陳彥青
(山西汾西礦業(yè)水峪煤業(yè)有限責任公司,山西 孝義 032300)
在煤礦井下原煤生產(chǎn)及煤流皮帶運輸系統(tǒng)中往往伴隨著過量煤塵產(chǎn)生,煤塵懸浮在風流中并充滿整個有限作業(yè)空間內(nèi),從而危及作業(yè)人員身心健康,嚴重時會導致煤塵爆炸等事故。目前,沉積煤塵已列入煤礦企業(yè)監(jiān)管重大隱患名單,并要求在煤流運輸系統(tǒng)中逐步采用聲控、磁控、觸控等自動化手段降低粉塵濃度,有效提升井下工作人員的作業(yè)環(huán)境。一般礦井的噴霧降塵裝置往往存在以下問題:
1)人工控制噴霧降塵裝置。由作業(yè)人員手動控制噴霧裝置控制閥門,主要存在噴霧裝置開啟或關(guān)閉不及時導致灑水效果欠佳、水淋衣服等現(xiàn)象。
2)機械式噴霧降塵裝置。雖然結(jié)構(gòu)簡單,安裝及維護方便,但在實際運行過程中由于經(jīng)常受到機械碰撞,傳動杠桿受力磨損,機件容易變形或松動,影響裝置的正常使用。
3)電子式灑水降塵裝置。雖然在可靠性和靈活性方面效果明顯,但是它存在只能實現(xiàn)一種噴霧效果、傳感器靈敏度過高且容易失效等缺點。
為解決上述問題,擬應(yīng)用基于皮帶秤的煤礦皮帶智能噴霧裝置,以期實現(xiàn)“有煤必灑,多煤多灑,少煤少灑,無煤不灑”目標[1-2]。
煤礦皮帶當前自動灑水裝置主要有以下幾種類型:
1)人工式灑水降塵裝置,它主要是依靠崗位工人根據(jù)工作現(xiàn)場煤塵濃度大小手動控制截止閥的開啟和關(guān)閉。
2)機械式灑水降塵裝置,它主要是通過機械式無源堆煤傳感器自帶的常開觸點來控制灑水電磁閥門的開啟和關(guān)閉,具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝及維護方便等特點。
3)電子式灑水降塵裝置,它主要通過粉塵濃度傳感器監(jiān)測煤塵濃度,然后通過控制單元控制電動球閥的開啟和關(guān)閉,具有易于實現(xiàn)本安設(shè)計、可靠性高的特點[3]。
皮帶秤智能噴霧降塵裝置首先在硬件上選取了電氣性能優(yōu)良的煤流量監(jiān)測傳感器,性能先進的PLC控制單元,能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量控制的4-20MA智能調(diào)節(jié)型電動法蘭球閥;其次對自動噴霧的框架結(jié)構(gòu)和控制流程進行了優(yōu)化和改進。其工藝流程如圖1所示。
圖1 智能噴霧降塵裝置工藝流程
煤流量傳感器主要功能是將工作現(xiàn)場的物理量信號轉(zhuǎn)換為標準電信號,工作原理一般有觸控型、光電型兩種方式。常見的觸控型信號源有平衡珠觸控、彈簧振動型、滾輪測速型傳感器等,光電型信號源主要有熱釋紅外傳感器、粉塵濃度監(jiān)測傳感器等。在分析對比的基礎(chǔ)上,結(jié)合工作現(xiàn)場實際工況,擬選定以下幾種煤流量傳感器:皮帶秤稱重傳感器、GUR8礦用本質(zhì)安全型熱釋紅外傳感器、ZP-12C觸控傳感器;選取KGT9-E開停傳感器為皮帶運行狀態(tài)監(jiān)測傳感器。
在大多數(shù)情況下一般均采用簡單的機械機構(gòu)裝置或普通型繼電器硬件回路來實現(xiàn)對噴霧降塵電磁閥的控制。本智能裝置選用西門子PLC控制器來實現(xiàn)對電動比例閥的控制,工作性能穩(wěn)定且具有極強的擴展性,通過修改相關(guān)控制參數(shù)就能滿足不同的使用條件及噴霧效果,電路邏輯設(shè)計和電氣參數(shù)修改都十分簡便。通過現(xiàn)場試驗及調(diào)試、網(wǎng)上查閱資料等途徑,選定能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量采集和模擬量控制的西門子224XP PLC作為灑水裝置控制單元[4]。
通常情況下,煤礦井下噴霧裝置的電動執(zhí)件機構(gòu)選用電磁控制閥和電動比例控制閥。電磁控制閥是利用電磁原理實現(xiàn)閥門的啟停,它具備體積小,閥門啟停速度快,工作原理簡單等優(yōu)點。但是電磁控制閥供電電源一般采用36V以上非本安電源,閥門口徑小導致流量不足。電動比例控制閥通常選用36V以下直流電動機來實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。它具有閥門開度可控,能實現(xiàn)閥門開度的連續(xù)控制,且閥門口徑大能滿足大流量通過;但是它控制機構(gòu)多,閥門啟停速度慢,使用效果欠佳。通過向廠家咨詢、查閱相關(guān)資料,選取4-20MA智能調(diào)節(jié)型電動法蘭球閥為智能噴霧降塵裝置的執(zhí)行機構(gòu)。
