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论金属抛光粉尘监控系统设计

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摘要:为解决抛光车间产生的金属粉尘实时监测难和测量精度低的问题,基于2.4G网络,设计了一种简便、易操作的分布式抛光粉尘监控系统。介绍其总体方案、软件设计,并阐述粉尘监控系统的应用。

关键词:单片机;粉尘监控;2.4G网络

0引言

近年来,随着国民经济的快速发展,建材需求也越来越大,大量的铝镁金属加工业也迅速发展起来。但在金属品抛光生产过程中,会产生大量的铝镁粉尘,长期吸入可导致尘肺病的发生,直接影响操作工的身心健康,且当抛光粉尘浓度超标时,会引发剧烈的粉尘爆炸事故[1]。例如“82昆山工厂爆炸事故”[2]造成了重大的人员伤亡与经济损失,也为同类工厂企业敲响了警钟,因此,为了保障操作工的身体健康与企业的安全生产,必须对铝镁抛光作业空间的抛光粉尘进行实时监测,并依据监测环境参数,采取相应的应急措施。为此,设计了一种结构简单、容易操作、监控实时准确的抛光粉尘监控装置。

1总体方案该系统总设计图

由主节点电路和从节点电路两部分电路组成,主要包括Arduino单片机、SDS011激光PM2.5传感器、AM2302数字温湿度传感器、MQ8气体传感器、LW系列智能涡流流量传感器、声光报警器以及串口屏。PM2.5传感器、温湿度传感器、氢气传感器、流量传感器组成的数据采集系统[3],对PM2.5值、PM10值、温度、湿度、氢气浓度、水流流量等值进行实时采集,从节点Arduino芯片接收到传感器采集到的数据后,发出TTL信号至2.4G模块,然后2.4G模块将数据传送至主节点[4],主节点单片机通过2.4G模块接收到数据后对数据进行处理,当检测到各项数据中有一项及以上数据超出所设置的安全阀值时,主节点发出脉冲信号驱动声光报警器发出声、光报警[5]和迫停抛光机,处理后的数据经GPRS模块传至网络服务器进行数据存储[6],同时串口屏显示数据,整个过程实时、快速、准确。

2粉尘浓度采集及监控系统

2.1粉尘浓度采集原理及采集终端

该系统使用SDS011PM2.5激光传感器来采集抛光车间的PM2.5的浓度[7]。SDS011采用激光散射原理为:当激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射,在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关,通过不同粒径的波形分类统计及换算公式可以得到不同粒径的实时颗粒物的数量浓度,按照标定方法得到官方单位统一的质量浓度。粉尘激光传感器采集到的PM2.5浓度、PM10浓度和温湿度传感器采集到的温度、湿度以数字信号形式传至从节点Arduino芯片,气体传感器采集的氢气浓度和流量传感器采集的水流量以模拟信号形式传至从节点Ar-duino芯片。然后软件将各变量值放入数组中,从节点的2.4G模块负责将数据传至主节点,主节点的2.4G模块负责接收从节点传来的数据。主节点Arduino芯片负责从GPRS模块获取主节点的位置坐标信息,并将主节点采集终端获得的粉尘浓度和其他变量信息以及位置坐标信息一起通过GPRS模块内置的嵌入式TCP/IP协议栈,发送到数据服务器上[8-9]。

2.2粉尘监控系统实现

2.2.1数据中心及远程监测平台该系统通过GPRS模块将采集到的数据传送到服务器上。手机终端和PC端可作为数据监测平台,使用者可以通过手机终端或PC端随时随地远程访问服务器,查看各个从节点的历史数据和实时数据。为了方便对比与观察,数据以波形图形式进行显示,给抛光车间采取防护措施提供重要依据。使用者也可通过设置粉尘阈值,实现自动报警、迫停抛光机等功能。为了能够更好地管理和使用服务器,对远程访问的人员进行分类管理,不同类型的人员有着不同的权限,管理人员访问服务器可对服务器的数据进行筛选删除等操作,而普通用户访问服务器,只能查看、下载数据[10]。

2.2.2分布式监测系统实现相对于传统监测技术,分布式监测技术有很多独到之处,比如说在恶劣危险环境中可运用分布式监测技术实现远程实时控制,在大型实验中多人交叉操作多台设备可运用分布式监测技术进行远程指导等方面。只要在现场布置好各节点采集终端的硬件,就可通过远程监测平台完成相关工作。系统分布式测量是将数个从节点分布安置在各个监测点附近,每个从节点独立工作,具有远程非现场操作能力,使得整个过程更加智能化和自动化。综合考虑粉尘监测的覆盖范围、位置信息获取等因素,选择2.4G网络进行无线传输。从节点数据采集终端与主节点数据接收终端通过2.4G网络对接,主节点数据接收终端和远程监测平台采用C/S架构设计,都接入到同一局域网中,主节点将采集到的该区域的粉尘浓度、节点ID、时间工作状态和工作信息打包,通过与监测平台服务器建立的TCP/IP网络连接,将信息上传,监测平台服务器对接收到的信息进行显示,并储存在数据库中进行备份,便于查询实现了对抛光车间的粉尘浓度实时监测[11]。基于GPRS的远程终端结构如图2所示。图2远程终端结构Fig.2Thestructureofremoteterminal

