煤矿生产过程中粉尘主要来源于采掘工作面，由于矿井通风的特殊性，会在综采面采煤机的下风向飘散着大量的煤尘。综采工作面粉尘的治理关系到煤矿工人的身体健康和煤炭企业的安全生产。煤尘尘肺病*不在残害着在粉尘环境中的工作人员，是杀人不见血的软刀子。尘肺病已成为影响煤矿职工身体健康的一个重要公害。瓦斯煤尘爆炸是煤矿安全的zui大威胁。因此，控制煤尘危害是当前一项刻不容缓的大事。
本论文设计一个应用于煤矿综采工作面的自动跟踪采煤机喷雾灭尘装置（以下简称装置），实现综采面的无人值守自动灭尘。装置的工作原理。综采工作面液压支架上安装喷雾的本安电磁阀及红外接收传感器，装置通过采煤机上搭载的红外发射器和支架下的红外接收器实现采煤机的定位功能。装置可以根据风向，煤尘的大小，设置开启喷头的个数、距离采煤机的位置（隔架喷淋的支架数）等工作参数。装置实时检测采煤机的运行位置，在采煤机风流下方自动顺序开启/关闭数道架间扇形强雾，对采煤作业时产生大范围、高浓度粉尘自动实施多道阻隔和降尘，从而降低了粉尘浓度，改善井下作业环境，确保煤矿井下安全生产。
2 装置的硬件设计
2.1 系统总体硬件结构
本文所研究设计的煤矿井下综采工作面自动跟踪采煤机喷雾灭尘装置结构，主要由红外发射器、电源箱、主机、分机、红外接收器、电磁阀、喷头、过滤器、手动阀门、三通、水管以及和电路配套的矿用电缆组成。每一个液压支架下安装一个控制分机，因此本装置中要实现多达100 多个通信节点的控制网络。采煤工作面启动采煤机，采煤机搭载红外发射源沿着轨道运动，系统主机逐个查询分机红外接收器是否接收到红外信号，主机根据收到的信息确定采煤机实时的位置，并且发出相关指令，控制相应分机的本安电磁阀执行开启/关闭的操作。在整个通信过程中，各个分机之间没有直接的数据交换，所有的通信过程都通过主机进行控制，主从式的rs485 总线结构恰好适合系统的通信特点。rs485 总线以其设备简单，成本低廉的优势，在煤矿井下拥有较好的应用基础。因此装置采用主从式rs485 总线作为主机与分机之间的通信总线，既节省了成本，又很好的实现了系统要求。
2.2 分机的电路设计
系统的主机相比分机减少了红外接收传感器和电磁阀的控制电路，其他部分是相同的。
分机的电路结构。图中地址和功能输入采用拨码开关设定；红外输入采用红外检测传感器；系统微控制器采用atmel 公司的atmega8 单片机；隔离通信采用隔离电源为接口芯片供电，完成控制系统和主控制系统之间的通信，实现相关的功能。稳定的电源对于控制器的工作是重要的。矿用的供电系统供127v 交流电，但是灭尘系统工作电压需要dc18v，控制电路工作电压需要dc5v，因此通过两级变压产生电路所需的稳定的工作的电压。
系统的执行器件是本安电磁阀。分机在收到开关电磁阀的命令后，由控制器发出指令通过控制电路控制开启/关闭继电器，连通电磁阀所在的回路，进行工作，喷雾灭尘。
系统通信电路采用sp485r 作为rs485 接口芯片。sp485r 是sipex 公司设计生产的高性能rs485 收发器，能够替换通用的rs485 收发器，并在许多方面有所增强。sp485r 芯片与流行的标准rs485 芯片管脚对应相同，而且包含更高的esd 保护和高接收器输入阻抗等性能。接收器输入高阻抗可以使400 个收发器接到同一条传输线上，又不会引起rs485 驱动器信号的衰减。sp485r 芯片比通用rs485 收发器具有更低的功耗，zui低仅为250mw，共模输入电压范围为-7v～+12v。使用光电隔离方式连接的sp485r 的通信接口电路图。微处理器的标准串行口的rxd、txd 通过光电隔离电路连接sp485r 芯片的ro、di 引脚，控制芯片r/d 同样经光电隔离电路去控制sp485r 芯片的de 和re 引脚。由微处理器输出的r/d 信号通过光电隔离器件控制sp485r 芯片的发送器/接收器使能：r/d 信号为“1”，则sp485r 芯片的和re 引脚为“1”，发送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向rs485 总线发送数据字节；r/d 信号为“0”，则sp485r 芯片的de 和re 引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效，此时微处理器可以接收来自rs485 总线的数据字节。
使用隔离的dc-dc 电源模块可以产生1 组与微处理器电路*隔离的电源输出，用于向rs485 收发器电路提供+5v 电源。
电路中光耦器件的速率将会影响rs485 电路的通讯速率。选用了东芝公司的光耦器件tlp521 芯片，在光耦两端电阻为1k 的情况下，可以使该rs485 电路的通讯速率达到19200bps。如果需要达到更高的rs485 通讯速率，则需要选用响应速度更高的光耦器件。
通常在远距离的rs485 通信时，485 芯片的6、7 脚要接120 欧姆的终端匹配电阻，本装置的通信长度一般在200 米左右，且节点数量较多，因此不需要接匹配电阻。
