宋 慧
（临汾职业技术学院，临汾 041000）
施工、开采、运输及储存等各环节作业时都会产生大量扬尘污染，而扬尘污染是产生雾霾的源头之一。随着建筑、施工现场、生活区、物料堆放区、矿山、垃圾场、原料场及港口码头等行业的迅速发展，治理扬尘污染一般通过扬尘监测站采集、上报扬尘数据，然后通知现场人员启动相关喷淋抑尘设备进行除尘[1-3]。
但是，这种扬尘治理方式存在实施时间不及时、涉及部门多、工作量大及城市区域风向等气象参数多变等缺点，可能会导致污染面积扩大，增大治理范围，浪费水资源。有的生产过程还要严格控制水分，如大面积喷淋精煤堆放区会破坏生产品质。在此基础上，校企合作设计矩阵式自动喷雾抑尘系统，含有PM2.5及PM100的采集传感器（降温可选用温度传感器）。微雾设备采用纳米级喷头，在微雾喷雾水路上自动按比例添加高效粉尘捕捉剂，可以实现抑尘效率大于90%。对于面积较大的区域，此系统可分为多个监测和工作区域，矩阵式进行分割管理，既解决了扬尘监测站与喷雾设备联动的难题，也节约了水和电力资源[4-5]。
工作场景为精煤储煤仓，储煤仓长为120 m，宽为70 m，高为25 m。储煤仓需要控制粉尘浓度，保证处于国家对煤矿生产场所空气中全尘控制浓度的规定标准（GBZ 2.1—2007）中所要求的最高浓度以下。
为了实现快速抑尘，要严格控制仓内水分。将储煤仓区域分为9块区域，每个区域中心位置安放1台粉尘传感器。粉尘传感器可以进行粉尘浓度报警设置。单粉尘浓度达到5 mg·m-3以上时，启动微雾抑尘设备。浓度低于2.5 mg·m-3时，设备延时60 s（可设置），之后粉尘浓度持续低于2.5 mg·m-3后，设备停止工作。如果连续工作20 min浓度持续达到设定值以上，设备进行报警。此时，设备需要工作人员确认故障并复位后才能继续工作。每个粉尘传感器对应不同工作区域，当粉尘传感器动作的数量不同时，主机工作压力也不相同。粉尘传感器动作数量越多，压力就会越大。主机会通过粉尘传感器的数量调节比例放大器，比例放大器控制比例溢流阀来达到控制压力的目的。系统拓扑图如图1所示。
图1 系统拓扑图
本次项目的微雾主机及系统的主要控制选用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。PLC是工业控制的数字运算操作装置，市场上的生产厂家、品牌及产品型号众多。考虑经济成本、运行稳定性、集成度以及市场保有度等因素，系统选择西门子S7-200 SMART系列，中央处理器（Central Processing Unit，CPU）选择集成485接口和以太网接口的36输入/24输出的SR60，扩展模块选用模拟量2入1出的AM03，输入/输出（Input/Output，I/O）地址分配表如表1所示，硬件接线图如图2所示。
图2 硬件接线图
表1 I/O地址分配表
粉尘传感器选择日本夏普公司的GP2Y1014AU，尺寸为46.0 mm×30.0 mm×17.6 mm，最大工作电流为20 mA。粉尘传感器的控制器选择STC 89S52单片机，原理如图3所示。
图3 粉尘传感器原理图
电机选用三相异步电机YE2-132M-4，功率为5.5 kW， 转速为1 450 r·min-1，选用型号为KBM20.15C的三缸陶瓷高压柱塞泵，流量为20 L·min-1，最大压强为15 MPa。
粉尘捕捉剂选用生态友好环保型产品，不具易燃易爆性，对人体无毒无刺激性，对金属无腐蚀性。产品中不含重金属离子，不影响地下水资源。由于煤尘表面性质和清水的物理性质，清水与煤尘的亲和力差，导致喷雾抑尘效果不理想。因此，在喷雾系统水路中按比例添加粉尘捕捉剂添，使得粉尘快速沉降。粉尘捕捉剂可以改变水的物理性质，提高水雾与粉尘的亲和力，实际抑尘率可以达到90%以上。
粉尘捕捉剂的抑尘机理为：降低水的表面张力，提高润湿性；
粉尘捕捉剂的抗静电性质可以消除水雾和粉尘所带电荷的相斥作用；
粉尘捕捉剂良好的发泡性能使得喷出的水雾是微小的泡沫，增加与粉尘的接触面积，提高抑尘率。微雾颗粒高速照片如图4所示，其中一个小方格为2 μm。此次高效粉尘捕捉剂添加浓度为2‰。
