省一個(gè)字節的通信時(shí)間，提高總線(xiàn)通信的效率。
�。�3）功能碼
功能碼是總線(xiàn)上通信信息幀傳送的第二個(gè)字節，用來(lái)發(fā)送控制命令字。標準的通訊協(xié)議可定義的功能碼為1 到127，而綜采工作面自動(dòng)跟蹤采煤機滅塵裝置不需要和標準終端相連，因此只定義了其中的一部分私有的功能碼。其中包括讀取紅外接收傳感器狀態(tài)、開(kāi)啟/關(guān)閉電磁閥、裝置暫停等功能命令。主機和分機通信數據中均包含相應的功能碼，主機在收到分機的回復信息時(shí)，將功能碼與發(fā)送的功能碼比對，確認分機已執行相應動(dòng)作，作為通信過(guò)程中錯誤監測的一種手段。
�。�4）數據區
數據區在主機向分機發(fā)送時(shí)，用來(lái)儲存控制命令字的參數信息；在分機向主機回復的信息時(shí)用來(lái)儲存功能碼的執行結果，包括紅外接收器的狀態(tài)，電磁閥工作狀態(tài)等工作參數。
�。�5）校驗碼（CRC 校驗）
通訊協(xié)議的CRC 校驗為2 字節的CRC16 校驗�？偩�(xiàn)上傳輸的所有數據幀信息，都要在幀的最后添加待發(fā)送數據的CRC16 校驗數據。由于煤礦井下的通信環(huán)境比較惡劣，各種大功率用電器回帶來(lái)一定的干擾。當收到干擾，CRC 校驗數據不符時(shí)，將錯誤的數據舍棄，因此CRC 校驗可以保證通信數據的準確度，增加系統的安全和效率。
3.3 軟件流程設計
主機和分機通信程序主要有以下幾個(gè)主要部分構成：I/O 設置程序、中斷接收程序和控制處理程序以及加電自檢程序、地址讀取程序等。軟件流程，a 為主機控制并接收數據的流程，b 為分機響應并執行相應指令的流程。
4 實(shí)驗與分析
為了檢驗所設計的采煤機自動(dòng)跟蹤滅塵裝置的功能效果，筆者于2009 年9 月，在開(kāi)灤集團荊各莊礦井下做了為期半個(gè)月的實(shí)驗。在下井實(shí)驗之前，在井上配合液路進(jìn)行了多次模擬實(shí)驗，對整個(gè)系統進(jìn)行調試，并對功能進(jìn)行檢驗評估，測試自動(dòng)滅塵裝置對綜采面的降塵效果，對結果進(jìn)行分析和改進(jìn)。
裝置穩定可靠安裝好以后，聯(lián)通液路管道，設置主機工作模式，開(kāi)啟裝置電源，裝置開(kāi)始工作。裝置運行示意圖。裝置在井下綜采工作面使用的過(guò)程中，當開(kāi)啟3 個(gè)電磁閥噴霧的時(shí)候，在采煤機下風(fēng)向形成了3 道水霧墻，有效的撲滅空氣中游離的粉塵，阻隔粉塵隨風(fēng)繼續擴散。經(jīng)過(guò)在井下的實(shí)驗，筆者使用礦用粉塵采樣儀對裝置安裝使用前后降塵的效果做了記錄。粉塵濃度是指單位體積空氣中所含粉塵的質(zhì)量，單位為mg/m3。呼吸性粉塵（簡(jiǎn)稱(chēng)呼塵）指粒徑在5m 以下的能進(jìn)入人體肺泡區的顆粒物。實(shí)驗中，對綜采工作面采煤機的下風(fēng)向3 道水霧墻后以及回風(fēng)順槽的全塵和呼塵濃度進(jìn)行了記錄。
實(shí)驗中設定三組支架?chē)婌F，距離采煤機滾筒一個(gè)支架身位的距離開(kāi)啟滅塵。
測得的實(shí)驗數據，工作面采煤機下風(fēng)向3 道水霧墻后全塵和呼吸性粉塵的降塵率都接近，回風(fēng)順槽處在使用滅塵裝置以后，全塵和呼塵的降塵率也超過(guò)了40%。如果在采煤機下風(fēng)向開(kāi)啟更多的電磁閥噴霧，同時(shí)液路的水壓更大、噴嘴的性能更好的話(huà)，會(huì )有更好的降塵效果。
5 結論
本文研究并設計一套應用于煤礦綜采工作面的自動(dòng)跟蹤采煤機噴霧滅塵裝置，實(shí)現了綜采面的無(wú)人值守自動(dòng)滅塵。裝置順利通過(guò)現場(chǎng)試驗能夠完成設計功能，解決了綜采工作面支架間自動(dòng)噴霧的技術(shù)難題，可取代原有手動(dòng)開(kāi)/關(guān)水閥進(jìn)行降塵的落后模式。對于改善井下作業(yè)環(huán)境、防止塵肺病危害、確保煤礦井下安全生產(chǎn)起到了重要作用。
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