論金屬拋光粉塵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計范文

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摘要：為解決拋光車間產(chǎn)生的金屬粉塵實時監(jiān)測難和測量精度低的問題，基于2．4G網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一種簡便、易操作的分布式拋光粉塵監(jiān)控系統(tǒng)。介紹其總體方案、軟件設(shè)計，并闡述粉塵監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：單片機；粉塵監(jiān)控；2．4G網(wǎng)絡(luò)

0引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，建材需求也越來越大，大量的鋁鎂金屬加工業(yè)也迅速發(fā)展起來。但在金屬品拋光生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的鋁鎂粉塵，長期吸入可導(dǎo)致塵肺病的發(fā)生，直接影響操作工的身心健康，且當拋光粉塵濃度超標時，會引發(fā)劇烈的粉塵爆炸事故［1］。例如“82昆山工廠爆炸事故”［2］造成了重大的人員傷亡與經(jīng)濟損失，也為同類工廠企業(yè)敲響了警鐘，因此，為了保障操作工的身體健康與企業(yè)的安全生產(chǎn)，必須對鋁鎂拋光作業(yè)空間的拋光粉塵進行實時監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。為此，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、容易操作、監(jiān)控實時準確的拋光粉塵監(jiān)控裝置。

1總體方案該系統(tǒng)總設(shè)計圖

由主節(jié)點電路和從節(jié)點電路兩部分電路組成，主要包括Arduino單片機、SDS011激光PM2．5傳感器、AM2302數(shù)字溫濕度傳感器、MQ8氣體傳感器、LW系列智能渦流流量傳感器、聲光報警器以及串口屏。PM2．5傳感器、溫濕度傳感器、氫氣傳感器、流量傳感器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［3］，對PM2．5值、PM10值、溫度、濕度、氫氣濃度、水流流量等值進行實時采集，從節(jié)點Arduino芯片接收到傳感器采集到的數(shù)據(jù)后，發(fā)出TTL信號至2．4G模塊，然后2．4G模塊將數(shù)據(jù)傳送至主節(jié)點［4］，主節(jié)點單片機通過2．4G模塊接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行處理，當檢測到各項數(shù)據(jù)中有一項及以上數(shù)據(jù)超出所設(shè)置的安全閥值時，主節(jié)點發(fā)出脈沖信號驅(qū)動聲光報警器發(fā)出聲、光報警［5］和迫停拋光機，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS模塊傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)存儲［6］，同時串口屏顯示數(shù)據(jù)，整個過程實時、快速、準確。

2粉塵濃度采集及監(jiān)控系統(tǒng)

2．1粉塵濃度采集原理及采集終端

該系統(tǒng)使用SDS011PM2．5激光傳感器來采集拋光車間的PM2．5的濃度［7］。SDS011采用激光散射原理為：當激光照射到通過檢測位置的顆粒物時會產(chǎn)生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，通過不同粒徑的波形分類統(tǒng)計及換算公式可以得到不同粒徑的實時顆粒物的數(shù)量濃度，按照標定方法得到官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度。粉塵激光傳感器采集到的PM2．5濃度、PM10濃度和溫濕度傳感器采集到的溫度、濕度以數(shù)字信號形式傳至從節(jié)點Arduino芯片，氣體傳感器采集的氫氣濃度和流量傳感器采集的水流量以模擬信號形式傳至從節(jié)點Ar－duino芯片。然后軟件將各變量值放入數(shù)組中，從節(jié)點的2．4G模塊負責將數(shù)據(jù)傳至主節(jié)點，主節(jié)點的2．4G模塊負責接收從節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)。主節(jié)點Arduino芯片負責從GPRS模塊獲取主節(jié)點的位置坐標信息，并將主節(jié)點采集終端獲得的粉塵濃度和其他變量信息以及位置坐標信息一起通過GPRS模塊內(nèi)置的嵌入式TCP／IP協(xié)議棧，發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器上［8－9］。

2．2粉塵監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

2．2．1數(shù)據(jù)中心及遠程監(jiān)測平臺該系統(tǒng)通過GPRS模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器上。手機終端和PC端可作為數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，使用者可以通過手機終端或PC端隨時隨地遠程訪問服務(wù)器，查看各個從節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。為了方便對比與觀察，數(shù)據(jù)以波形圖形式進行顯示，給拋光車間采取防護措施提供重要依據(jù)。使用者也可通過設(shè)置粉塵閾值，實現(xiàn)自動報警、迫停拋光機等功能。為了能夠更好地管理和使用服務(wù)器，對遠程訪問的人員進行分類管理，不同類型的人員有著不同的權(quán)限，管理人員訪問服務(wù)器可對服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行篩選刪除等操作，而普通用戶訪問服務(wù)器，只能查看、下載數(shù)據(jù)［10］。