图4 微雾颗粒高速照片
3.1 单片机程序设计
通过分析工作任务，将系统分为两个相对独立又能关联的两个系统，一是粉尘传感器系统，二是以PLC为控制主要单元的主系统。
对于粉尘传感器系统，本次分为3个部分。一是采用STC89S52作为CPU，采用程序设计和硬件连接，采集GP2Y1014AU传感器测量粉尘颗粒浓度。二是对测量值用LCD1602进行显示。三是通过独立按键设置报警值。测量值高于设定值H时，继电器动作；
测量值低于设定值L时，继电器复位。
对单片机编程采用德国Keil Software公司开发的51系列兼容单片机C语言软件开发系统Keil uVision4。
整个系统要完成的任务是驱动传感器，采集传感器输出的电压，通过单片机的计算，在液晶上面显示测量的PM2.5值。从单片机程序的角度来看，主程序流程在完成各部分初始化后采集模拟输出电压，计算粉尘浓度值的程序。
进入单片机主程序后，首先要初始化子函数编程，主要是对1602和ADC0832进行初始化。其次，选择转换的模拟量通道，对定时器进行初始化。初始化程序完成后，编写其他子函数，如独立按键子函数、按键显示子函数、报警子函数以及粉尘采集子函数，随后编写定时器0的中断服务程序。最后，在主函数中调用相关子函数来完成粉尘传感器的采集及报警。
部分C语言程序和注释如下
3.2 PLC程序设计
系统的主要任务是采集各个区中粉尘传感器的报警值，并启动相应的电磁阀。例如，启动主机后系统开始自检，如果系统没有故障，且水箱水位不处于低水位状态，那么系统启动自检完成。当所有的启动电磁阀处于关闭状态，所有的排水电磁阀处于打开状态时，将水管中的水及时排到水箱中，不仅能防止冬天温度太低出现管路和喷头冻结，也能很好地保持管路清洁，防止喷头堵塞。此时，操作人员在上位机上点击自动运行，使得设备开始运行。
如果1号区域粉尘传感器报警，那么启动1号区域的启动电磁阀，关闭1号区域对应的排水电磁阀。延时0.5 s后启动主机，PLC根据动作区域的数量调节压力，使得整个系统能够实现恒压，既保证管路的安全，又保证了喷雾效果。1号区域粉尘传感器继电器复位后，停止电机工作，打开1号区域排水电磁阀，延时1 min后关闭启动电磁阀。柱塞泵上有温度开关，用来监测柱塞泵的温度。在柱塞泵外壳贴有非接触液位传感器，用来测量是否缺机油。高温是轻故障，缺油是致命故障。出现这两种故障后，都不能启动主机，需要操作人员排除故障并在上位机上进行故障复位后再次启动。系统中加入温度开关，安放于室外。温度开关设置到2 ℃。单温度开关动作后，系统启动伴热带。伴热带缠绕在电磁阀、水处理器管路以及水箱底部管路上，防止冻坏阀门和管路。对于极端严寒环境，可以配合使用防冻液来防冻。
系统的液位控制独立。当液位低于低液位时，水处理设备启动。液位达到高液位时，水处理设备停止工作。水处理设备定期进行自动排污和反清洗处理。
粉尘传感器采用GP2Y1014AU进行粉尘监测，精度不高，且粉尘大的时候容易在监测点落尘，需要定期拿酒精进行清洗，增加了维护工时。在随后的相同系统改进中，采用激光粉尘监测传感器，加入防尘罩和采样风扇，将测出的数值按比例进行换算显示。这样只需定期吹扫防尘罩即可，减少了维护工作量，使得设备更加稳定可靠。系统中去除比例放大器和比例溢流阀，采用变频器控制主机转速实现对压力的控制。压力传感器的信号直接接入变频器，变频器内部采用比例-积分-导数（Proportion-Integral-Differential，PID）模式来控制电机。PLC与变频器之间采用485接口Modbus-RTU协议进行通信，既可以实现原有功能，还可以减少一个模拟量扩展模块AM03，经济又节能。通过此系统的设计及应用，加入单片机和PLC控制，使得设备在粉尘数据采集、显示、快速抑尘、降温、节能和无人值守方面得到了提升和改善。该系统已经在煤仓抑尘行业大量使用，其衍生设备也逐渐应用于降温、消毒、园林造景等行业。
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