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綜采工作面自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)噴霧滅塵裝置的設(shè)計(jì)
摘要：煤礦井下綜采工作面的粉塵對(duì)煤炭生產(chǎn)的安全和工人的健康構(gòu)成了很大威脅。為了改善礦井采煤工作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了一套綜采工作面自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)噴霧滅塵控制系統(tǒng)。裝置通過采煤機(jī)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(xiàn)采煤機(jī)的定位功能。
裝置根據(jù)采煤機(jī)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(jī)切割頭下風(fēng)方向的粉塵，實(shí)現(xiàn)采煤工作面的自動(dòng)滅塵。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)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(dá)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)過程中粉塵主要來源于采掘工作面，由于礦井通風(fēng)的特殊性，會(huì)在綜采面采煤機(jī)的下風(fēng)向飄散著大量的煤塵。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)。煤塵塵肺病無時(shí)無刻不在殘害著在粉塵環(huán)境中的工作人員，是殺人不見血的軟刀子。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(dāng)前一項(xiàng)刻不容緩的大事。
本論文設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于煤礦綜采工作面的自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)噴霧滅塵裝置（以下簡稱裝置），實(shí)現(xiàn)綜采面的無人值守自動(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，裝置通過采煤機(jī)上搭載的紅外發(fā)射器和支架下的紅外接收器實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的定位功能。裝置可以根據(jù)風(fēng)向，煤塵的大小，設(shè)置開啟噴頭的個(gè)數(shù)、距離采煤機(jī)的位置（隔架噴淋的支架數(shù)）等工作參數(shù)。裝置實(shí)時(shí)檢測采煤機(jī)的運(yùn)行位置，在采煤機(jī)風(fēng)流下方自動(dòng)順序開啟/關(guān)閉數(shù)道架間扇形強(qiáng)霧，對(duì)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(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)
本文所研究設(shè)計(jì)的煤礦井下綜采工作面自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)噴霧滅塵裝置結(jié)構(gòu)，主要由紅外發(fā)射器、電源箱、主機(jī)、分機(jī)、紅外接收器、電磁閥、噴頭、過濾器、手動(dòng)閥門、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(jī)，因此本裝置中要實(shí)現(xiàn)多達(dá)100 多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的控制網(wǎng)絡(luò)。采煤工作面啟動(dòng)采煤機(jī)，采煤機(jī)搭載紅外發(fā)射源沿著軌道運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)主機(jī)逐個(gè)查詢分機(jī)紅外接收器是否接收到紅外信號(hào)，主機(jī)根據(jù)收到的信息確定采煤機(jī)實(shí)時(shí)的位置，并且發(fā)出相關(guān)指令，控制相應(yīng)分機(jī)的本安電磁閥執(zhí)行開啟/關(guān)閉的操作。在整個(gè)通信過程中，各個(gè)分機(jī)之間沒有直接的數(shù)據(jù)交換，所有的通信過程都通過主機(jī)進(jìn)行控制，主從式的RS485 總線結(jié)構(gòu)恰好適合系統(tǒng)的通信特點(diǎn)。RS485 總線以其設(shè)備簡單，成本低廉的優(yōu)勢，在煤礦井下?lián)碛休^好的應(yīng)用基礎(chǔ)。因此裝置采用主從式RS485 總線作為主機(jī)與分機(jī)之間的通信總線，既節(jié)省了成本，又很好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求。
2.2 分機(jī)的電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主機(jī)相比分機(jī)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(jī)的電路結(jié)構(gòu)。圖中地址和功能輸入采用撥碼開關(guān)設(shè)定；紅外輸入采用紅外檢測傳感器；系統(tǒng)微控制器采用ATMEL 公司的Atmega8 單片機(jī)；隔離通信采用隔離電源為接口芯片供電，完成控制系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)之間的通信，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。穩(wěn)定的電源對(duì)于控制器的工作是重要的。礦用的供電系統(tǒng)供127V 交流電，但是滅塵系統(tǒng)工作電壓需要DC18V，控制電路工作電壓需要DC5V，因此通過兩級(jí)變壓產(chǎn)生電路所需的穩(wěn)定的工作的電壓。
