基于物联网的雾化降尘效果优化研究

安然然，路晨贺，张蔓蔓

(沈阳化工大学 计算机科学与技术学院，辽宁 沈阳 110142)

矿石在处理过程中要经过粗碎、中细碎及筛分等过程，粗碎后要输送到中细碎车间再次粉碎.在进一步的粉碎过程当中，矿料是通过皮带进行运输的，因为皮带振动使附着在矿料表面的粉尘会逐渐扩散污染环境.当前的策略是在皮带上每隔一段距离进行喷水降尘，但是对于喷水间隔距离以及喷水量的设定基本是采用定点、定量喷水，装置安置如图1所示.因为矿石在不同的处理环节产生粉尘的程度不同，譬如矿石在粗碎后，矿料直径较大，破碎中产生的粉尘也较少，因此,在皮带运输中如果采用定点、定量喷水，往往造成矿料过湿或喷淋量、水电大量浪费；而在筛分车间处理阶段，因为矿料已经通过细碎环节，粉尘颗粒特别多，如果也是采用固定的定点定量方式，往往产生两种结果：如果两次喷水点过于近，虽然降低了灰尘，但是导致矿料过湿，容易使矿料黏在皮带上，造成皮带跑偏；如果喷水距离过远，又会导致降尘效果不理想.

图1 定点定量的雾化降尘装置安置

目前矿业部门针对矿料处理及输送过程中产生的粉尘，大多采用的是定点定量的雾化降尘技术，并且几乎所有的降尘操作都是人工的[1]，因此，在矿料的整个处理及输送流程中降尘效果不是很明显.本系统采用物联网技术，可以对矿石在粗碎后转运到中细碎的过程、中细碎转运到筛分车间的过程进行监控，监测粉尘的发散规律，根据规律选取合适的距离设置降尘点，并根据降尘点的粉尘采集程度决定当下降尘点的喷淋量及下一个降尘点的喷淋量，合理调节前后降尘点的喷淋量，保证最佳降尘程度下的转运皮带上喷淋用水量最小.

1 分析系统的设计方案

分析系统的设计方案如图2所示.它模仿了网络结构当中的三层结构，可以更加规范化地处理各个系统层级之间的任务分配.网络结构中的接入层是由系统中的粉尘监测节点充当，汇聚层是由粉尘浓度汇总节点充当，核心层是由主控计算机和下位机来充当.粉尘监测点以网络拓扑结构当中的星形拓扑结构与汇总节点连接，汇总节点与主控计算机之间以无线方式进行通信.监测点由物联网传感器、STM32微处理器以及振动能量收集供电模块构成.其主要作用是采集矿料在输送过程中各监测点的粉尘浓度及湿度，并且经过处理后将粉尘浓度通过CAN总线传输到汇总节点.粉尘浓度汇总节点由高性能、主频为168 MHZ、FLASH高达2 MHz的微处理器STM32F429，无线通信模块CC2430[2]以及振动能量收集供电模块构成.其主要作用是对各个监测点的粉尘浓度进行汇总并通过无线通信传送到主控机，并且传送主控机发送下位机的控制命令.主控计算机是由工业级计算机组成.其作用是接收各个汇总节点的粉尘浓度信息，并将其存储在数据库中，对各个监测点的粉尘浓度进行实时处理与粉尘浓度的实时显示，相应地对各个监测点进行参数设置.

图2 粉尘浓度采集与控制的物联网结构设计

2 分析系统硬件设计

分析系统的硬件设计主要包括3大部分：数据采集模块、数据汇总模块以及主控模块.DSM501A是数据采集模块的核心，主要采用离子计数原理，可监测到直径1 μm以上的粒子，监测灵敏度高，内置加热器可实现自动吸入空气，而且它尺寸小、重量轻，易于安装使用，可以准确地采集皮带廊关键节点的粉尘数据；数据汇总模块以CC2430为核心，CC2430是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片[3]，其作用是为了解决矿区内数据汇总模块与控制中心连线问题，它可以实现数据汇总模块到控制中心数据的无线高速传输.

