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*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重要公害。瓦斯煤塵爆炸是煤礦安全的zui大威脅。因此，控制煤塵危害是當(dāng)前一項刻不容緩的大事。
本論文設(shè)計一個應(yīng)用于煤礦綜采工作面的自動跟蹤采煤機(jī)噴霧滅塵裝置（以下簡稱裝置），實現(xiàn)綜采面的無人值守自動滅塵。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)。裝置實時檢測采煤機(jī)的運行位置，在采煤機(jī)風(fēng)流下方自動順序開啟/關(guān)閉數(shù)道架間扇形強(qiáng)霧，對采煤作業(yè)時產(chǎn)生大范圍、高濃度粉塵自動實施多道阻隔和降塵，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
2.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)
本文所研究設(shè)計的煤礦井下綜采工作面自動跟蹤采煤機(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、手動閥門、三通、水管以及和電路配套的礦用電纜組成。每一個液壓支架下安裝一個控制分機(jī)，因此本裝置中要實現(xiàn)多達(dá)100 多個通信節(jié)點的控制網(wǎng)絡(luò)。采煤工作面啟動采煤機(jī)，采煤機(jī)搭載紅外發(fā)射源沿著軌道運動，系統(tǒng)主機(jī)逐個查詢分機(jī)紅外接收器是否接收到紅外信號，主機(jī)根據(jù)收到的信息確定采煤機(jī)實時的位置，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。在整個通信過程中，各個分機(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。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，又很好的實現(xiàn)了系統(tǒng)要求。
2.2 分機(jī)的電路設(shè)計
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，實現(xiàn)相關(guān)的功能。穩(wěn)定的電源對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 個收發(fā)器接到同一條傳輸線上，又不會引起rs485 驅(qū)動器信號的衰減。sp485r 芯片比通用rs485 收發(fā)器具有更低的功耗，zui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，此時微處理器可以向rs485 總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；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*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，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（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
對于自動跟蹤采煤機(jī)滅塵裝置，我們需要實時檢測每個分機(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。整個系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)量不是很大，而對實時性有一定要求，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?？偩€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 個字符的空閑時間，作為幀的起始，用來區(qū)分每個不同的幀。
3.2 通信的傳輸過程
（1）時間間隔通信波特率：19200bps。則每個數(shù)據(jù)幀之間至少間隔3.5 個字符時間：實際應(yīng)用時，通過定時器設(shè)定大于1.46ms 的時間，用于區(qū)分兩幀數(shù)據(jù)。當(dāng)接收方檢測到總線空閑時間大于1.46ms 之后，接收到的任何信息都將作為下一個幀數(shù)據(jù)的開始。
（2）地址碼
地址碼是每次通訊信息幀的*字節(jié)（8 位），地址碼是總線上傳輸?shù)男畔臉?biāo)志，總線上的每個節(jié)點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，每個從機(jī)擁有*的地址碼，從機(jī)在和自己的地址碼比對符合后才能響應(yīng)主機(jī)的命令，同時執(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，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)省一個字節(jié)的通信時間，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，將功能碼與發(fā)送的功能碼比對，確認(rèn)分機(jī)已執(zhí)行相應(yīng)動作，作為通信過程中錯誤監(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，用來儲存控制命令字的參數(shù)信息；在分機(jī)向主機(jī)回復(fù)的信息時用來儲存功能碼的執(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）校驗碼（crc 校驗）
通訊協(xié)議的crc 校驗為2 字節(jié)的crc16 校驗?？偩€上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)幀信息，都要在幀的zui后添加待發(fā)送數(shù)據(jù)的crc16 校驗數(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 校驗數(shù)據(jù)不符時，將錯誤的數(shù)據(jù)舍棄，因此crc 校驗可以保證通信數(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
主機(jī)和分機(jī)通信程序主要有以下幾個主要部分構(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 實驗與分析
為了檢驗所設(shè)計的采煤機(jī)自動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月的實驗。在下井實驗之前，在井上配合液路進(jìn)行了多次模擬實驗，對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并對功能進(jìn)行檢驗評估，測試自動滅塵裝置對綜采面的降塵效果，對結(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 個電磁閥噴霧的時候，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。實驗中，對綜采工作面采煤機(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。
實驗中設(shè)定三組支架噴霧，距離采煤機(jī)滾筒一個支架身位的距離開啟滅塵。
測得的實驗數(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，同時液路的水壓更大、噴嘴的性能更好的話，會有更好的降塵效果。
5 結(jié)論
本文研究并設(shè)計一套應(yīng)用于煤礦綜采工作面的自動跟蹤采煤機(jī)噴霧滅塵裝置，實現(xiàn)了綜采面的無人值守自動滅塵。裝置順利通過現(xiàn)場試驗?zāi)軌蛲瓿稍O(shè)計功能，解決了綜采工作面支架間自動噴霧的技術(shù)難題，可取代原有手動開/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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