选煤厂智能除尘系统设计与应用

潘 瑛

（西山煤电（集团）有限责任公司官地选煤厂，山西太原030053）

选煤厂选煤过程中会产生许多细微粉尘颗粒，其中粉尘直径小于7.7 微米的粒子会以游离态悬浮于空气中，粉尘直径小于5 微米的粒子为可呼吸性粉尘，危害员工健康。选煤厂设备粘附粉尘后会加速设备老化、缩短设备使用周期，严重时会诱发设备故障。当选煤厂空气粉尘浓度达到一定浓度时会有爆炸的潜在危险，造成严重的安全生产事故[1-2]。因此，研究并设计选煤厂喷雾降尘系统具有重要意义。国内外学者针对选煤厂降尘展开一系列研究[3-5]。国内学者借鉴国外降尘原理，基于气溶胶力学、稳态均匀流程力学、颗粒群两相流模型等建立降尘模型，并应用单片机技术、PLC 技术、微控制器技术以及传感器技术建立降尘控制系统，达到喷雾降尘的目的。同时为增加选煤厂喷雾降尘系统的智能性，研究就地控制、远程控制、智能控制等多种模式，促进选煤厂降尘系统向智能化、信息化方向发展[6]。

1 智能除尘系统总体设计方案

选煤厂智能除尘系统总体设计方案见图1，在选煤厂粉尘指定点设置喷雾控制器1-n，用于就地控制该范围内的降尘设备并实时采集粉尘数据。喷雾控制器将采集到的数据经CAN 总线通讯上传至主控制器；主控制器经CAN/光纤转换器、CAN 接口卡后将数据传送至上位机、远程主机、监控主机等设备，用于显示各喷雾设备运行状态、参数设置以及故障信息等[7]。同时，主控制器将上位机、远程主机以及监控主机的控制指令经CAN 总线通讯后传送至各喷雾控制器，进而控制对应的电磁阀、按钮、急停等动作。为区分喷雾控制器，在进行CAN 总线通讯时为各喷雾控制器分配唯一11 位ID，上位机的控制指令以及数据由该ID 进行索引。当喷雾降尘过程中水压不足时，利用增压水泵进行水压增压，保证降尘效果。

图1 选煤厂智能除尘系统总体设计方案框图

2 系统硬件设计

选煤厂智能除尘系统硬件设计框图见图2。喷雾控制器实时采集粉尘浓度传感器、水压压力传感器数据并经A/D 转换后控制喷雾动作。主控制器接收键盘输入指令经滤波处理并综合考虑传感器数据后以CAN 总线通讯模式发送给喷雾控制器1-n，完成喷雾降尘动作[8-9]。同时主控制器各喷雾控制设备的运行状态、电磁阀状态、故障信息等传送给液晶显示器进行实时显示。同时可通过液晶显示器设置工作模式，根据控制要求设备控制参数等。

图2 选煤厂智能除尘系统硬件设计框图

选煤厂智能除尘系统数据传送基于芯片MC33897BEF 和CAN 总线通讯实现，接口电路见图3。管脚VCC 为芯片提供供电电源DC 12V，经100nFd 电容后接地[10]；管脚TXD、RXD 为CANH以及CANL 两条通讯线。

图3 CAN总线通讯接口电路

选煤厂智能除尘系统用到的硬件设备主要有STM32 微控制器、主控制箱、喷雾控制箱、粉尘浓度传感器、水压压力传感器、温度传感器、煤流传感器、矿用设备开庭传感器、矿用隔爆兼本质安全型电源、电磁阀以及按钮等。其中粉尘浓度传感器选用的型号微GCG1000（A），该传感器的防护等级微IP65，可在选煤厂恶劣、潮湿的环境中使用；可检测的粉尘浓度范围微0～1 000 mg/m3，输出信号为4～20 mA 电流信号，供电电源为DC 24V，满足系统要求。电磁阀选用的型号为HANLKA，工作电压为AC 220V。

3 系统软件设计

选煤厂智能除尘系统软件基于keil ARM 软件平台，采用C 语言加汇编语言编程实现，软件总流程见图4。智能除尘系统上电后，首先完成系统初始化过程，包括软件程序中用到的定时器、计数器、内存空间等；同时还包括系统自检过程，排除系统漏电、缺相、断相等故障。主控制器与各喷雾控制器以及主控制器与上位机、远程平台、监控平台建立CAN 总线通讯连接，循环处理CAN 总线通讯数据。主控制器接收上位机数据，如果该数据为控制指令，则根据ID 地址发送至喷雾控制器，同时在液晶显示器上显示相关信息或者传送至远程控制平台，并进入下一个循环处理周期。如果主控制器接收到的数据信息为非控制指令，则对该数据信息不进行任何处理。

图4 选煤厂智能除尘系统软件设计流程

主控制器与各喷雾控制器之间的CAN 总线通讯协议见表1，采用CAN2.0B 协议，通讯波特率为250 kbps，扩展帧29 位标识符，由3 位优先级P、1 位保留位R、1 位数据页DP、8 位数据格式PF、8 位目的地址PS 以及8 位源地址SA 组成。主控制器、喷雾控制器按照表1 协议格式完成数据的打包、解包。

表1 主控制器与各喷雾控制器间CAN 总线通信协议（部分）

4 系统测试

为验证设计并实现的选煤厂智能除尘系统的正确性、可用性，在某选煤厂进行系统测试，在粉尘浓度较高点布置喷雾控制器1-3 以及各喷雾控制器系统的粉尘浓度传感器、水压传感器、温度传感器、电磁阀、按钮等。分别记录并统计喷雾降尘前后该点的粉尘浓度见表2、表3。表2 为在选煤厂皮带导斜槽上方布置的喷雾系统的数据统计表，可知使用喷雾降尘系统后，将粉尘浓度由原来的500 mg.m-3左右降低至30 mg.m-3左右，降尘率可达约93%。

表2 选煤厂粉尘检测点1 除尘统计（皮带导斜槽）

表3 为在选煤厂皮带输送机机尾布置的喷雾系统的数据统计表，使用该喷雾降尘系统后，将粉尘浓度由原来的340 mg.m-3左右降低至24 mg.m-3左右，降尘率可达约93%。该智能喷雾降尘系统可实现选煤厂喷雾降尘并投入实际应用。

表3 选煤厂粉尘检测点2 除尘统计（皮带输送机机尾）

5 结语

文章基于STM32 微控制器技术，以CAN 总线通讯方式实现喷雾降尘系统上位机/远程控制平台/监控平台、主控制器、各喷雾控制器之间的数据、指令传输，达到智能降尘的目的。实际系统测试结果表明，该智能除尘系统能够有效降低选煤厂粉尘浓度，降尘率约达93%，保障选煤厂安全生产。