粉塵在線監(jiān)測及自動除塵系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王宏偉

（柳林縣煤炭工業(yè)局，山西 柳林 033300）

1 系統(tǒng)組成及功能

1.1 系統(tǒng)組成

粉塵在線監(jiān)測及自動除塵系統(tǒng)的主要組成設(shè)備包括井下監(jiān)控分站、礦用本安型光端交換機、礦用隔爆兼本安直流穩(wěn)壓電源、粉塵濃度超限灑水降塵裝置用隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱、粉塵濃度傳感器、礦用自動灑水降塵裝置用熱釋光控傳感器、隔爆型電磁閥等，系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：（1）煤礦井下粉塵在線監(jiān)測、自動除塵、遠程監(jiān)測及控制功能；（2）列表顯示功能，模擬圖及相關(guān)顯示內(nèi)容包括地點、名稱、單位、報警門限、監(jiān)測值、饋電狀態(tài)、超限報警、傳感器故障等。系統(tǒng)所有被監(jiān)測的參數(shù)，可連續(xù)存儲一年，系統(tǒng)軟件相隔一定時間自動存盤一次，如有特殊情況可保存更長時間；（3）系統(tǒng)繪圖工具，所有動態(tài)、靜態(tài)圖都可由一般操作人員繪制，可鏈接系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，并有多種成型圖、實例圖供調(diào)用。

圖1 粉塵在線監(jiān)測及自動除塵系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 粉塵濃度傳感器

粉塵濃度傳感器采用光散射原理直接測量總粉塵濃度，主要由光源、光電轉(zhuǎn)換器、粉塵測量系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、粉塵過濾器和控制電路組成。安裝在作業(yè)現(xiàn)場，可以實時顯示檢測數(shù)據(jù)，供檢測監(jiān)管系統(tǒng)處理。粉塵濃度傳感器工作原理如圖2所示。

圖2 粉塵濃度傳感器原理框圖

粉塵濃度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)：（1）總粉塵濃度測量范圍：0～1000mg/m3；（2）測量誤差：≤15%；（3）工作電壓：12～24V DC；（4）最大工作電流：180mA；（5）輸出信號：200～1000Hz/1～5mA；（6）傳輸距離：≥1500m；（7）與分站通信：RS-485；（8）外形尺寸：265×200×190mm；（9）質(zhì)量：10kg。

2.2 智能化粉塵濃度超限噴霧降塵裝置控制箱

智能化粉塵濃度超限噴霧降塵裝置控制箱（以下簡稱控制箱）是整個裝置的關(guān)鍵設(shè)備，是實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能正常工作的中央處理單元?？刂葡渌峁┑谋景搽娫磻?yīng)與粉塵濃度傳感器和光控傳感器的電源參數(shù)相匹配；主控箱信號接收端電路工作時的電參數(shù)應(yīng)與傳感器輸出信號的電參數(shù)相匹配；主控箱輸出控制電路工作時的電參數(shù)應(yīng)與電磁閥工作時的電參數(shù)相匹配。同時控制箱應(yīng)能與監(jiān)控分站或遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊。

2.2.1 主要技術(shù)參數(shù)

（1）輸入電源電壓：220V AC/127V AC/36V AC；（2）本安輸出：控制箱應(yīng)為2路粉塵濃度傳感器提供18V DC的本安電源，為光控傳感器提供額定工作電壓為8V DC的本安電源；（3）適應(yīng)電壓波動范圍：根據(jù)井下電氣設(shè)備的要求，在額定電源電壓的80%～120%波動范圍內(nèi)，控制箱各項性能指標及功能達到設(shè)計要求；（4）延時時間：在控制箱的信號輸人端輸入3.0～5.0V的電信號后，當電磁閥啟動后，控制箱電磁閥控制信號輸出端的輸出電壓應(yīng)按設(shè)置的延時時間延時，延時時間設(shè)置范圍為10～999s（可調(diào)），設(shè)定的延時時間允許誤差±2s/min；（5）通訊端口：根據(jù)前述控制箱的基本功能，控制箱具有通信功能，因此控制箱應(yīng)設(shè)進、出各1路通訊口（本安）；（6）控制箱輸入信號：當紅外接收器接收到紅外信號時，給控制箱輸出TTL。標準電平信號，因此，控制箱信號接收端電路工作電壓為3.0～5.0V，無信號輸入時，控制箱信號接收端電路電壓應(yīng)不大于0.5V DC；（7）控制箱非本安輸出：控制箱應(yīng)能為3路電磁閥分別提供36±9V DC的直流電源。當電磁閥啟動后，控制箱的電磁閥控制信號輸出端應(yīng)有36.0±9.0V DC電壓輸出，當電磁閥不啟動時，控制箱的電磁閥控制信號輸出端輸出電壓均應(yīng)不大于1.0V DC；（8）通訊傳輸性能：采用RS485總線通訊方式，各控制箱通訊接口之間的工作方式為半雙工，最大傳輸距離≥500m，數(shù)據(jù)傳輸速率為2400bps。

