摘 要

　　近年來(lái)各地的霧霾天氣多發(fā)，而主要的源頭之一就是工業(yè)廢氣、廢煙、廢塵 等的排放，特別是高污染、高耗能的熱鍍鋅行業(yè)的鋅煙塵的排放對環(huán)境的影響。 然而，工業(yè)推動(dòng)著(zhù)經(jīng)濟的進(jìn)步，不能對其進(jìn)行簡(jiǎn)單的關(guān)閉處理，而應該探尋一條 有效可行的環(huán)保治理方案來(lái)平衡經(jīng)濟和環(huán)境之間的關(guān)系，走出一條可持續發(fā)展道 路。

　　目前，在鋅煙環(huán)保治理過(guò)程中，布袋除塵器因其高過(guò)濾、低故障等特點(diǎn)被廣 泛應用在鋅煙塵的捕集和處理上。在該處理過(guò)程中，影響布袋除塵器效率的因素 主要有濾袋的材質(zhì)和控制技術(shù)，在濾袋材質(zhì)使用方面，各個(gè)企業(yè)相差不大，但在 控制技術(shù)上，不管是由基于集成電路的脈沖控制儀的控制、基于 PLC 組合的控 制或是由基于工控機的控制都需要現場(chǎng)接觸這些設備，人機界面不夠友好。針上 述問(wèn)題，通過(guò)對鋅煙除塵控制系統的研究與分析，設計了一套基于藍牙單片機的 鋅煙除塵系統。在該控制系統中，主要做了以下工作：

　　（1）系統硬件電路設計。以 CC2541 為主控芯片，完成了控制系統的硬件 設計，包括主控制器的最小系統完整電路、鋅煙氣壓檢測電路、鋅煙溫度檢測電 路、電磁閥控制電路等硬件電路設計。其中還采用 RS485 接口與變頻器連接進(jìn) 而來(lái)控制引風(fēng)機的電機，并分別采用 RS232 接口、藍牙 4.0 協(xié)議與觸摸屏、上位 機手機進(jìn)行通訊。同時(shí)在 Altium Designer 上完成了系統的原理圖設計及 PCB 的 繪制，在電路板的焊接完成之后對其硬件進(jìn)行了調試。

　　（2）系統軟件設計。在 IAR 軟件上完成了下位機程序的編寫(xiě)及調試，包括 系統的主控制程序、各個(gè)功能子程序及與上位機通訊程序；在 Matlab 上完成了 電磁閥自動(dòng)噴吹清灰的仿真分析；在 Android studio 上完成了上位機手機 APP 的 界面設計和系統參數設置程序的編寫(xiě)。

　　（3）系統的運行和調試。利用搭建的實(shí)驗平臺對系統進(jìn)行了硬件測試、功 能測試和系統調試，驗證了本系統設計的各個(gè)功能模塊的可行性。

　　關(guān)鍵詞：鋅煙除塵系統；藍牙單片機；手機 APP;自動(dòng)噴吹清灰

Abstract

　　In recent years, haze weather occurs more frequently than before, and one of the main reasons is the discharge of pollutants such as industrial waste gas, waste smoke, and waste dust, especially the environmental impact of zinc dust emission from the hot-dip galvanizing industry, which is of high pollution and high energy consumption. However, industry promotes economic progress and cannot simply be closed. Instead, an effective and feasible environmental protection program should be explored to balance the relationship between the economy and the environment, to embark on a path of sustainable development.

　　At present, during the environmental managment of zinc smoke, bag filter is widely used in the collection and treatment of zinc dust due to its high filtration and low failure rate. In the process, the factors affecting the efficiency of the bag filter are mainly the material and control technology of the filter bag. In terms of the use of the filter bag material, there are not much difference among enterprises, but the control technology,whether it is based on the control of IC pulse controller, PLC combination-based control or industrial computer-based control, requires on-site contact with devices, and the human-machine interface is not friendly enough. Based on the above issues, a zinc-smoke dust removal system based on Bluetooth single-chip microcomputer （SCM） was designed through the research and analysis of the zinc dust removal control system. In this control system, the main work is as follows:

　　（1）Circuit design of system hardware.With CC2541 as the main control chip, the hardware design of the control system is completed, including the complete circuit of the main controller of the smallest system, the zinc smoke pressure detection circuit, the zinc smoke temperature detection circuit, the solenoid valve control circuit and other hardware circuit designs. The RS485 interface is also connected with the inverter to control the motor of the induced draft fan. The RS232 interface and the Bluetooth 4.0 protocol are respectively used for communication with the touch screen and the upper mobile phone. At the same time, the schematic design and PCB drawings of the system were completed on Altium Designer, and the hardware was debugged after the board was soldered

　　（2）System software design.Writing and debugging of the lower computer program was completed on the IAR software, including the main control program of the system, sub-program of each function and the program for communication with the host computer. Simulation analysis of automatic injection and cleaning of solenoid valve was completed on Matlab. The interface design and system parameter setting program of the host computer's mobile phone application was completed on Android studio.