2．2．2分布式監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)相對于傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，分布式監(jiān)測技術(shù)有很多獨到之處，比如說在惡劣危險環(huán)境中可運用分布式監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)遠程實時控制，在大型實驗中多人交叉操作多臺設(shè)備可運用分布式監(jiān)測技術(shù)進行遠程指導(dǎo)等方面。只要在現(xiàn)場布置好各節(jié)點采集終端的硬件，就可通過遠程監(jiān)測平臺完成相關(guān)工作。系統(tǒng)分布式測量是將數(shù)個從節(jié)點分布安置在各個監(jiān)測點附近，每個從節(jié)點獨立工作，具有遠程非現(xiàn)場操作能力，使得整個過程更加智能化和自動化。綜合考慮粉塵監(jiān)測的覆蓋范圍、位置信息獲取等因素，選擇2．4G網(wǎng)絡(luò)進行無線傳輸。從節(jié)點數(shù)據(jù)采集終端與主節(jié)點數(shù)據(jù)接收終端通過2．4G網(wǎng)絡(luò)對接，主節(jié)點數(shù)據(jù)接收終端和遠程監(jiān)測平臺采用C／S架構(gòu)設(shè)計，都接入到同一局域網(wǎng)中，主節(jié)點將采集到的該區(qū)域的粉塵濃度、節(jié)點ID、時間工作狀態(tài)和工作信息打包，通過與監(jiān)測平臺服務(wù)器建立的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)連接，將信息上傳，監(jiān)測平臺服務(wù)器對接收到的信息進行顯示，并儲存在數(shù)據(jù)庫中進行備份，便于查詢實現(xiàn)了對拋光車間的粉塵濃度實時監(jiān)測［11］。基于GPRS的遠程終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2遠程終端結(jié)構(gòu)Fig．2Thestructureofremoteterminal

3軟件設(shè)計

拋光粉塵監(jiān)控裝置的軟件系統(tǒng)包括主節(jié)點程序、從節(jié)點程序。主節(jié)點程序如圖3所示，包含初始化程序、數(shù)據(jù)接收程序、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)顯示程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序；從節(jié)點程序如圖4所示，包含初始化程序和中斷程序，中斷程序含初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序。數(shù)據(jù)采集采用數(shù)據(jù)濾波方法，對車間粉塵濃度及其他變量數(shù)值連續(xù)采樣，每6個數(shù)據(jù)為一組，過濾1個最大值和1個最小值，求剩下4個采樣結(jié)果的平均值，并將之作為結(jié)果數(shù)據(jù)。一個數(shù)組中已經(jīng)采集到6個數(shù)據(jù)時，表示一組數(shù)據(jù)采集完成，當再采集到新的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)清空，重新采集一組新數(shù)據(jù)。從節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送程序是將采集到的每組數(shù)據(jù)中的每個數(shù)據(jù)按個位、十位、百位一位一位傳至主節(jié)點。數(shù)據(jù)處理程序是通過連續(xù)比較1min過來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理。特性曲線將其轉(zhuǎn)換成粒子濃度，顯示軟件將這個結(jié)果轉(zhuǎn)換成十進制，送串口屏顯示。

4粉塵監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已應(yīng)用于金屬拋光車間，當拋光機工作時，系統(tǒng)開始工作，對車間內(nèi)粉塵濃度進行監(jiān)測。以此拋光車間的某個監(jiān)測點為例，選取了該監(jiān)測點某天上午9時到9時30分的PM2．5濃度、PM10濃度、溫度、濕度、氫氣濃度和水流流量曲線圖。其中，PM2．5、PM10濃度如圖5所示，可以看到在這30min內(nèi)，PM2．5、PM10濃度每隔幾分鐘就上升到一個較高的數(shù)值，接著又慢慢下降到一個較低的濃度值。拋光機工作時，車間內(nèi)的PM2．5、PM10濃度會逐漸升高，每當系統(tǒng)監(jiān)測到粉塵濃度超過所設(shè)置的安全閥值，主節(jié)點迫停拋光機，同時進行濕法除塵，直至粉塵濃度下降至某一安全值。溫度、濕度如圖6所示，在正常情況下，拋光車間的溫度、濕度保持在一個相對安全平穩(wěn)的值，該曲線圖反映出了工廠實際溫濕度情況。氫氣濃度、水流流量如圖7所示，從圖中可以清楚看出氫氣濃度與水流流量有著相同的變化趨勢，因為使用的是濕法除塵，鎂鋁粉塵濃度升高時，采用濕法除塵，水與鎂鋁反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致氫氣濃度升高。5結(jié)語本文設(shè)計的拋光粉塵監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對拋光粉塵車間的PM2．5含量的監(jiān)控，其價格低廉、體積小、攜帶方便、電路簡單，測定結(jié)果顯示清晰、直觀，能自主設(shè)定報警閾值。

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作者:胡聰1，王磊1，趙丹飛1，周偉偉1 單位：江蘇大學電氣信息工程學院