路晨賀， 安然然， 孫曉鑫， 張語仙

(沈陽化工大學 計算機科學與技術(shù)學院， 遼寧 沈陽 110142)

礦業(yè)除塵主要采取集中式除塵的降塵方法，通過除塵管道對車間內(nèi)的粉塵進行統(tǒng)一傳送，最終到達除塵器進行降塵處理.除塵器內(nèi)部的核心器件是“濾袋”，其工作的狀態(tài)直接影響降塵的效率，如果濾袋堵塞嚴重，就很難進行降塵處理，使得大量粉塵回旋于礦料車間造成粉塵外溢影響工人身體健康.又由于其應(yīng)用環(huán)境有所不同，其核心器件“濾袋”的壽命周期也有所不同[1].

在實踐中發(fā)現(xiàn)在除塵過程中濾袋通過其表面細微孔洞保證空氣通過，并將粉塵吸附在濾袋外表面，當高壓反噴沖氣體到來時，濾袋瞬間膨脹，將濾袋外表面上吸附的粉塵打落，達到除塵目的，如圖1所示.布袋除塵器是一種高效的除塵設(shè)備，在礦山中應(yīng)用廣泛.但因北方冬天比較寒冷，且運輸?shù)V料的皮帶一般處于室內(nèi)，當?shù)V料在室內(nèi)運輸時容易在表面產(chǎn)生結(jié)露，在布袋除塵器工作過程中，混合了結(jié)露的粉塵很容易成為黏糊狀物體黏附在濾袋表面，堵塞濾袋表面的濾孔，使濾袋失去過濾能力，導(dǎo)致粉塵向?qū)Я喜畚膊?、出口溢出，最終危害工人的身體健康.

圖1 濾袋工作狀態(tài)以及清灰狀態(tài)

目前，對于濾袋生命周期監(jiān)控的系統(tǒng)較少，對于除塵器內(nèi)濾袋的更換大多采取定期更換策略，不能對環(huán)境的變化做出及時響應(yīng)，具有極大的滯后性.本文利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以實時監(jiān)控濾袋，判斷濾袋所處的生命周期狀態(tài)，從而制定濾袋更換策略，避免粉塵外溢現(xiàn)象的發(fā)生.

1 系統(tǒng)意義

實踐中發(fā)現(xiàn)布袋除塵器的運行效率與布袋濾芯的過濾能力成正比關(guān)系，從圖1中可以看出：含塵空氣從布袋除塵器一側(cè)進入除塵器箱體，由布袋濾芯吸附空氣中的粉塵，若前排的布袋濾芯吸附已經(jīng)達到飽和，粉塵將被吸附到后排的布袋濾芯進行過濾，過濾后的空氣由除塵器箱體的上側(cè)排出，如圖2所示.

除塵器的濾袋堵塞一般會產(chǎn)生3個問題：除塵器除塵效率下降，含塵空氣沒有過濾干凈就被排放到正常環(huán)境中，造成2次污染；因濾袋被堵塞，過濾作用減弱，除塵器內(nèi)除塵風機的電機轉(zhuǎn)軸在工作時會與過濾不凈的粉塵氣體直接接觸，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸被粉塵吸附，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)動速度減慢、過熱、最終導(dǎo)致?lián)p壞；因過濾孔洞堵塞，除塵風機通過濾袋抽氣能力減弱，含塵氣體無法及時處理向?qū)Я喜蹆啥藬U散，導(dǎo)致環(huán)境污染.因此濾袋的過濾能力直接關(guān)系著除塵器除塵效率與生命周期.