系統(tǒng)的執(zhí)行器件是本安電磁閥。分機(jī)在收到開關(guān)電磁閥的命令后，由控制器發(fā)出指令通過控制電路控制開啟/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(tǒng)通信電路采用SP485R 作為RS485 接口芯片。SP485R 是Sipex 公司設(shè)計(jì)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(qiáng)。SP485R 芯片與流行的標(biāo)準(zhǔn)RS485 芯片管腳對(duì)應(yīng)相同，而且包含更高的ESD 保護(hù)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上，又不會(huì)引起RS485 驅(qū)動(dòng)器信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)串行口的RXD、TXD 通過光電隔離電路連接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(hào)通過光電隔離器件控制SP485R 芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D 信號(hào)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 總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D 信號(hào)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自RS485 總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。
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(dá)到19200bps。如果需要達(dá)到更高的RS485 通訊速率，則需要選用響應(yīng)速度更高的光耦器件。
通常在遠(yuǎn)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，本裝置的通信長度一般在200 米左右，且節(jié)點(diǎn)數(shù)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(hù)措施。但為了更加可靠地保護(hù)RS485 網(wǎng)絡(luò)，確保系統(tǒng)安全，我們通常還會(huì)額外增加一些保護(hù)電路。電路圖中，鉗位于6.8V 的TVS 管、D2 都是用來保護(hù)RS485 總線的，避免RS485 總線在受外界干擾時(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(hù)通信電路。電源處的R9 為壓敏電阻，印制電路中的異常過壓，增加電路的ESD 保護(hù)。以上附加的保護(hù)電路能夠?qū)P485R 芯片起到良好的保護(hù)效果。
3 裝置的軟件設(shè)計(jì)
對(duì)于自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)滅塵裝置，我們需要實(shí)時(shí)檢測每個(gè)分機(jī)的紅外接收器是否收到紅外發(fā)射信息，從而確定采煤機(jī)的位置，并針對(duì)采煤機(jī)的位置控制相應(yīng)液壓支架下的電磁閥開合，噴霧滅塵。整個(gè)系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)量不是很大，而對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求，因此參考協(xié)議制定了通信規(guī)約。
3.1 通信的數(shù)據(jù)格式
信息傳輸為異步方式，并以字節(jié)為單位。每個(gè)字節(jié)由8 位二進(jìn)制數(shù)組成。通信數(shù)據(jù)的字格式，主機(jī)和從機(jī)之間傳遞的數(shù)據(jù)是10 位的字格式。總線上通信數(shù)據(jù)的幀格式，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送保證總線至少3.5 個(gè)字符的空閑時(shí)間，作為幀的起始，用來區(qū)分每個(gè)不同的幀。
3.2 通信的傳輸過程
�。�1）時(shí)間間隔
通信波特率：19200bps。則每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間至少間隔3.5 個(gè)字符時(shí)間：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過定時(shí)器設(shè)定大于1.46ms 的時(shí)間，用于區(qū)分兩幀數(shù)據(jù)。當(dāng)接收方檢測到總線空閑時(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(shù)據(jù)的開始。
（2）地址碼
地址碼是每次通訊信息幀的第一字節(jié)（8 位），地址碼是總線上傳輸?shù)男畔臉?biāo)志，總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己固定的各不相同的地址碼。其中，無效地址為0，廣播地址為255，主機(jī)的地址固定為1，從機(jī)的地址由用戶設(shè)定，地址范圍視綜采面支架的數(shù)量而定。主機(jī)和從機(jī)相互通信必須包含接收信息的目標(biāo)地址，每個(gè)從機(jī)擁有唯一的地址碼，從機(jī)在和自己的地址碼比對(duì)符合后才能響應(yīng)主機(jī)的命令，同時(shí)執(zhí)行控制命令字并向主機(jī)回送信息。當(dāng)從機(jī)回復(fù)主機(jī)的信息時(shí)，目標(biāo)地址為主機(jī)的地址1。因總線上的通信為主從輪詢式，總是先由主機(jī)詢問從機(jī)，隨后主機(jī)等待從機(jī)回復(fù)，因此，在從機(jī)向主機(jī)回復(fù)的信息中，不需要使用一個(gè)字節(jié)來表明從機(jī)地址，主機(jī)便可知道此次回復(fù)的從機(jī)地址，可以節(jié)省一個(gè)字節(jié)的通信時(shí)間，提高總線通信的效率。
