矿山毒害气体电气自动化控制研究

张真豪

(重庆城市科技学院,重庆 400000)

随着采矿工艺的发展与进步,矿山生产产量逐步提高,但也存在一定的安全隐患。矿产资源生产过程中会产生许多刺激性气体,具有腐蚀性、强毒性,经呼吸道进入人体会造成急性中毒。刺激性气体会对眼、呼吸道黏膜、皮肤等产生损害,一般以局部损害为主,但也可能引起全身反应,故各种毒害气体检测方法应运而生。以单片机为核心的毒害气体检测仪是其中之一,可实现数字化自动控制。

1 电气自动化控制

电气自动化控制是煤矿生产中广泛应用的技术,利用计算机技术实现煤矿生产的信息化、电子化[1]。将电气自动化控制系统与机电设备相结合,通过网络技术实现对机电设备的控制,完成对煤矿毒害气体的探测控制。电力自动控制系统功能多样,包括自动控制、动态监控保护等[1],其特性主要体现在以下几方面：①有某种相容特性。人们对煤的需求越来越大,矿井从浅层向深部推进,矿井工作环境与工作条件尤为复杂,这对电力系统的性能提出了更高的要求。虽然各种电气设备的应用范围及功率各不相同,但电气自动化控制系统可对这些设备展开统一控制,使其发挥出更好的协同效果[3]。此外,系统自身兼容性较好,能够提升采矿效率,保证采矿的正常进行。②以智能为特色。大部分矿井都在向着自动化方向发展,从自动化生产向智能化方向转变,运作过程需根据设定的步骤有条不紊地展开工作,对运作阶段的控制数据进行全面分析,不断优化采矿计划,提升采矿效率,降低安全危险。

2 矿山毒害气体探测车的硬件设计

2.1 方案确定

矿山开采中有大量的有害气体,会对眼睛、呼吸道黏膜及皮肤产生一定的刺激,这是一种普遍的毒性效应,临床上多表现为局灶性损伤,但亦可出现全身性损伤。三酸蒸汽不仅会对气道黏膜造成严重的伤害,还会造成皮肤灼伤,如果长时间暴露在较小的酸雾中,会对牙体造成一定的伤害,导致牙体酸蚀。氯化物、氨气、二氧化硫、三氧化硫具有很强的溶解性,一旦接触到潮湿的地方就会造成伤害,如果吸入这种气体,会在上呼吸道黏膜中分解,对黏膜造成严重伤害,导致上呼吸道黏膜充血、水肿,分泌增加,还会出现一些化学性炎症反应,如流涕、喉痒、呛咳等情况。氮氧化物、光气等具有极低的可溶度,经过上呼吸道时几乎不会产生水解反应,故对黏膜的刺激性较弱,但如果进入到肺部,就会慢慢与肺部表面的水分发生反应,对肺部造成强烈的刺激及侵蚀,甚至引起肺部水肿,因此研究以单片机为核心的毒害气体检测仪系统十分必要。目前,可燃物燃烧烟气体积分数在误差允许范围内可拟合为二次高斯分布形式,燃烧产生的CO值输出信号服从高斯分布[4]。在受限空间要实现毒害气体检测需建立多种气体传感器组成的探测系统,以提升其稳定性与可靠性,降低误报率[5]。受限空间事故探测仪可执行有毒有害气体的检测,降低矿山安全事故发生率[6]。

2.2 总体结构

本设计由STC89C52单片机电路+LCD1602液晶显示电路+A/D采样PCF8591电路+蜂鸣器报警电路+LED指示灯电路+按键电路+MQ-2煤气传感器电路+电源电路组成。LCD1602液晶实时显示当前的煤气浓度显示,当浓度为0～20 ppm时,绿灯亮;当浓度达到20 ppm时,黄灯亮;当浓度超过设置值时,红灯亮。通过按键设置煤气浓度阈值,超过设置阈值时,蜂鸣器报警。

系统具体框架如图1所示。

图1 系统硬件框图Fig.1 System hardware block diagram

方案一：运用可进行变成的逻辑器件作为控制中心,这种控制器可完成很多复杂的功能,规模巨大,体积较小,稳定性较强,资源全面,能够延展出许多新功能。采用共同输入输出的办法增加系统处理速度,使之成为大规模控制的核心,其对数据处理要求较低,但从经济角度来说并不适用。