結(jié)合現(xiàn)場實際工況,智能噴霧降塵裝置選取皮帶秤稱重傳感器輸出的4-20MA標準信號作為煤流量大小監(jiān)測的標準信號,它具有工作性能優(yōu)異、靈敏度好及實時性好等優(yōu)點;選取西門子PLC控制單元具備高可靠性和很好的靈活性,通過上位機修改相關(guān)程序可以實現(xiàn)不同的控制效果,電路邏輯設(shè)計和電氣參數(shù)修改都十分簡便;選取4-20MA電動智能調(diào)節(jié)法蘭球閥,使用低壓直流電機經(jīng)減速器驅(qū)動球閥的開啟角度,具有工作電壓低,易實現(xiàn)本安設(shè)計,流量大等優(yōu)點。智能噴霧降塵裝置硬件結(jié)構(gòu)圖及電氣原理如圖2、圖3所示。
圖2 智能噴霧降塵裝置電氣原理
對于設(shè)有皮帶秤稱重傳感器的皮帶輸送機,智能噴霧降塵裝置具備自動控制和手動控制兩種工作模式。
當皮帶機開始運行后,首先通過GKT5L設(shè)備開停傳感器檢測皮帶機運行狀態(tài)。當主控箱控制單元接收到皮帶機開機信號且有煤流時,由皮帶秤稱重傳感器根據(jù)監(jiān)測到的皮帶上煤流量的大小,通過控制智能調(diào)節(jié)電動球閥的開啟角度實現(xiàn)不同的噴霧效果。當沒有煤流后或皮帶停機時通過延時(延時可任意設(shè)定)停止噴霧,實現(xiàn)“有煤必灑,多煤多灑,少煤少灑,無煤不灑”的目標。
當自動灑水裝置控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,崗位工人可通過主控箱啟動/停止按鈕實現(xiàn)灑水裝置的開停。
對于不設(shè)皮帶秤稱重傳感器的皮帶,自動噴霧灑水降塵裝置工作原理為:當皮帶機開始運行后,先通過GKT5L設(shè)備開停傳感器檢測皮帶機工作狀態(tài),當檢測到皮帶機運行后通過觸控傳感器或紅外傳感器檢測煤流運行狀態(tài),主控箱控制單元接收到皮帶機開機且有煤流通過時,控制電動球閥開始噴霧灑水;沒有煤流或皮帶停機后可通過延時(延時可任意設(shè)定)停止噴霧,實現(xiàn)“有煤必灑,無煤不灑”的目標。
圖3 智能噴霧降塵裝置電氣原理
本著“節(jié)能降耗、修舊利廢”的原則,智能噴霧降塵裝置成本預(yù)算僅為7 000元,且采用的是備用的電氣元件,而訂購同種降塵效果自動灑水裝置費用約5萬~8萬元,且不能實現(xiàn)上位機的實時監(jiān)控與控制。智能噴霧降塵裝置通過現(xiàn)場調(diào)試及運行,新設(shè)計的技術(shù)方案用最小投入達到最好的控制效果,該裝置可根據(jù)工作現(xiàn)場的煤塵濃度實現(xiàn)對電動球閥的模擬量控制,實現(xiàn)“有煤必灑,多煤多灑,少煤少灑,無煤不灑”目標。
該智能噴霧降塵裝置已在水峪煤業(yè)101主斜井皮帶及104振動篩投入使用,降塵噴霧噴頭選用高強度霧化機構(gòu)。
為測試智能降塵裝置應(yīng)用效果,在主斜井煤流轉(zhuǎn)載點均勻布置3個采樣點并實時采集作業(yè)環(huán)境中的煤塵濃度,降塵裝置安裝前后的降塵效果對比,如表1所示。
表1 降塵效果測試結(jié)果表
從表1可以看出,在安裝智能噴霧降塵裝置后,作業(yè)環(huán)境中粉塵濃度數(shù)值降低43%左右,降塵效果顯著,很好地保障了作業(yè)人員的身體健康,保證了煤流運輸系統(tǒng)安全高效運行。
1)通過優(yōu)化智能噴霧降塵裝置,不僅可以有效解決人工式灑水裝置及機械式灑水裝置的各類缺陷及水煤現(xiàn)象的產(chǎn)生,還可以根據(jù)工作現(xiàn)場的煤塵濃度實現(xiàn)對電動球閥的模擬量控制,實現(xiàn)“有煤必灑,多煤多灑,少煤少灑,無煤不灑”目標。
2)該裝置運行穩(wěn)定可靠,智能高效,能夠自動及時地啟閉灑水裝置,節(jié)省了人力及物力,降塵效果顯著,大大提高巷道文明生產(chǎn)。通過水峪煤業(yè)101主斜井皮帶及104振動篩投現(xiàn)場入使用前后的實測數(shù)據(jù),智能噴霧降塵裝置的降塵效率達到43%左右,降塵效果較好。
3)該裝置工作原理簡單,成本較低,進一步提升了煤礦企業(yè)智能化建設(shè)水平,具有明顯的推廣應(yīng)用價值[5-6]。