自適應尋源追蹤降塵機控制系統設計與研制

顏仁喆,王 浩

甘肅第四建設集團有限責任公司,甘肅 蘭州 730060

0 引言

建筑施工過程中時常發生揚塵現象。雖然一些大面積的土方、基坑施工或拆除作業會在期間進行不間斷降塵,但由于各階段揚塵排放量的不同,往往會發生一些偶發性、難以預判的揚塵現象。受施工環境風力影響,現場綜合環境監測裝置往往難以識別,即使發生了報警,從人員感知到組織實施治理的時效性明顯不足。魏海龍[1]提出了一種采煤機塵源跟蹤高壓噴霧降塵技術及裝備,雖然可根據架設傳感器監測實現固定區域的高壓噴霧降塵,但其龐大的供水系統和結構特點使其僅能適應固定的煤礦井工作面,不可拓展使用。雖然在智慧工地與綠色施工建設要求下,安裝在施工現場的綜合環境監測設備往往通過預留開關量接口聯動施工現場降塵機啟動線圈,但這種“聯動”從本質上講就是實現自動化開關,且環境監測裝置受安裝位置、采集精度及現場環境的制約[2],向降塵機輸出開關量信號時,揚塵未必發生在當前降塵機的覆蓋面,仍需要人為識別揚塵區域,并前往現場調整降塵機位置以確保降塵范圍覆蓋揚塵區域,這使預期實現的智慧聯動功能受到了制約。

針對上述壁壘,本文研究開發了一種能夠識別塵源并實施追蹤降塵的控制系統,系統通過捕捉各區域顆粒污染量,經模擬量采集、轉換與比較,結合雙節點無線CAN通訊技術向控制器實時反饋,當超出設定預警值時,控制器會根據反饋快速響應,實施精準治理。治理過程中,受環境風速、風向影響,降塵覆蓋比會發生變化,系統會通過計算最優覆蓋比并結合當前環境變量,動態調節降塵機轉角、仰角。這種閉環的控制方式使揚塵治理更加及時、高效,既不需要人為識別、干預,又適應環境需求,為建設工程智慧工地建設質量提升作出貢獻。

1 結構總體設計

自動追蹤降塵系統的整體結構設計分為3大部分,即執行機構、模擬量采集模塊以及數據通信模塊。

執行機構在本設計中具體表現為一種支持水平回轉和垂直俯仰的降塵機,雙軸方向且寬角度的運動范圍可滿足現場揚塵點的定位。由于在追蹤模式下,尤其是計算水霧覆蓋比自適應補償過程中,可能會出現噴霧機轉角、仰角微調的頻繁動作,若直接采用電機驅動容易造成電機頻繁啟停下線路發熱、燃燒等風險隱患。因此,本設計的動力源為液壓驅動,當系統監測到揚塵源并實施治理時,控制開啟液壓油泵或者液壓馬達拖動單元。在持續治理過程中,油泵或拖動單元始終保持通電運行狀態,即使過程中需要機構姿態頻繁調整,只需要輸出電磁閥控制信號控制液壓油流向即可。邏輯程序為當接收停機指令若干時間內若無其他控制信號輸入時,才會切斷油泵或拖動單元電源,有效解決了啟動電流過大、發熱造成的安全隱患問題。

模擬量采集模塊具體表現為顆粒物濃度傳感器、電子羅盤以及風速、風向變送器,一般根據實施現場環境及機位布置。本樣機系統設計中,設置3臺顆粒物濃度傳感器分布在測試場所周圍,可以克服傳統大門口1臺監測裝置受采集精度的制約,提升揚塵點定位精度。

數據通信模塊具體表現為一種CAN總線無線網橋,考慮到施工現場面積廣、難以布線且現場受大型機械設備干擾等問題,設計充分利用CAN總線抗擾動能力強、差錯率低等特點,利用雙節點無線CAN通訊技術,將現場多采集節點并行掛載于總線網絡中,通過不同的幀地址向執行機構控制器發送數據報文。本系統的拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統拓撲結構

2 系統硬件設計

2.1 降塵機驅動系統設計

降塵機柜電氣原理如圖2所示,降塵機風扇、水泵以及底座液壓系統均采用三相交流異步電動機,風機功率5.5 kW,水泵功率5.5 kW,油泵電機3 kW。由于設計風機水泵啟動具有順序動作邏輯且油泵電機工作只發生在降塵機方位調整過程中,故分別采用接觸器直接啟動方式。低壓供電系統選用一種1 000 W/24 V直流電源,為嵌入式控制器、CAN總線無線網關-GCAN213、電子羅盤以及風速、風向變送器提供電源。

圖2 降塵機柜電氣原理

為節約控制柜安裝空間及免去中間繼電器的安裝,選用一種ARM架構的嵌入式控制器取代了傳統降塵機使用工業PLC和組態屏的設計模式,輸出點驅動能力強,對于常規電磁閥線圈、接觸器線圈、聲光蜂鳴器等均可直接驅動,無須隔離供電,輸入點設計了無線遙控系統預留,方便使用過程中根據需求進行拓展。

