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控制器信号载波电力载波通信的喷雾降尘控制系统设计

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引言
煤矿粉尘主要存在于采煤、掘进、运输等作业场所,其中采煤工作面产尘量约占45%~80%,是粉尘浓度最高的场所。随着采煤机械化程度的提高,产尘量也在增大。煤矿粉尘浓度高容易引起火灾和爆炸,造成安全事故。另外,粉尘对矿工身体健康危害很大,使矿工患上职
业尘肺病。传统的喷雾降尘方法是采用人工控制或固定模式液控来实现,该方法降尘效果不好,耗水量大,影响作业环境。
近年来,电力载波通信技术和LED井下照明技术发展迅速。本文利用这些技术,根据矿井实际环境的各种要求,设计了一套实用有效的自动喷雾降尘控制系统。

1 喷雾降尘控制系统总体设计
基于电力载波通信的煤矿喷雾降尘控制系统总体结构如图1所示。系统有若干个喷雾降尘控制器和执行电磁阀组成。每个控制器控制两个电磁阀,控制器之间通过电力载波通信。控制器依次安装在采煤工作面支架上,当采煤机运行时,安装在采煤机上的红外定位装置发射定位信号,接收到采煤信号的控制器作为主控制器控制其他控制器动作,电磁阀完成喷雾降尘任务。

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2 喷雾降尘控制系统硬件设计
2.1 喷雾降尘控制器硬件结构
如图2所示,喷雾降尘控制器包括电源模块、电力载波通信模块、喷雾时间设定模块、控制器地址设定模块、移架和放煤信号接收模块、采煤机尘源跟踪红外定位信号接收模块、LED照明、电磁阀驱动控制模块等。电源模块给单片机、电磁阀和大功率LED供电。通信模块负责将主控制器的控制信号发送给其他控制器,通过电力线载波来实现。控制器上的定位信号接收模块负责接收来自采煤机、支架和放煤手柄上的信号,并做出相应的动作,开启电磁阀实施喷雾作业。

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2.2 喷雾降尘控制器硬件电路
喷雾降尘控制器硬件电路图如图3所示。控制器选用AVR系列高性能、低功耗的8位AVR微控制器ATmega88。它具有先进的RISC结构和8 KB系统内可编程的Flash,数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,可以缓解系统功耗和处理速度之间的矛盾;工作温度范围比较宽(-40~85℃,完全满足井下环境要求;控制器电路具有地址设定和喷雾模式设定模块。

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电力载波通信模块硬件电路如图4所示。采用载波信号调制解调器BWP08。它是一款单相电力线载波调制解调器,采用5~12 V宽电压设计,载波波特率为100~600 bps可调;有多种按口方式可供选择,包括UART、SPI等接口,可以方便地与单片机连接进行数据通信。模块采
用扩频编码方式,抗干扰能力强,数据传输可靠,通信距离在200 m内。控制信号从单片机的串口发送给调制解调器,调制后的信号通过功率放大,然后输出耦合到电力线上;电力线上的载波信号通过输入耦合、滤波、放大后,经过调制解调器解调后送至单片机的串口。

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红外定位信号发射电路如图5所示。当采煤机运行时,通过安装在采煤机上的红外定位装置发射红外定位信号,控制器上的接收部分接收到信号后即可确定采煤机的位置。接收到采煤机信号的控制器作为主控制器,控制位于采煤工作面下风向的控制器实施喷雾降尘作业。红外
定位电路选用了Silicon Labs公司的C8051F330单片机、红外发射二极管和一体化接收头,功耗低,工作稳定且信号方向性好。

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矿井下的照明情况关系到煤矿的安全生产,LED灯属节能、隔爆兼本安型,与矿井传统照明方式相比,具有明显优势。照明电路选择1 W的大功率LED,采用降压型恒流驱动电路驱动。驱动芯片SD42524效率高,可达96%以上,在输入/输出电压变化时全电压范围输出电流变化控制在±1%之内;内置温度保护电路、限流电路、PWM调光电路。SD42524采用电流模式控制,能提供快速的瞬态响应,且环路稳定性设计简单。LED照明驱动电路如图6所示。
液压支架移架、放煤触发电路采用红外感应控制设计。当移动支架、放煤手柄的时候,热释电红外传感器能够检测到人体发出的红外辐射,将其转化为电信号,经过放大后送给窗口比较器。若信号幅度超过窗口比较器的上下限,则系统输出高电平信号,否则输出低电平信号,控制器接收到信号后采取相应的动作。热释电红外传感器选用BISS0001,它是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路,配以少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
电源模块采用低功耗的开关型稳压器,选用LM2576系列中的LM2576-12和LM2576-ADJ。该系列是美国国家半导体公司生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压电路,内含固定频率振荡器和基准稳压器;具有完善的保护电路(包括电流限制及热关断电路等),利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路;具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力,可为MCU的稳定、可靠工作提供强有力的保证。

3 喷雾降尘控制系统软件设计
系统上电开始工作后,进入中断等待状态,当接收到采煤机信号或移架、放煤信号时产生中断,进入中断处理程序。安装在支架上的控制器工作时每三个一组,当一个控制器接收到采煤机信号时,位于下风向的两个控制器也开始工作。控制器首先读取自己的地址,当接收到电力线上传来的其他控制器发送的地址时,与自己的地址进行比较,如果相同就开启电磁阀喷雾。程序流程如图7所示。

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结语
本设计是基于电力线载波通信的自动喷雾降尘控制系统。该系统布线简单,降尘效果良好,适用于采煤工作面;同时,LED照明功能大大改善了井下照明环境。


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