芯片本身集成了有效的esd 保护措施。但为了更加可靠地保护rs485 网络，确保系统安全，我们通常还会额外增加一些保护电路。电路图中，钳位于6.8v 的tvs 管、d2 都是用来保护rs485 总线的，避免rs485 总线在受外界干扰时（雷击、浪涌）产生的高压损坏rs485 收发器。另外，电路中的18 欧姆的电阻r7、r8，用于限流保护通信电路。电源处的r9 为压敏电阻，印制电路中的异常过压，增加电路的esd 保护。以上附加的保护电路能够对sp485r 芯片起到良好的保护效果。
3 装置的软件设计
对于自动跟踪采煤机灭尘装置，我们需要实时检测每个分机的红外接收器是否收到红外发射信息，从而确定采煤机的位置，并针对采煤机的位置控制相应液压支架下的电磁阀开合，喷雾灭尘。整个系统通信的数据量不是很大，而对实时性有一定要求，因此参考协议制定了通信规约。
3.1 通信的数据格式
信息传输为异步方式，并以字节为单位。每个字节由8 位二进制数组成。通信数据的字格式，主机和从机之间传递的数据是10 位的字格式。总线上通信数据的帧格式，在发送数据之前，发送保证总线至少3.5 个字符的空闲时间，作为帧的起始，用来区分每个不同的帧。
3.2 通信的传输过程
（1）时间间隔通信波特率：19200bps。则每个数据帧之间至少间隔3.5 个字符时间：实际应用时，通过定时器设定大于1.46ms 的时间，用于区分两帧数据。当接收方检测到总线空闲时间大于1.46ms 之后，接收到的任何信息都将作为下一个帧数据的开始。
（2）地址码
地址码是每次通讯信息帧的*字节（8 位），地址码是总线上传输的信息包的标志，总线上的每个节点都有自己固定的各不相同的地址码。其中，无效地址为0，广播地址为255，主机的地址固定为1，从机的地址由用户设定，地址范围视综采面支架的数量而定。主机和从机相互通信必须包含接收信息的目标地址，每个从机拥有*的地址码，从机在和自己的地址码比对符合后才能响应主机的命令，同时执行控制命令字并向主机回送信息。当从机回复主机的信息时，目标地址为主机的地址1。因总线上的通信为主从轮询式，总是先由主机询问从机，随后主机等待从机回复，因此，在从机向主机回复的信息中，不需要使用一个字节来表明从机地址，主机便可知道此次回复的从机地址，可以节省一个字节的通信时间，提高总线通信的效率。
（3）功能码
功能码是总线上通信信息帧传送的第二个字节，用来发送控制命令字。标准的通讯协议可定义的功能码为1 到127，而综采工作面自动跟踪采煤机灭尘装置不需要和标准终端相连，因此只定义了其中的一部分私有的功能码。其中包括读取红外接收传感器状态、开启/关闭电磁阀、装置暂停等功能命令。主机和分机通信数据中均包含相应的功能码，主机在收到分机的回复信息时，将功能码与发送的功能码比对，确认分机已执行相应动作，作为通信过程中错误监测的一种手段。
（4）数据区
数据区在主机向分机发送时，用来储存控制命令字的参数信息；在分机向主机回复的信息时用来储存功能码的执行结果，包括红外接收器的状态，电磁阀工作状态等工作参数。
（5）校验码（crc 校验）
通讯协议的crc 校验为2 字节的crc16 校验。总线上传输的所有数据帧信息，都要在帧的zui后添加待发送数据的crc16 校验数据。由于煤矿井下的通信环境比较恶劣，各种大功率用电器回带来一定的干扰。当收到干扰，crc 校验数据不符时，将错误的数据舍弃，因此crc 校验可以保证通信数据的准确度，增加系统的安全和效率。
3.3 软件流程设计
主机和分机通信程序主要有以下几个主要部分构成：i/o 设置程序、中断接收程序和控制处理程序以及加电自检程序、地址读取程序等。软件流程，a 为主机控制并接收数据的流程，b 为分机响应并执行相应指令的流程。
4 实验与分析
为了检验所设计的采煤机自动跟踪灭尘装置的功能效果，笔者于2009 年9 月，在开滦集团荆各庄矿井下做了为期半个月的实验。在下井实验之前，在井上配合液路进行了多次模拟实验，对整个系统进行调试，并对功能进行检验评估，测试自动灭尘装置对综采面的降尘效果，对结果进行分析和改进。
装置稳定可靠安装好以后，联通液路管道，设置主机工作模式，开启装置电源，装置开始工作。装置运行示意图。装置在井下综采工作面使用的过程中，当开启3 个电磁阀喷雾的时候，在采煤机下风向形成了3 道水雾墙，有效的扑灭空气中游离的粉尘，阻隔粉尘随风继续扩散。经过在井下的实验，笔者使用矿用粉尘采样仪对装置安装使用前后降尘的效果做了记录。粉尘浓度是指单位体积空气中所含粉尘的质量，单位为mg/m3。呼吸性粉尘（简称呼尘）指粒径在5m 以下的能进入人体肺泡区的颗粒物。实验中，对综采工作面采煤机的下风向3 道水雾墙后以及回风顺槽的全尘和呼尘浓度进行了记录。
实验中设定三组支架喷雾，距离采煤机滚筒一个支架身位的距离开启灭尘。
测得的实验数据，工作面采煤机下风向3 道水雾墙后全尘和呼吸性粉尘的降尘率都接近，回风顺槽处在使用灭尘装置以后，全尘和呼尘的降尘率也超过了40%。如果在采煤机下风向开启更多的电磁阀喷雾，同时液路的水压更大、喷嘴的性能更好的话，会有更好的降尘效果。
5 结论
本文研究并设计一套应用于煤矿综采工作面的自动跟踪采煤机喷雾灭尘装置，实现了综采面的无人值守自动灭尘。装置顺利通过现场试验能够完成设计功能，解决了综采工作面支架间自动喷雾的技术难题，可取代原有手动开/关水阀进行降尘的落后模式。对于改善井下作业环境、防止尘肺病危害、确保煤矿井下安全生产起到了重要作用。
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