　　（3）System operation and debugging.Hardware test, function test and system debugging of the system were carried out by using the built experimental platform to verify the feasibility of each function module designed for the system.

　　Key Words: Zinc Smoke Dust Removal System; Bluetooth SCM; Mobile Phone Application; Automatic Blowing And Cleaning;

目錄

　　1 緒論

　　1.1 選題的背景及意義

　　實(shí)施改革開(kāi)放政策以來(lái)，在國家的大力扶持下，工業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。但 是，大多數企業(yè)尤其是熱鍍鋅等傳統產(chǎn)業(yè)，仍然遵循上個(gè)世紀的生產(chǎn)方式和加工 方式，存在能耗高、污染嚴重等問(wèn)題。為了加強對環(huán)境污染企業(yè)的管控，國家頒 布了《工業(yè)爐大氣污染物排放標準》（GB9078-1996）[1].其中第二個(gè)標準規定， 對于非金屬熔化和冶煉爐產(chǎn)生的廢氣，有組織可以排放高達 200mg/m3的煙氣濃 度，而無(wú)組織的最高可達 5mg/m3,對工業(yè)上排放的煙囪高度也有要求，最低也 要達到 15 米。根據《大氣污染物綜合排放標準》，粉塵最大允許排放濃度為 120mg/m3,最高排放率為 3.5kg/h[2],無(wú)組織排放最高濃度為 1.0mg/m3,噪聲排 放標準晝夜不超過(guò) 65dB.本標準為企業(yè)改變原有生產(chǎn)方式提供了切實(shí)可用的途 徑。

　　我國在提出《中國制造 2025》之后，對那些仍在使用上世紀設備的企業(yè)來(lái) 說(shuō)，這是一個(gè)警鐘[3].通過(guò)制定相關(guān)的環(huán)境保護法規，可以有效提高環(huán)境治理能 力，但它也需要相應的科學(xué)技術(shù)和設備的支持，關(guān)于除塵設備的研究都具有重要 意義[4].近年來(lái)，隨著(zhù)國家工業(yè)化進(jìn)程不斷向前發(fā)展，熱鍍鋅因其具有鍍鋅層厚且均 勻、附著(zhù)力強、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，使得市場(chǎng)對鍍鋅產(chǎn)品的需求量逐漸增大，因 而全國不少企業(yè)增加了熱鍍鋅產(chǎn)品的生產(chǎn)。熱浸鍍鋅是將生銹的鋼構件浸 500℃ 左右的液態(tài)鋅鍋內，經(jīng)過(guò)各種物理化學(xué)反應，在其鋼構件表面涂覆上一層厚的純 鋅，從而達到防腐的目的[5].

　　這種防腐的工藝在強腐蝕和強霧氣等的環(huán)境中應用比較廣泛。但在浸入鋼構 件之前，在其表面涂的助鍍劑含有氯化銨成分，經(jīng)汽化會(huì )產(chǎn)生大量的白煙，其中主要成分是氧化鋅煙塵。有研究顯示：年產(chǎn)三萬(wàn)噸的中型鍍鋅廠(chǎng)要產(chǎn) 2500-300kg/ 年的煙塵顆粒，600-800kg/年的鋅及其氧化物。熱鍍鋅產(chǎn)生的煙塵如圖 1.2 所示。