方案二：运用STC企业生产的单片机作为主要控制核心,控制器功能消耗及功率较低,投入较少,符合项目需求。

方案三：运用单片机芯片,联合处理信号装置耗能低,体积小,使用方便,满足实践需求,但成本太高,故舍弃。

选择方案二。

2.3 模块电路的设计

STC89C52耗能低,功能强大,具有很强的控制功能,拥有8 k字节,可对某些动画进行存储。采用最经典的内核并进行改进,增加了新功能。当 CPU处于闲置时,停止运行,让其他设备进入下一阶段。采用减电保护,将数据存储到RAM中,运行结束后进入下一阶段或硬件响应,运行频率为35 Hz。STC89C52单片机最小的体系由三部分电路构成,即时钟、复位、电源。运行原理如图2所示。

图2 单片机最小系统原理Fig.2 Principle of microcontroller minimum system

图3 STC89C52单片机引脚Fig.3 STC89C52 MCU pin

VCC与GND提供电量来源。复合电路由一个按键、电容量及电阻构成,具有人工按钮复位及上电自动复位功能。系统检验到电压升高时间,将电阻与地面连成一条通路,把高电压变为低电压,完成电位复位。时钟电路由Y1C1C2构成,其对于单片机来说非常重要,单片机每一个指令的开始及停止都源于时钟电路,时钟电路为其提供时钟周期,保障单片机内部指令有序进行。时钟电路由晶振组成,搭配电容起振。晶振分为有源晶振和无源晶振,这两种晶振在产品成本及性能等方面都存在差异。在电路设计中,电容容量值决定了晶振是否可以正确起振,设计电路时,需查阅晶振数据手册来搭配起振电容。XTAL1和XTAL2分别是时钟电路引脚反相放大器的输入端和输出端,当外部时钟脉冲信号作用在XTAL1时,XTAL2会出现悬空。晶振的频率通常选择1～24 MHz,而电容一般会以30PF为最佳容量值。JD1为单片机的下载接口。

2.4 模块电路设计

2.4.1 STC89C52单片机核心系统电路设计

STC89C52RC由STC企业生产研发,耗能低,功能强,具有很强的控制功能,有8 k的字节体系,可编程一些动画储存。其运用最经典的内核并做了很多改进,单个芯片包括动画功能为8个字节,RAM为512个字节,具有定时装置、复合电路、计数装置,可令两种不同软件同时处于节电模式。在空闲状态下,CPU中断工作状态,允许其他设施继续工作。电量低时,RAM内容被保存起来,振荡器被冻结,操作完成后,下一步工作终止或硬件回应,运转频率可达35 Hz。

2.4.2 5 V电源电路设计

运用5 V直流电源供电,线路较为简单、平稳。电源为DC插座,可直接接USB电源线,一端插在DC插座上,另外一端插在5 V电源上。红色指示灯用于检验系统是否有足够的电量,电阻用于防止电流过大烧坏指示灯。自动锁上开关,按下开关后灯亮,这时出现直流电流。再次按下开关后红灯灭,5 V电源可以输出。

2.4.3 按键电路设计

这种按键具有连接中点的作用,其控制机制默认为高电压,按下按键后变成低电压,实现对系统的手动输入。电路原理如图5所示。

图5 按键电路原理Fig.5 Key circuit principle

3 结束语

矿山毒害气体探测控制系统可对气体进行检测并报警,包括探测装置、传播信息装置、控制装置、报警装置、分析装置。20世纪60年代,日本开发了室内煤气泄露报警装置,将其改良后的产品推向市场,可装在浴室,防止有害气体泄露。我国对煤气泄露报警装置的研究起步较晚,但很多技术取得了突破,不过成熟产品较少,需设计可应用于矿山毒害气体探测的装置,提升矿区安全性。

在矿山开采过程中,电气自动化控制系统应用广泛,具有良好的兼容性、集成性及智能性,可提升矿山开采效率及开采质量。需继续完善矿井电控系统设计,从设备选型、软硬件系统设计入手,提升其性能与功能,满足矿井生产需求,促进矿井的可持续发展。