3软件设计

抛光粉尘监控装置的软件系统包括主节点程序、从节点程序。主节点程序如图3所示,包含初始化程序、数据接收程序、数据处理程序、数据显示程序、数据发送程序;从节点程序如图4所示,包含初始化程序和中断程序,中断程序含初始化程序、数据采集程序、数据发送程序。数据采集采用数据滤波方法,对车间粉尘浓度及其他变量数值连续采样,每6个数据为一组,过滤1个最大值和1个最小值,求剩下4个采样结果的平均值,并将之作为结果数据。一个数组中已经采集到6个数据时,表示一组数据采集完成,当再采集到新的数据后,数据清空,重新采集一组新数据。从节点的数据发送程序是将采集到的每组数据中的每个数据按个位、十位、百位一位一位传至主节点。数据处理程序是通过连续比较1min过来的数据,对数据进行处理。特性曲线将其转换成粒子浓度,显示软件将这个结果转换成十进制,送串口屏显示。

4粉尘监控系统应用

该系统已应用于金属抛光车间,当抛光机工作时,系统开始工作,对车间内粉尘浓度进行监测。以此抛光车间的某个监测点为例,选取了该监测点某天上午9时到9时30分的PM2.5浓度、PM10浓度、温度、湿度、氢气浓度和水流流量曲线图。其中,PM2.5、PM10浓度如图5所示,可以看到在这30min内,PM2.5、PM10浓度每隔几分钟就上升到一个较高的数值,接着又慢慢下降到一个较低的浓度值。抛光机工作时,车间内的PM2.5、PM10浓度会逐渐升高,每当系统监测到粉尘浓度超过所设置的安全阀值,主节点迫停抛光机,同时进行湿法除尘,直至粉尘浓度下降至某一安全值。温度、湿度如图6所示,在正常情况下,抛光车间的温度、湿度保持在一个相对安全平稳的值,该曲线图反映出了工厂实际温湿度情况。氢气浓度、水流流量如图7所示,从图中可以清楚看出氢气浓度与水流流量有着相同的变化趋势,因为使用的是湿法除尘,镁铝粉尘浓度升高时,采用湿法除尘,水与镁铝反应产生氢气,导致氢气浓度升高。5结语本文设计的抛光粉尘监控系统主要用于对抛光粉尘车间的PM2.5含量的监控,其价格低廉、体积小、携带方便、电路简单,测定结果显示清晰、直观,能自主设定报警阈值。

参考文献

[1]郭昌贤.治理抛光作业的粉尘污染[J].铁道劳动安全卫生与环保,1997(04):65-66.

[2]钟圣俊,苗楠,刘洪洋.铝镁金属抛光工艺粉尘爆炸事故分析与防护[J].现代职业安全,2014(10):26-29.

[3]林宏浩,易向东,梁晓锋,等.基于多参数的空气质量检测仪[J].福建电脑,2018,34(03):32-33.

[4]谭健,佟国香,吕芳芳.基于2.4G的无线音频传输系统[J].信息技术,2013(12):46-48,56.

[5]孙小利,夏炜,李文英,等.声光报警系统及在含硫天然气作业现场的应用[J].天然气技术,2010,4(04):56-57,79.

[6]刘晓茜.云计算数据中心结构及其调度机制研究[D].合肥:中国科学技术大学,2011.

[7]王宁,冀敏,赵冲.激光传感器的智能pm2.5检测仪[J].激光杂志,2017,38(08):77-80.

[8]夏祥龙,陈津平,胡春光.基于FPGA的实时数据采集系统研究[J].计算机工程,2013,39(11):307-311.

[9]马文超,张涛.一种基于FPGA的以太网高速传输平台[J].计算机工程,2012,38(1):242-244

[10]施华君,刘玉麟,秦宁,等.基于3G网络的分布式粉尘监测系统[J].计算机工程,2017,43(10):13-16.

[11]王雪瑞,李艳玮,李拴保.分布式矿井粉尘浓度在线监控系统[J].计算机测量与控制,2014,22(07):2084-2086,2089.

作者:胡聪1,王磊1,赵丹飞1,周伟伟1 单位:江苏大学电气信息工程学院

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