　　對長(cháng)期工作在操作間的鍍鋅人員的身體構成很大的危害，同時(shí)又對環(huán)境造成嚴重 的污染，這是目前亟待解決的難題。

　　在實(shí)際生產(chǎn)中，布袋除塵器對粉塵的處理能力超過(guò) 99.9%,最低排放濃度限 制在 5 mg/m3以下[6].其的處理能力很合適 PM2.5、鋅煙等顆粒物的除塵[7].但 是傳統的布袋式除塵器不僅成本高、操作復雜、實(shí)時(shí)性低、鋅煙的溫度及氣壓需 借助輔助儀表來(lái)檢測。在對除塵系統進(jìn)行操作時(shí)工作人員需要到鍍鋅車(chē)間內，這 不僅浪費了人力，而且對長(cháng)期工作在鍍鋅廠(chǎng)的人的身體造成很?chē)乐氐膫�害。如�?利用新技術(shù)使布袋除塵器的操作更加簡(jiǎn)單、控制能力更加強大、實(shí)時(shí)性更好[8], 同時(shí)避免與鋅煙塵的長(cháng)期接觸，是目前鋅煙除塵技術(shù)研究的主要內容。

　　1.2 國內外發(fā)展現狀

　　1.2.1 布袋除塵器的國內外發(fā)展現狀

　　自 1886 年德國生產(chǎn)布袋除塵器以來(lái)，已經(jīng)有 130 年了。后來(lái)，在美國、日 本等發(fā)達國家的推動(dòng)下，它被廣泛應用于工業(yè)粉塵除塵，尤其是熱鍍鋅除塵領(lǐng)域 [9].目前，日本、澳大利亞、美國等發(fā)達國家對布袋除塵器系統的控制大致可以 分為兩個(gè)部分：第一，作為生產(chǎn)自動(dòng)化的一部分，布袋除塵器系統的控制已經(jīng)納 入生產(chǎn)過(guò)程。整個(gè)系統由上位機和下位機相互配合來(lái)完成控制，在控制過(guò)程中， 把計算機作為上位機，而下位機由可編程邏輯控制器來(lái)控制。第二種是使用具有 特殊功能的芯片來(lái)實(shí)現小型除塵器的控制，但對該芯片的集成度及可靠性要求較 高。目前，我國布袋除塵系統中使用的控制裝置可分為以下幾類(lèi)：

　　（1）基于集成電路的脈沖控制儀

　　70 年代，我國開(kāi)始把脈沖控制儀引入到布袋除塵器的控制上來(lái)。這種控制 儀的時(shí)序脈沖采用邏輯集成電路來(lái)控制，相比現在的控制技術(shù)，由這種控制儀控 制的布袋除塵器的功能相對比較簡(jiǎn)單[10],其只具有定時(shí)脈沖清灰功能。由該控制 儀控制的除塵器的工作環(huán)境較差，其脈沖控制儀中使用的集成電路芯片不受保 護。其集成電路芯片很容易受到灰塵、溫度和電磁波的干擾和影響，很難有效部 署，系統的可靠性大大降低。因此這種脈沖控制儀僅適用于只有一個(gè)脈沖控制要 求的小型除塵器。

　　（2）基于 PLC 控制的除塵系統

　　可編程序控制器（PLC）是工業(yè)自動(dòng)化的支柱之一，以可靠性著(zhù)稱(chēng)[11].該控制 器下的系統不僅可以長(cháng)期在惡劣的環(huán)境下運行，且可以運行穩定、可靠。在軟、 硬件的控制上，與工業(yè)控制計算機相比，其更側重于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化[12].一般 工業(yè)上有兩種，一種是針對時(shí)序邏輯的控制的小型可編程序控制器，其主要實(shí)現 數十點(diǎn)到數百點(diǎn)之間的控制。而另一種是針對數千個(gè)點(diǎn)的控制的大型可編程序控 制器，其中包括對基本的開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、通信模塊、熱電溫度輸入模塊、 模擬量輸入輸出模塊等的控制。基于這些優(yōu)點(diǎn)，目前由 PLC 控制的除塵系統被 許多大中型布袋除塵系統所采用。但由于由其控制的布袋除塵系統的氣體溫度和 壓力測量功能需要額外的輔助儀器，這將大大增加成本，而且故障點(diǎn)多，控制柜 布局也繁瑣。

　　（3）基于單機測控系統的除塵系統

　　單機測控系統主要是由以工控機為主機的測控系統所組成[13].其增加了先進(jìn) 的編程語(yǔ)言，并且得到更多軟件的支持，使得以動(dòng)態(tài)方式來(lái)仿真整個(gè)工業(yè)過(guò)程變 得及其簡(jiǎn)單。由于省去了二次儀表設備，大大降低了監測參數較多的系統投資。 然而，對于不同類(lèi)型的氣體，要選擇相應類(lèi)型的濾袋，這需要頻繁更換，因此濾 袋的消耗量相對較大。并且濕度高的含塵氣體在溫度較低時(shí)會(huì )形成露水而糊袋， 所以該除塵系統對進(jìn)入濾袋的氣體的濕度也有一定的要求[14].