2.2 顆粒物采集模塊設計

為適應試驗環境顆粒物濃度高且空間廣的環境特點,需要顆粒物濃度傳感器能夠對大范圍空間的高質量濃度顆粒物進行采集。經研究比較,使用光全散射法,充分利用光源的透射特性,通過測出透射的光照強度相較于入射的光照強度的變量,結合Mie散射理論,實現對大范圍空間的顆粒物濃度數值的反演計算。當入射的光照透射過有相當濃度顆粒物漂浮的區域時,在消光作用影響下,會使入射的光照強度產生衰竭,如果區域內顆粒物濃度和光照折射率為定量,那么光照強度衰竭量只會與顆粒物質量濃度和空間分布關聯[3],其原理如圖3所示。

圖3 全光散射測量原理

實際上,顆粒物在通道上散射后傳到光散射信號是極度微弱的,這使散射光轉換后也只能輸出微弱的光電流。為解決光電流信號弱的問題,需要將微弱的光電流信號放大,因此設計要求集成運算放大器的偏置電流應比光電流(Ii)小,從而實現微弱電流-電壓的轉換。本次采用跨阻放大電路實現要求,其電路原理如圖4所示。Uo為輸出電壓,Rf為大電阻,一般量級為兆歐級。

圖4 跨阻放大電路原理

Rf作為大反饋電阻可有效進行細微電流-電壓的轉換,如式(1)所示。

Uo=-IiRf

(1)

2.3 數據通信系統設計

本研究在降塵機噴射覆蓋范圍內分散布置3臺顆粒物濃度傳感器,由于施工現場環境較為復雜且一些大型施工機具的運行會造成較大的信號干擾,因此傳輸數據的可靠性尤為重要。CAN總線具有性能強、可靠性高、實時性強等特點,其總線組網模式比較適合此類環境下使用?？偩€的多主通信模式使得試驗中各節點(如顆粒物濃度傳感器)能夠不分主從地掛載于總線網絡中,并且不分配任何地址信息,即使在后期投入使用過程中需要增加或減少節點均不會對其他節點造成影響,擴展性十分強[4]。

CAN總線網絡拓撲結構如圖5所示,3臺顆粒物濃度傳感器都掛載于CAN總線網絡上,但考慮到施工現場環境較為復雜且難以布線,故設計并使用了一種CAN總線無線網橋,可用于在2個CAN系統之間通過無線傳輸信息。GCAN-213由1對無線電收發器組成,工作在2.4 GHz ISM頻段,可提供最大允許發射功率,確保連接可靠,并最大限度地提高通信距離,全向天線支持任何方向的發射和接收。

圖5 CAN總線網絡拓撲結構

2.4 風采集節點設計

現場環境的風向、風速會對降塵作業質量造成一定影響。靜風環境下,降塵機作業時,水霧覆蓋率(φ)只需考慮設計噴頭出口射水初速度和俯仰角度。但在施工現場環境中,往往受環境風力影響,水霧覆蓋率無法達到作業要求,或是水霧超出了揚塵范圍,也同樣影響作業質量。具體公式如下。

(2)

式中：K為射水初速度;α為降塵機軸線與地面夾角;V為降塵機軸線風速,Q為總出水量,Q0為基礎出水量,C為顆粒物濃度值,μ為水量調整系數。當降塵機軸線出現一定迎風量時,此時V取正值,φ也會因此下降;在Q一定的情況下,受風力影響的φ將難以適應當前C的數值量,就需要降塵機做出自適應的自動姿態調整以補償環境風力對作業效果的影響。

本次設計在降塵機上安裝了一種可測算風速及風向的變送裝置,可支持8個方向測量,10～30 VDC寬壓輸入,0～5 V輸出,安裝可將裝置原始點坐標指向沿降塵機軸線方向[5],在降塵機追蹤塵源過程中,根據變送輸出的數值判定式(2)中V值的大小及方向,并結合采集的C值由軟件設計進行自適應補償。

3 系統軟件設計

3.1 追蹤流程設計

在系統設計編程時,對降塵機的控制區分為手動模式和追蹤模式。手動模式下降塵機無異于常規狀態,系統會自動屏蔽各傳感器輸入量,只通過拓展無線遙控器進行控制。追蹤模式下系統處于自主動態監測狀態,各節點區域顆粒物濃度數值實時上傳并與閾值比較。當判定為某節點區域揚塵濃度超標時,系統根據原始自學習記錄解析出塵源坐標,并實施電信號輸出使降塵機噴射角度對準塵源區域后開啟降塵作業;當達到降塵效果使目標塵源點濃度數值降低至閾值范圍以下,降塵作業停止并驅動降塵機復位至初始狀態位置。追蹤降塵作業流程如圖6所示。

圖6 追蹤降塵流程

3.2 節點的采集流程設計

采集周期在10 ms函數中運行,即每10 ms進入1次中斷。將ADC采集并轉化的電壓信號存入自定義數組中,在1 Hz頻率下,每1 s對高、低電平環境下的電壓信號和噪聲信號求平均值,并用高電平的有效值與低電平的噪聲值求差值從而得到計算結果,在時鐘的設定下每1 s向外設接口輸出數據,其流程如圖7所示。

