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綜采工作面自動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境，本文設計了一套綜采工作面自動跟蹤采煤機噴霧滅塵控制系統。裝置通過采煤機上搭載的紅外發射器和支架上安裝的紅外接收傳感器實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方向的粉塵，實現采煤工作面的自動滅塵。實際運行表明，該系統解決了綜采工作面架間自動噴霧的技術難題，降低了粉塵濃度，從而達到改善煤礦井下作業環境，確保安全生產的目的。
關鍵詞：綜采工作面；滅塵；紅外傳感器；RS485；自動控制
1 引言
煤礦生產過程中粉塵主要來源于采掘工作面，由于礦井通風的特殊性，會在綜采面采煤機的下風向飄散著大量的煤塵。綜采工作面粉塵的治理關系到煤礦工人的身體健康和煤炭企業的安全生產。煤塵塵肺病無時無刻不在殘害著在粉塵環境中的工作人員，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。
本論文設計一個應用于煤礦綜采工作面的自動跟蹤采煤機噴霧滅塵裝置（以下簡稱裝置），實現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，裝置通過采煤機上搭載的紅外發射器和支架下的紅外接收器實現采煤機的定位功能。裝置可以根據風向，煤塵的大小，設置開啟噴頭的個數、距離采煤機的位置（隔架噴淋的支架數）等工作參數。裝置實時檢測采煤機的運行位置，在采煤機風流下方自動順序開啟/關閉數道架間扇形強霧，對采煤作業時產生大范圍、高濃度粉塵自動實施多道阻隔和高效降塵，從而降低了粉塵濃度，改善井下作業環境，確保煤礦井下安全生產。
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跟蹤采煤機噴霧滅塵裝置結構，主要由紅外發射器、電源箱、主機、分機、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，因此本裝置中要實現多達100 多個通信節點的控制網絡。采煤工作面啟動采煤機，采煤機搭載紅外發射源沿著軌道運動，系統主機逐個查詢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時的位置，并且發出相關指令，控制相應分機的本安電磁閥執行開啟/關閉的操作。在整個通信過程中，各個分機之間沒有直接的數據交換，所有的通信過程都通過主機進行控制，主從式的RS485 總線結構恰好適合系統的通信特點。RS485 總線以其設備簡單，成本低廉的優勢，在煤礦井下擁有較好的應用基礎。因此裝置采用主從式RS485 總線作為主機與分機之間的通信總線，既節省了成本，又很好的實現了系統要求。
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關設定；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，實現相關的功能。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，因此通過兩級變壓產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。分機在收到開關電磁閥的命令后，由控制器發出指令通過控制電路控制開啟/關閉繼電器，連通電磁閥所在的回路，進行工作，噴霧滅塵。
系統通信電路采用SP485R 作為RS485 接口芯片。SP485R 是Sipex 公司設計生產的高性能RS485 收發器，能夠替換通用的RS485 收發器，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 個收發器接到同一條傳輸線上，又不會引起RS485 驅動器信號的衰減。SP485R 芯片比通用RS485 收發器具有更低的功耗，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”，發送器有效，接收器禁止，此時微處理器可以向RS485 總線發送數據字節；R/D 信號為“0”，則SP485R 芯片的DE 和RE 引腳為“0”，發送器禁止，接收器有效，此時微處理器可以接收來自RS485 總線的數據字節。
使用隔離的DC-DC 電源模塊可以產生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，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，且節點數量較多，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 網絡，確保系統安全，我們通常還會額外增加一些保護電路。電路圖中，鉗位于6.8V 的TVS 管、D2 都是用來保護RS485 總線的，避免RS485 總線在受外界干擾時（雷擊、浪涌）產生的高壓損壞RS485 收發器。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
對于自動跟蹤采煤機滅塵裝置，我們需要實時檢測每個分機的紅外接收器是否收到紅外發射信息，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合，噴霧滅塵。整個系統通信的數據量不是很大，而對實時性有一定要求，因此參考協議制定了通信規約。
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。每個字節由8 位二進制數組成。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�上通信數據的幀格式，在發送數據之前，發送保證總線至少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。則每個數據幀之間至少間隔3.5 個字符時間：實際應用時，通過定時器設定大于1.46ms 的時間，用于區分兩幀數據。當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據的開始。
（2）地址碼
地址碼是每次通訊信息幀的第一字節（8 位），地址碼是總線上傳輸的信息包的標志，總線上的每個節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，主機的地址固定為1，從機的地址由用戶設定，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，目標地址為主機的地址1。因總線上的通信為主從輪詢式，總是先由主機詢問從機，隨后主機等待從機回復，因此，在從機向主機回復的信息中，不需要使用一個字節來表明從機地址，主機便可知道此次回復的從機地址，可以節省一個字節的通信時間，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，用來發送控制命令字。標準的通訊協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、開啟/關閉電磁閥、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，將功能碼與發送的功能碼比對，確認分機已執行相應動作，作為通信過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送時，用來儲存控制命令字的參數信息；在分機向主機回復的信息時用來儲存功能碼的執行結果，包括紅外接收器的狀態，電磁閥工作狀態等工作參數。
�。�5）校驗碼（CRC 校驗）
通訊協議的CRC 校驗為2 字節的CRC16 校驗�？偩�上傳輸的所有數據幀信息，都要在幀的最后添加待發送數據的CRC16 校驗數據。由于煤礦井下的通信環境比較惡劣，各種大功率用電器回帶來一定的干擾。當收到干擾，CRC 校驗數據不符時，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 實驗與分析
為了檢驗所設計的采煤機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，在井上配合液路進行了多次模擬實驗，對整個系統進行調試，并對功能進行檢驗評估，測試自動滅塵裝置對綜采面的降塵效果，對結果進行分析和改進。
裝置穩定可靠安裝好以后，聯通液路管道，設置主機工作模式，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，當開啟3 個電磁閥噴霧的時候，在采煤機下風向形成了3 道水霧墻，有效的撲滅空氣中游離的粉塵，阻隔粉塵隨風繼續擴散。經過在井下的實驗，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 以下的能進入人體肺泡區的顆粒物。實驗中，對綜采工作面采煤機的下風向3 道水霧墻后以及回風順槽的全塵和呼塵濃度進行了記錄。
實驗中設定三組支架噴霧，距離采煤機滾筒一個支架身位的距離開啟滅塵。
測得的實驗數據，工作面采煤機下風向3 道水霧墻后全塵和呼吸性粉塵的降塵率都接近，回風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%。如果在采煤機下風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 結論
本文研究并設計一套應用于煤礦綜采工作面的自動跟蹤采煤機噴霧滅塵裝置，實現了綜采面的無人值守自動滅塵。裝置順利通過現場試驗能夠完成設計功能，解決了綜采工作面支架間自動噴霧的技術難題，可取代原有手動開/關水閥進行降塵的落后模式。對于改善井下作業環境、防止塵肺病危害、確保煤礦井下安全生產起到了重要作用。
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