　　1.2.2 布袋除塵器的發(fā)展趨勢

　　（1）小型布袋除塵控制器。考慮到小型除塵系統比較容易實(shí)現，對功能要 求比較少且簡(jiǎn)單，未來(lái)市場(chǎng)可能更多實(shí)現大批量生產(chǎn)。給該布袋除塵控制器通上 電源、接上負載，不需要特別維護和調試就可以實(shí)現運行，方便、高效、省力[15]. 通過(guò)對脈沖控制專(zhuān)用芯片的深入研究，不久的將來(lái)這種小型除塵控制器的廣泛應 用或將成為可能。

　　（2）實(shí)現除塵系統控制的"智能化".實(shí)現高度的自動(dòng)化是現代大規模生 產(chǎn)的目標。對于大型除塵系統，除常規的控制要求外，還應能在工況變化時(shí)自動(dòng) 識別出控制對象的變化并做出相應的調整[16].當事故發(fā)生時(shí)，它可以自動(dòng)判斷并 進(jìn)行處理，而不只是發(fā)出警報。可以預見(jiàn)，在不久的將來(lái)，以移動(dòng)智能終端為上 位機，高速單片機為下位機的智能控制系統將很快得到應用。

　　1.2.3 藍牙技術(shù)的發(fā)展現狀

　　藍牙技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)，得到了很大的進(jìn)步，已經(jīng)成為世界各國工業(yè) 和研究機構青睞的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。藍牙 SIG 是一個(gè)全球藍牙組織[17],其主 要目的是通過(guò)采用技術(shù)標準的宣傳策略來(lái)促進(jìn)藍牙技術(shù)的發(fā)展。其已經(jīng)成為一個(gè) 相當大的工業(yè)高科技標準化組織，其中有 2000 家設備制造商已成為其全球成員， 這些制造商都支持藍牙技術(shù)[18].一個(gè)開(kāi)放的、全球統一的技術(shù)規范得到了業(yè)界的 廣泛關(guān)注，這在過(guò)去很少看到。 藍牙是一種短程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可以取代數據線(xiàn)，它還支持對象之間通信[19].

　　其工作在 2.4GHz 頻段，以每秒 10Mb 的速率進(jìn)行數據傳輸，同時(shí)還可以進(jìn)行數 據和語(yǔ)音的傳輸，其與所連接到的所有設備都可以實(shí)現共享彼此的資源。藍牙技 術(shù)的應用是非常廣泛的，具有很大的潛力。它可用于無(wú)線(xiàn)設備（如手持式計算機、 移動(dòng)電話(huà)、智能電話(huà)、無(wú)線(xiàn)電話(huà)）、圖像處理設備（攝像機、打印機、掃描儀）、安 全產(chǎn)品（智能卡、身份識別、計費管理、安全檢查）、消費娛樂(lè )（耳機、MP3、游戲）、 汽車(chē)產(chǎn)品（全球定位）系統[20]、防抱死制動(dòng)系統、電力系統及安全等方面。在氣囊、 家用電器（電視、冰箱、烤箱等）領(lǐng)域、微波爐、音響、錄像機、健身、建筑、玩 具等市場(chǎng)上，藍牙行業(yè)持續增長(cháng)。2002 年，藍牙產(chǎn)品售出 400 多件，達到 3000 萬(wàn)件。2003 年，藍牙產(chǎn)品的銷(xiāo)量是 2002 年的兩倍。In-Stat/MDR 預測藍牙市場(chǎng) 將在 2007 年擴大到 6 億臺。愛(ài)立信技術(shù)許可總裁馬里·馬里亞霍斯蘭德（Mali Mariakhorsand）表示：藍牙是少數仍在如此艱難的經(jīng)濟環(huán)境中發(fā)展的技術(shù)之一[21]. 任何一項新技術(shù)從產(chǎn)生到發(fā)展都要經(jīng)歷一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程，藍牙技術(shù)也例外 [22].從以往來(lái)看，將技術(shù)標準和知識產(chǎn)權共享技術(shù)統一，會(huì )帶來(lái)很大好處。通過(guò) 行業(yè)的共同努力，相信在不遠的將來(lái)，藍牙技術(shù)的潛力是無(wú)法想象的。

　　1.3 論文主要研究?jì)热?/strong>