�。�3）功能碼
功能碼是總線上通信信息幀傳送的第二個(gè)字節(jié)，用來發(fā)送控制命令字。標(biāo)準(zhǔn)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(jī)滅塵裝置不需要和標(biāo)準(zhǔn)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)、開啟/關(guān)閉電磁閥、裝置暫停等功能命令。主機(jī)和分機(jī)通信數(shù)據(jù)中均包含相應(yīng)的功能碼，主機(jī)在收到分機(jī)的回復(fù)信息時(shí)，將功能碼與發(fā)送的功能碼比對(duì)，確認(rèn)分機(jī)已執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，作為通信過程中錯(cuò)誤監(jiān)測的一種手段。
�。�4）數(shù)據(jù)區(qū)
數(shù)據(jù)區(qū)在主機(jī)向分機(jī)發(fā)送時(shí)，用來儲(chǔ)存控制命令字的參數(shù)信息；在分機(jī)向主機(jī)回復(fù)的信息時(shí)用來儲(chǔ)存功能碼的執(zhí)行結(jié)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(shù)。
（5）校驗(yàn)碼（CRC 校驗(yàn)）
通訊協(xié)議的CRC 校驗(yàn)為2 字節(jié)的CRC16 校驗(yàn)�？偩�上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)幀信息，都要在幀的最后添加待發(fā)送數(shù)據(jù)的CRC16 校驗(yàn)數(shù)據(jù)。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一定的干擾。當(dāng)收到干擾，CRC 校驗(yàn)數(shù)據(jù)不符時(shí)，將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)舍棄，因此CRC 校驗(yàn)可以保證通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，增加系統(tǒng)的安全和效率。
3.3 軟件流程設(shè)計(jì)
主機(jī)和分機(jī)通信程序主要有以下幾個(gè)主要部分構(gòu)成：I/O 設(shè)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(jī)控制并接收數(shù)據(jù)的流程，b 為分機(jī)響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)指令的流程。
4 實(shí)驗(yàn)與分析
為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)自動(dòng)跟蹤滅塵裝置的功能效果，筆者于2009 年9 月，在開灤集團(tuán)荊各莊礦井下做了為期半個(gè)月的實(shí)驗(yàn)。在下井實(shí)驗(yàn)之前，在井上配合液路進(jìn)行了多次模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并對(duì)功能進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，測試自動(dòng)滅塵裝置對(duì)綜采面的降塵效果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和改進(jìn)。
裝置穩(wěn)定可靠安裝好以后，聯(lián)通液路管道，設(shè)置主機(jī)工作模式，開啟裝置電源，裝置開始工作。裝置運(yùn)行示意圖。裝置在井下綜采工作面使用的過程中，當(dāng)開啟3 個(gè)電磁閥噴霧的時(shí)候，在采煤機(jī)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(xù)擴(kuò)散。經(jīng)過在井下的實(shí)驗(yàn)，筆者使用礦用粉塵采樣儀對(duì)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（簡稱呼塵）指粒徑在5m 以下的能進(jìn)入人體肺泡區(qū)的顆粒物。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)綜采工作面采煤機(jī)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(yàn)中設(shè)定三組支架噴霧，距離采煤機(jī)滾筒一個(gè)支架身位的距離開啟滅塵。
測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，工作面采煤機(jī)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了40%。如果在采煤機(jī)下風(fēng)向開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，會(huì)有更好的降塵效果。
5 結(jié)論
本文研究并設(shè)計(jì)一套應(yīng)用于煤礦綜采工作面的自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)噴霧滅塵裝置，實(shí)現(xiàn)了綜采面的無人值守自動(dòng)滅塵。裝置順利通過現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿稍O(shè)計(jì)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/關(guān)水閥進(jìn)行降塵的落后模式。對(duì)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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