2.1 数据采集模块

系统主要是针对矿料处理及输送流程中粉尘扩散程度的研究，所以，粉尘浓度的采集是重中之重.雾化降尘装置放置的合理度决定了粉尘浓度采集的准确度，进而决定了降尘策略的合理性.数据采集模块是由STM32微控制器与DSM501A粉尘浓度传感器构成.DSM501A粉尘传感器可以根据采集的粉尘浓度信息产生脉冲信号.该装置共有5个引脚.其中1脚作为控制脚，外接电阻调节4脚的灵敏度.输出脚为2脚和4脚，区别在于其监测粉尘颗粒的范围不同：2脚的监测粒子的最小粒径为1 μm，而4脚的监测粒子的最小粒径为2.5 μm.3脚接5 V的电源，5脚接地.DSM501A的工作电压是(5.0±0.5)V,最大工作电流为90 mA.当监测到1 μm以上的粒子时，会输出0.7 V左右的低电压，当没有粒子时，输出的是4.5 V左右的高电压.但是STM32微控制器的最大输入电压为3.6 V，所以，PWM信号不能直接输入到STM32微控制器，必须要经过降压电路处理，这里使用如图3所示的经典运放降压电路对PWM信号进行降压处理.

图3 运放降压电路

如图3所示，输入信号是指DSM501A输出的信号，将滑动变阻器处的电压调整为4.5 V.当DSM501A信号为0.7 V时，输出信号输出0 V，完成了对DSM501A信号的降压处理；当DSM501A信号为4.5 V时，输出信号输出3.6 V.

2.2 数据汇总模块

粉尘浓度汇总节点的硬件设计如图4所示.它主要由STM32F429微控制器、ZigBee通信以及振动能量收集[4]供电3大模块构成.

图4 粉尘浓度汇总节点的硬件设计

数据汇总模块是系统中不可或缺的部分，因为STM32F429的主频可达140 MHz，在整个系统起过度作用.它将粉尘浓度监测节点发送信息汇总到一起，高速地将其发送到主控机，而且也会传送主控机反馈回来的控制命令到下位机，保证整个系统的高效性，提高了系统的决策效率.

3 分析系统的软件设计

对矿料处理及输送流程中粉尘扩散程度的研究，软件设计十分重要.软件功能的丰富性决定了整个研究的灵活性.分析系统的软件设计主要包括：程序运行主函数、数据有效性检测函数、A/D转换函数以及曲线绘制函数.其中程序流程如图5所示.该软件用C#语言编写，应用导入Microsoft操作Excel相关类、加载COM组件支持库、建立Application应用实例对象等技术[5]，并且使用了SQLsever关系型数据库，可以设置数据查询权限，提高了系统的安全性.生成的页面如图6所示，其具有灵活修改系统参数、调用数据、历史查询等功能，并且设有数据库管理按钮，管理员可以通过账号密码对数据库内的数据进行增删改查的有效操作.

图5 雾化降尘系统软件设计的程序流程

图6 雾化降尘系统的软件界面

4 应用结果分析

为了对矿料处理及输送流程中粉尘扩散程度的系统研究，设置雾化降尘装置[6]合理放置位置，分别对从矿料粗碎到中细碎输送过程及从中细碎过程到筛分输送过程进行监测.

4.1 粉尘数据采集

矿料在经过粗碎过程后直径大约是100 mm，但是在经过中细碎的过程中直径将会被处理为几十毫米甚至几毫米，所以，在皮带的输送过程中将会产生大量的粉尘，并且由于皮带的振动会产生粉尘的扩散，影响矿区的环境质量.故对矿料从粗碎到中细碎输送过程设定了如下放置策略：矿料经过粗碎处理之后进行喷淋处理，以5 m为距离单位，分别在距离粗碎后5 m、10 m、15 m等处设置监控点，利用物联网传感器(粉尘浓度传感器)采集各个监控点的粉尘浓度，得到的粉尘质量浓度数据如表1所示，其中A、B是粉尘质量浓度监测点.但是从中细碎到筛分车间输送过程中由于矿料的粒度更小，所产生的粉尘量增多，所以采用更加精细的采样策略：矿料在经过中细碎处理之后进行喷淋处理，以3 m为距离单位，分别在距离中细碎后3 m、6 m、9 m、12 m等处设置监控点，采集各点的粉尘质量浓度，得到从中细碎到筛分车间输送过程中的粉尘质量浓度数据，如表2所示.