礦業(yè)企業(yè)的設(shè)備一般都是連續(xù)運轉(zhuǎn)，若沒有緊急情況，一般不會停機進行維修，所有的設(shè)備1個月內(nèi)有3 d時間進行統(tǒng)一大檢修.因此通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器對濾袋除塵器中各行的濾袋進行監(jiān)控，實時顯示濾袋的過濾情況以及除塵器整體除塵效率，有效決定濾袋的更換時間，保證除塵效率最佳.基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)的監(jiān)測示意圖如圖2所示.分別對每一行中間位置的濾袋進行監(jiān)測，實時分析除塵器效率，并做好預(yù)判，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器保證在檢修期間能夠根據(jù)采集的信息完成濾袋的更換，保證除塵器在下一個工作周期能夠有效地運轉(zhuǎn).

圖2 濾袋除塵器監(jiān)測示意圖

2 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)設(shè)計分為物聯(lián)網(wǎng)壓力采集端和物聯(lián)網(wǎng)壓力接收端兩部分，系統(tǒng)總體框圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)總體框圖

物聯(lián)網(wǎng)壓力采集端包括壓力傳感器、通信總線以及無線發(fā)送模塊，主要功能是對每行濾袋的風壓情況進行采集，并進行信號放大、濾波以及A/D轉(zhuǎn)換處理，通過通信總線將壓力數(shù)據(jù)傳送給無線發(fā)送模塊，最終進行數(shù)據(jù)的無線傳送.物聯(lián)網(wǎng)壓力接收端包括無線接收模塊和主控計算機，主要負責對濾袋壓力數(shù)據(jù)的接收，并實現(xiàn)單片機與計算機之間的數(shù)據(jù)通信，當壓力數(shù)據(jù)到達主控計算機之后，主控計算機會對數(shù)據(jù)進行顯示、預(yù)判及存儲等處理.系統(tǒng)通過監(jiān)測每行濾袋的風壓情況來判斷濾袋當前所處的生命周期狀態(tài)，并根據(jù)每行濾袋的生命周期狀態(tài)計算出除塵箱的降塵效率，從而做出相應(yīng)提示.利用物聯(lián)網(wǎng)壓力傳感器從更新濾袋之后至下次更換濾袋之前，持續(xù)監(jiān)測濾袋內(nèi)的壓力情況，并存儲在物聯(lián)網(wǎng)壓力處理端的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為今后判斷濾袋及除塵箱所處狀態(tài)提供數(shù)據(jù)參考.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬設(shè)計分為兩大部分：第一部分為“壓力采集端”；第二部分為“壓力接收端”.壓力采集端包括信號采集單元、信號處理單元和物聯(lián)網(wǎng)通信單元；壓力接收端包括物聯(lián)網(wǎng)通信單元、數(shù)據(jù)顯示單元和數(shù)據(jù)存儲單元.采集單元主要用來采集每個濾袋內(nèi)部的空氣正、負壓值；信號處理單元負責將采集到的信號進行放大、濾波、保持、A/D轉(zhuǎn)換；物聯(lián)網(wǎng)通信單元負責將壓力采集端的壓力信號向廠區(qū)中央控制站壓力接收端進行傳送；數(shù)據(jù)顯示單元實現(xiàn)壓力數(shù)值及濾袋狀態(tài)的顯示；數(shù)據(jù)存儲單元負責將多個無線壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)移交給數(shù)據(jù)庫進行集中存儲.

如圖4所示，系統(tǒng)通過MS5611壓力傳感器獲取到壓力信號后對其進行一系列處理，最終轉(zhuǎn)換成微處理器可以識別的數(shù)字信號.CC2530在接收到數(shù)據(jù)后對其進行無線編碼，利用ZigBee進行無線傳送[2].物聯(lián)網(wǎng)壓力接收端在接收到無線信號后對其進行無線解碼，并通過RS-232總線將壓力數(shù)據(jù)交付于主控計算機，計算機會對壓力數(shù)據(jù)進行存儲及實時顯示，并根據(jù)除塵箱的整體降塵效率發(fā)出濾袋狀態(tài)的顯示，一旦降塵效率低于閾值，立即發(fā)出濾袋更換提示.