圖7 采集流程

3.3 尋源邏輯設計

追蹤模式下,根據采集節點在時間周期內的動態顆粒物濃度數據為是否響應尋源的判定條件,根據采集并解析出的坐標象限使能噴霧回轉及舉升系統完成順序動作,最終鎖定塵源坐標,如下代碼片段,系統監測到某區域顆粒物濃度超過設計閾值時,驅動回轉液壓馬達及液壓油缸,使降塵機機位對準目標位置。

if(one_position_x_set_F==1)

{

if(Overthreshold==1&&!Manualmode&&count1==0)

{

step1=1;

}

if(step1==1&&one_position_x_set_F==1)

{

Left pendulum_auto=0;

Right pendulum_auto=1;

Lift_auto=0;

Descend_auto=0;

count1++;

if((count1>=count1_x_set_FF)||(Swing_angle>=one_Swing_angle_set_FF)) {

step1=0;

count1=count1_x_set_FF;

}

}

3.4 覆蓋率補償邏輯設計

風速、風向的采集對控制系統來說是以CAN報文的形式接收輸入,使用vIDNum+=RegisterID(0X301 ,i++,1000)注冊變送器數據地址,提取數據幀上的風速、風向字節并處理為十進制。

wind_speed=(int)(CAN1_RBuf[1]+CAN1_RBuf[0]*256);

wind_direction=(int)(CAN1_RBuf[3]+CAN1_RBuf[2]*256);

提取當第3、4字節為B29或0時,第0、1字節數值并賦予降塵機軸線風向,根據式(2),取B29時,

if(wind_direction==2857)

{

Positive compensation_mode=1;

}

if(Positive compensation_mode&&Overthreshold==1)

{

Pitch_angle=arccos(Particulate concentration_data*μQ0_data/Q_data*wind_speed/8*(1-(Particulate concentration_data*_data/Q_data)));

}

此時系統會根據現場揚塵點的濃度值及水泵工況進行降塵機姿態動態調節以實現最優水霧覆蓋。

3.5 系統界面設計

DGUS 5.4開發軟件可通過變量地址實現與嵌入式控制器的綁定開發,使用PS軟件可設計出系統界面底板,通過開發軟件設計出各類變量圖標或者變量數據窗口[6],通過十六進制地址與嵌入式系統程序關聯。如圖8所示,配置主要涉及變量顯示、按鍵觸控、反映數字量狀態以及警告狀態下的的變量圖標。本設計中所設定的3個采集節點的顆粒物濃度數據均會在系統界面上動態顯示,當系統響應需要執行尋源追蹤時,當前塵源點區域位置以及執行追蹤降塵過程中降塵機各機構的電信號狀態均會在界面中動態顯示,一方面是為了現場操作人員直觀了解系統當前的工況,另一方面是在系統執行出現故障時,通過觀察輸出點的使能狀態判定系統故障點,便于操作人員快速找出故障源。

圖8 DGUS配置軟件主界面

4 性能測試

系統控制性能試驗在蘭州大學榆中校區研究生公寓建設項目實施,根據測試區域面積,布置了3臺顆粒物濃度傳感器及1臺搭設了本設計系統的降塵機。測試方案為：分別在3個區域模擬揚塵狀況,每個區域測試3次,并在系統應用測試前和應用測試后分別記錄系統反饋的顆粒物濃度數值,開啟“追蹤模式”后,系統將進入到自動尋源追蹤工況狀態。

場地測試記錄如表1所示。由表1可知,開啟追蹤模式后,在試驗區域內產生揚塵時,因顆粒物濃度迅速升高且超過預警值,系統會在較短時間內做出響應,根據計算可得,平均響應時間為2.32 s。當進行降塵作業時,由于降塵機能夠較精準確定揚塵集中點,治理有針對性,因此顆粒物濃度會迅速下降,經記錄,模擬產生相對一致程度的揚塵時,治理前顆粒物濃度平均數值為10.74 mg/m3,治理后該數值迅速下降至3.90 mg/m3,治理降塵率可達63.7%。

表1 場地測試記錄

5 結束語

本研究充分結合ARM嵌入式控制系統開發技術、CAN-BUS無線網關通信技術、Mie散射理論下激光散射顆粒物探測技術以及磁感姿態角測量技術等,搭設了一套可實現尋源追蹤的降塵機控制系統,并在硬件搭設的基礎上進行了軟件開發。經測試,當某個區域產生高濃度揚塵時,降塵機能夠迅速響應調節機位對準目標區域實施噴霧降塵,并在過程中根據現場風力情況進行自適應仰角補償性調節,以實現施工現場降塵覆蓋率最優化匹配。但該系統仍存在諸多改進點,例如可將降塵機風扇、水泵驅動系統改為柱塞泵馬達,根據射水距離及顆粒物濃度變化通過電比例調節實現泵斜盤角調整,使系統工況更適應現場環境。