表1 从粗碎到中细碎输送过程中粉尘质量浓度随传输距离变化的数据

表2 从中细碎到筛分车间输送过程中粉尘质量浓度随传输距离变化的数据

Table 2 Data on the change of dust concentration with transmission distance in the course of transportation from medium and fine crushing to sieve workshop

距离/m粉尘质量浓度/(mg·m-3)AB31731596236263957642612821765157156471854337521214243243053662718720530215177

粉尘质量浓度采集后，利用粉尘质量浓度数据分析以上两个输送过程粉尘质量浓度随传输距离的变化规律，为雾化降尘装置制定了相应的安置策略.对各个监测点的数据进行采集，研究策略应用前后矿料从粗碎到中细碎输送过程以及从中细碎到筛分车间输送过程的粉尘质量浓度变化，并绘制曲线，分别如图7和图8所示.对不同天气的粉尘扩散程度随输送距离的变化规律进行研究，分别制定相应策略，经过策略的反复调整，整个系统得到了预期的效果.

图7 策略应用前后矿料从粗碎到中细碎输送过程中粉尘质量浓度的对比曲线

图8 策略应用前后矿料从中细碎到筛分车间输送过程中粉尘质量浓度的对比曲线

4.2 粉尘数据分析

为了合理设计雾化降尘装置的安置策略，系统地分析了从粗碎到中细碎输送过程中粉尘浓度.可以看出从距离粗碎车间5～15 m这段距离上，粉尘扩散程度逐渐增加，到达15 m时粉尘浓度达到峰值505 mg/m3，之后粉尘浓度随传输距离的增长粉尘浓度逐渐降低，但是每个单位距离段内粉尘浓度的扩散程度是不同的.为此在距离粗碎车间10 m处之前安置一个雾化降尘装置；经过重复的粉尘浓度采集并对其粉尘数据进行分析，分别在距离粗碎车间15 m和25 m处之前安置了雾化降尘装置.最终得出了如图7所示的降尘策略应用前后的粉尘浓度对比曲线，可以清晰地看出该降尘系统的降尘效果非常明显.经过对粉尘浓度数据的计算，降尘策略应用前后粉尘浓度的均值降低了152 mg/m3，更加显示出降尘策略的优越性.

系统地分析了从中细碎到筛分车间输送过程中粉尘质量浓度的数据.粉尘质量浓度分别在距离中细碎车间3～12 m和15～18 m两段区域内呈上升趋势且达到峰值，其中最高值为730 mg/m3，最低值为370 mg/m3.因此，应该在粉尘浓度第一次上升之前安置雾化降尘装置，要在距离中细碎车间3 m处安置雾化降尘装置；经过多次对粉尘浓度采集之后，确定了在距离中细碎车间筛分车间的9 m、15 m、21 m以及30 m处之前安置雾化降尘装置.最终得到了如图8所示的粉尘浓度对比曲线，充分证明了该雾化降尘系统的高效性、灵活性和准确性，实现了矿山降尘的自动化设计.

5 结 论

随着物联网技术的逐渐成熟以及工业自动化的逐步推进，本系统在硬件和软件两个方面设计了基于物联网的粉尘浓度采集电路，可以实时获取矿料处理及输送过程当中各指定节点的粉尘浓度，并对其进行系统的分析研究，得出合理雾化降尘装置的安置策略.克服了矿山内数据传输速率低、环境质量差以及降尘用水浪费严重的问题.经过实践证明该研究显著提高了雾化降尘系统的实用性，并且是一个低造价、安装简单、容易维护、自动化程度高的系统.