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

3.2 物聯(lián)網(wǎng)壓力采集端接口設(shè)計

壓力采集端是系統(tǒng)中壓力數(shù)據(jù)的來源，為提高數(shù)據(jù)的精準度，系統(tǒng)采用了芯片式壓力傳感器MS5611，它包含SPI和IIC總線接口，并集成一個高線性度壓力傳感器和一個超低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高穩(wěn)定性及非常低的壓力信號滯后[3].最突出的特點是它的規(guī)格為5.0 mm×3.0 mm×1.0 mm，極小的體積可以將其貼附于除塵器的濾袋中，使其既不受濾袋鼓吹的影響，又可以很好地監(jiān)測濾袋內(nèi)的風壓情況.MS5611的原理框圖以及實物圖如圖5所示.

圖5 壓力傳感器的原理框圖以及實物圖

從圖5可以看出MS5611具有7個引腳：VDD是電源線連接引腳；GND是地線連接引腳；PS是通信協(xié)議選擇引腳(MS5611帶有SPI和IIC兩種通信總線，在使用時必須對其做出選擇，當PS為高電平時選擇的通信協(xié)議為IIC，PS為低電平時選擇的通信協(xié)議為SPI)；CSB為片選引腳(低電平有效，在存在多個MS5611壓力傳感器的情況下，在某一時刻內(nèi)只允許一臺設(shè)備有效，為避免沖突故設(shè)有片選線)；SDI為串口數(shù)據(jù)輸入或IIC 數(shù)據(jù)輸入引腳；SDO為串口數(shù)據(jù)輸出引腳；SCLK為串行時鐘引腳.設(shè)計中為保證系統(tǒng)的實時性，選擇通信速度較快的SPI總線與CC2530進行數(shù)據(jù)傳輸，所以PS引腳接地.

CC2530與MS5611的硬件連接如圖6所示.CC2530是德州儀器推出的應(yīng)用于IEE802.15.4、ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)，它集成了RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的MCU 8051、系統(tǒng)可編程 Flash存儲器、8 kB RAM 和A/D轉(zhuǎn)換器等功能[4].在CC2530的SPI總線接收到數(shù)據(jù)后將其暫存在Flash中，最終通過內(nèi)部無線收發(fā)模塊發(fā)射至壓力接收端.

圖6 CC2530與MS5611硬件連接

物聯(lián)網(wǎng)壓力傳感器集壓力模擬量采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送及自調(diào)整等功能于一體，每10 s采集一次數(shù)據(jù)并進行無線發(fā)送.CC2530內(nèi)置可編程Flash，可對其進行初始化參數(shù)、修改ID號、綁定分站號和調(diào)零等設(shè)置操作；當一次性電池電壓低于3.3 V時，會立即發(fā)出欠壓報警指示，具有友好的提示作用.

3.3 壓力接收端接口設(shè)計

壓力接收端要對系統(tǒng)中壓力采集端采集到的數(shù)據(jù)進行無線接收，系統(tǒng)利用CC2530內(nèi)部攜帶的ZigBee協(xié)議進行數(shù)據(jù)的無線收發(fā).ZigBee技術(shù)是一種采用2.4 GHz頻段、低功耗、低復(fù)雜度、高可靠性、可擴展、低成本的雙向無線通信技術(shù)，支持點對點、點對多點的數(shù)據(jù)傳送，其網(wǎng)絡(luò)容量大，最多可支持65 535個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其通信距離從標準的75 m到幾百米甚至幾公里，支持無限擴展，并提供基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認證，采用 AES-128 加密算法，可以靈活地確定其安全屬性[5].系統(tǒng)中由于存在壓力采集和壓力接收兩個無線通信節(jié)點，所以采用點對點通信方法，通信距離可達到幾百米到幾公里，可克服礦區(qū)內(nèi)搭建物理通信設(shè)施及布線困難的缺點.CC2530原理如圖7所示.