2.2.2 主要結(jié)構(gòu)部件

控制箱與粉塵濃度傳感器配合使用，按礦內(nèi)標準設(shè)置噴霧濃度。根據(jù)在線檢測數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)值進行比較來判定其工作情況，粉塵濃度高于設(shè)定值時降塵裝置開始噴霧工作，當小于設(shè)定值時停止噴霧，同時停止開關(guān)量的輸出。噴霧期間，如果有人員經(jīng)過，延時噴霧，同時停止開關(guān)量的輸出。另外地面控制中心也可以遠程對控制系統(tǒng)進行遙控。該裝置適應(yīng)于井下進回風(fēng)大巷、采掘工作面進回風(fēng)巷道、車場、煤倉等區(qū)域的設(shè)限噴霧降塵的場所。

控制箱應(yīng)具有參數(shù)設(shè)置、參數(shù)存儲、顯示、通信及噴霧控制等基本功能：（1）參數(shù)設(shè)置功能。每臺控制箱應(yīng)具有對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置的功能，參數(shù)設(shè)置采用遙控方式。（2）參數(shù)存儲功能。斷電后恢復(fù)供電仍按最后一次設(shè)置的參數(shù)進行工作。（3）顯示功能?？刂葡鋺?yīng)具有通過顯示元件（如數(shù)碼管、液晶屏等），顯示系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)及相關(guān)信息的功能。（4）通信功能。采用RS485或CAN網(wǎng)通信方式，其工作電壓峰峰值、工作電流峰峰值及傳輸速率應(yīng)與通信方式相匹配。（5）控制功能?？刂葡鋺?yīng)具有控制電磁閥動作的功能。

3 系統(tǒng)的創(chuàng)新點分析

（1）該系統(tǒng)能夠現(xiàn)場監(jiān)測粉塵濃度，可以就地顯示測量數(shù)據(jù)，并通過電流信號進行輸出，供監(jiān)測系統(tǒng)處理。（2）井下監(jiān)控分站是一種以單片機為核心的微型計算機系統(tǒng)，可掛接粉塵、瓦斯、風(fēng)速、一氧化碳、負壓等方面的感應(yīng)器，同時進行連續(xù)監(jiān)測監(jiān)控，并通過RS485總線方式將相應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹＃?）控制箱是整個裝置的關(guān)鍵設(shè)備，是實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能正常工作的中央處理單元?？刂葡渌峁┑谋景搽娫磻?yīng)與粉塵濃度傳感器和光控傳感器的電源參數(shù)相匹配；主控箱信號接收端電路工作時的電參數(shù)應(yīng)與傳感器輸出信號的電參數(shù)相匹配；主控箱輸出控制電路工作時的電參數(shù)應(yīng)與電磁閥工作時的電參數(shù)相匹配。同時控制箱應(yīng)能與監(jiān)控分站或遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊。（4）該系統(tǒng)采用了改進后的熱釋電傳感器，從而解決了熱釋電傳感器的靈敏度和控制距離的問題，能在煤礦井下廣泛推廣。

4 應(yīng)用效果分析

2016年8月，粉塵濃度在線監(jiān)測及自動除塵系統(tǒng)在柳林縣西坡煤礦5111綜采工作面進行了安裝調(diào)試，并進行了試運行工作。從2016年8月至12月，該系統(tǒng)已成功穩(wěn)定運行了四個月時間，有效地對井下開采現(xiàn)場的粉塵濃度進行了監(jiān)測和監(jiān)控。

西坡煤礦5111綜采工作面使用現(xiàn)場情況表明：對系統(tǒng)設(shè)置了25mg/m3、35mg/m3、45mg/m3噴霧限值時，系統(tǒng)能準確的按相應(yīng)的設(shè)定值進行噴霧降塵作業(yè)，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的在線監(jiān)測和自動噴霧降塵功能。通過粉塵濃度對比監(jiān)測結(jié)果表明，該系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)平均誤差在±0.3%，監(jiān)測結(jié)果，降塵灑水裝置的穩(wěn)定性能好，動作可靠，對于外界的干擾影響比較小，很好地體現(xiàn)了該監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求。

從圖3和圖4可知，粉塵濃度監(jiān)測與自動除塵系統(tǒng)能對5111綜采工作面實現(xiàn)粉塵濃度的連續(xù)在線監(jiān)控，并根據(jù)設(shè)定的數(shù)值自動控制噴霧動作，可以起到節(jié)約水資源、及時降塵除塵作用。

5 結(jié)束語

粉塵在線監(jiān)測及自動噴霧裝置在5111綜采工作面試運行成功后，西坡煤礦采購多套該裝置分別安裝在5111綜采工作面、5107膠帶順槽及5109軌道順槽，根據(jù)設(shè)定的粉塵濃度限值自動開啟和關(guān)閉設(shè)備噴水，減少手動噴霧引起的水資源浪費，又可以及時除塵降塵，改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。

圖3 2016年 8月15日粉塵傳感器檢測數(shù)據(jù)

圖4 2016年8月26日粉塵傳感器檢測數(shù)據(jù)