圖7 CC2530原理

數(shù)據(jù)的處理與分析需要主控機來處理，利用CC2530自帶的UART0進行與計算機之間的通信.計算機的串行通信接口是RS-232的標準接口，而CC2530單片機的UART接口則是TTL電平，兩者的電氣規(guī)范不一致，完成兩者之間的數(shù)據(jù)通信，需要借助接口芯片在兩者之間進行電平轉(zhuǎn)換，常用的有MAX232芯片，計算機、MAX232和CC2530三者間的硬件連接如圖8所示.

圖8 CC2530與計算機通信的硬件連接

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是為了更好地展示除塵濾袋的壓力值及除塵器所處的狀態(tài).系統(tǒng)軟件設(shè)計基于C# 窗體開發(fā)，利用SerialPort指令集實現(xiàn)單片機與計算機之間的數(shù)據(jù)通信[6]，利用Panel為容器，PictureBox為畫布，顯示系統(tǒng)各行濾袋的壓力值.將濾袋的壓力值按照其各自的地址號存儲在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)濾袋的壓力值計算當前除塵器的降塵效率，通過與閾值比對，如果降塵效率低于閾值就會產(chǎn)生更換提示.其程序流程如圖9所示.

系統(tǒng)濾袋壓力實時監(jiān)控界面如圖10所示.

該界面共分為3部分：第一部分是濾袋狀態(tài)顯示界面，實時地顯示各行濾袋狀態(tài)及除塵器的降塵狀態(tài)，并濾做出袋更換提醒；第二部分是濾袋壓力值顯示界面，以曲線的形式直觀地顯示除塵器中濾袋的實時壓力值(正壓、負壓)，經(jīng)過除塵箱內(nèi)8行濾袋的對比，每行濾袋所處的狀態(tài)一目了然，而且對濾袋生命周期的掌握也有一定幫助；第三部分是串口參數(shù)配置界面，此部分可對端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位進行選擇，并提供濾袋壓力查看和輸出功能，可以方便地查看壓力數(shù)據(jù)并進行打印輸出.

圖9 濾袋壓力顯示系統(tǒng)的程序流程

圖10 濾袋壓力實時監(jiān)控界面

5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)通過監(jiān)測每行中間濾袋的風壓情況判斷濾袋所處的生命周期狀態(tài).當更換濾袋后通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集每個濾袋的過濾能力，并將其作為最優(yōu)效能指標參考值.隨著除塵工作的持續(xù)進行，濾袋的堵塞情況日趨嚴重，在數(shù)據(jù)采集時必須監(jiān)測到最后從而確定濾袋堵塞時壓力的峰值，分別將其存儲在數(shù)據(jù)庫中.由于除塵器的位置差異，不同行濾袋的阻塞峰值要分別存儲.

除塵器正常工作時，隨著除塵風機的運轉(zhuǎn)，越來越多的粉塵吸附在濾袋外表面，濾袋內(nèi)負壓力倍增，在一定時間內(nèi)必須完成反噴吹過程，否則，容易導(dǎo)致除塵風機因為抽不到空氣產(chǎn)生電機損壞.濾袋經(jīng)過反噴吹后，濾袋外表面吸附的灰塵會被打落，濾孔堵塞度最小，其過濾風壓也最好，此時立即監(jiān)控布袋內(nèi)部風壓情況，得出濾袋在理想環(huán)境下過濾能力狀態(tài).如果某個濾袋表面有部分堵塞，則該濾袋工作時濾袋內(nèi)部空氣在除塵風機作用下空氣被抽走，但因濾袋過濾孔洞堵塞，空氣無法從除塵箱體進入到該濾袋內(nèi)部，造成該濾袋內(nèi)部空氣負壓值增長劇烈，明顯高出濾袋內(nèi)未發(fā)生堵塞部分的空氣負壓值.同理，當進行反噴吹操作時，因為濾袋表面被堵，反噴吹的氣壓從濾袋釋放較慢，受堵濾袋的內(nèi)部正壓值會比未受堵濾袋內(nèi)部正壓值高，因此將采集到的濾袋正負壓數(shù)據(jù)跟初始時濾袋正負壓數(shù)據(jù)進行對比，得出當前濾袋的空氣過濾效率，進而判斷出濾袋所處的生命周期狀態(tài).

系統(tǒng)在運行過程中對除塵器中每行濾袋進行持續(xù)監(jiān)測，壓力隨時間變化的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 除塵器內(nèi)各行濾袋壓力隨時間變化

由表1數(shù)據(jù)可以看出：第1行濾袋的壓力值逐漸上升，上升速度先快后慢，在5～15 d時上升速度最快，隨著時間的推移濾袋的降塵效果逐漸下降，最后趨于平穩(wěn)；第2行濾袋的壓力值也是呈逐漸上升趨勢，在10～20 d上升速度最快，但其速度峰值出現(xiàn)在第1行峰值之后；第3行濾袋的壓力值同樣呈逐漸上升的趨勢，在15～25 d壓力值上升速度最快，其速度變化峰值又出現(xiàn)在第2行峰值之后；第4～6行呈同樣的變化趨勢，到30 d時壓力值均超過1 kPa；第7行和第8行由于處于除塵器的最后面位置，其接觸灰塵的幾率遠小于前幾行濾袋，其壓力值均低于1 kPa.

經(jīng)過分析可以看出：整個除塵器內(nèi)是一行一行進行過濾的，首先是第1行濾袋承擔主要的過濾工作，第2行的濾袋過濾作用不顯著，當?shù)?行濾袋的過濾效果下降時，第2行濾袋承擔起主要的過濾工作，當?shù)?行濾袋的過濾效果下降時，粉塵會主要擴散到第3行濾袋的位置，此時第3行濾袋承擔主要的過濾工作.以此類推，直到除塵箱內(nèi)所有濾袋的降塵效率低于閾值時進行濾袋全體更換.

經(jīng)過多次重復(fù)實驗，獲得除塵器整體降塵效率隨時間變化的曲線如圖11所示.

圖11 除塵器整體降塵效率隨時間變化曲線

從圖11可以看出除塵器持續(xù)工作10 d后，整體的降塵效率開始減慢，當除塵器持續(xù)工作20 d時，其降塵效率降低至40 %，此時在導(dǎo)料槽尾部和出口處粉塵溢出明顯，并且除塵風機溫度升高，故將40 %的降塵效率作為閾值.系統(tǒng)運行結(jié)果表明：該系統(tǒng)獲得的生命周期策略可靠性高、精準度強、具有良好的預(yù)判效果，濾袋的運行效率大大提高，降塵效果明顯，為礦業(yè)更換濾袋提供了有力的數(shù)據(jù)參考，提高了礦廠的生產(chǎn)效率.

6 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)布袋除塵器耗損件生命周期監(jiān)控策略，可以對濾袋進行持續(xù)監(jiān)測獲取其生命周期，判斷除塵器的整體除塵效率，且具有良好的預(yù)判能力.系統(tǒng)經(jīng)過長期實驗可知：無論何種氣候、何種季節(jié)，當除塵器整體效率低于40 %時，均有粉塵外溢或除塵風機溫度升高現(xiàn)象發(fā)生，所以將40 %的降塵效率定為閾值.一旦降塵效率接近于閾值時，立即做出更換處理，并且以除塵器整體的降塵效率為標準，可以減少礦業(yè)停機更換濾袋的次數(shù)，提高礦業(yè)的工作時長，增加礦業(yè)的利潤.但以除塵器整體降塵效率為標準存在一個弊端——當除塵器中某一濾袋發(fā)生破損情況時無法提示，這將成為今后研究過程當中的重點工作.