礦用無線自動噴霧降塵智能集控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用*

周航遠(yuǎn),彭港成,馬孟飛,程 輝,李世航

(1.陜西瑞能煤業(yè)有限公司,陜西 延安 727307;2.中國礦業(yè)大學(xué) 碳中和研究院,江蘇 徐州 221008;3.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;4.中國礦業(yè)大學(xué) 職業(yè)健康研究院,江蘇 徐州 221008)

0 引言

煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量煤塵與巖塵等固體微粒統(tǒng)稱為礦井粉塵。粉塵危害作為煤礦生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一,高濃度礦井粉塵會遮蔽視線,影響工作效率,引發(fā)安全事故;粉塵顆粒沉降至設(shè)備上會加速設(shè)備磨損老化,縮短設(shè)備使用壽命,還會影響傳感元件的可靠性;大量積聚的煤塵與空氣充分混合后,在電火花、高溫物體等點火源的作用下會引發(fā)粉塵爆炸,破壞性巨大;長期暴露于高濃度粉塵環(huán)境下,呼吸性粉塵會在人體肺部纖維組織沉積,致使井下工作人員罹患塵肺病,作為煤炭行業(yè)多發(fā)的職業(yè)病,塵肺病的潛在危害性甚至比瓦斯爆炸更為嚴(yán)重[1-5]。粉塵濃度過高會嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn),極大損害工作人員身心健康,如何有效監(jiān)測并控制井下粉塵濃度對改善作業(yè)人員工作環(huán)境、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

降低煤礦井下作業(yè)場所粉塵濃度的主要方法包括通風(fēng)除塵、煤層注水、泡沫除塵、噴霧降塵等,其中噴霧降塵由于其施工難度小、成本低、除塵效果好的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于煤礦除塵領(lǐng)域[6-11]。目前煤礦使用的各類傳統(tǒng)噴霧設(shè)備,普遍受到供電電源、電纜以及通信線纜、光纜的束縛與限制,增加安裝、使用、維護(hù)等工作的難度;傳統(tǒng)的噴霧降塵設(shè)備大多采用手動控制,自動化程度低,且噴霧開啟具有隨機(jī)性,致使設(shè)備耗水量大、效率低下;此外,還存在傳感器易受干擾甚至失靈、電磁閥易損壞等導(dǎo)致噴霧降塵設(shè)備無法長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的缺陷[12-13]。

為解決上述問題,擺脫傳統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)對外置供電及通訊線纜的依賴,設(shè)計一種礦用無線自動噴霧降塵智能集控系統(tǒng),以實現(xiàn)系統(tǒng)信息的實時監(jiān)測與裝置的遠(yuǎn)程控制。

1 礦用無線自動噴霧降塵智能集控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

礦用無線自動噴霧降塵智能集控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要基于高性能傳感器和無線通信技術(shù)構(gòu)建而成,系統(tǒng)的控制裝置具有無線通信功能(無需通信線纜),智能噴霧裝置通過無線通信方式與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行指令交互,經(jīng)網(wǎng)關(guān)接入井下環(huán)網(wǎng),與地面主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以實現(xiàn)遠(yuǎn)程集控。系統(tǒng)可將噴霧狀態(tài)、電池電量、延時設(shè)置及設(shè)備狀態(tài)等信息以無線通信的方式上傳,并接收主機(jī)控制指令,該系統(tǒng)能夠全面展示各區(qū)域裝置的運(yùn)行狀態(tài),也可靈活方便地對設(shè)備工作模式進(jìn)行現(xiàn)場或遠(yuǎn)程調(diào)整。

圖1 智能集控系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

智能集控系統(tǒng)工作原理如圖2所示。系統(tǒng)工作時,首先通過粉塵濃度傳感器實時監(jiān)測環(huán)境中的粉塵濃度,并將其轉(zhuǎn)換成電信號,通過無線通信的方式傳遞至主控箱;主控箱可同時接收粉塵濃度傳感器發(fā)送的粉塵濃度信息、熱釋光控傳感器與震動感應(yīng)傳感器傳遞的人員車輛與皮帶啟停的信息;隨后,主控箱將接收到的信息以無線通信的方式傳遞給網(wǎng)關(guān),并將信息收集上傳至地面集控中心;最終地面集控中心軟件依據(jù)接收到的信息進(jìn)行判斷,并對井下噴霧設(shè)備下達(dá)指令,從而實現(xiàn)對井下噴霧設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖2 智能集控系統(tǒng)工作原理

1.2 系統(tǒng)組成

智能集控系統(tǒng)由高效霧化組件、水路控制裝置、高可靠性傳感器、智能化控制集成電路、無線通信組件等組成,具體設(shè)備組成如圖3所示。主要包括FYF3礦用本安型紅外遙控器、ZP12-Z礦用本安型自動灑水降塵裝置主控箱、KJJ18礦用本安型網(wǎng)關(guān)、KDW660/18B礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源(網(wǎng)關(guān)配套)、礦用小型水質(zhì)過濾器、ZP-3R熱釋光控傳感器、高分子霧化單元。

圖3 智能集控系統(tǒng)組成部件

FYF3礦用本安型紅外遙控器可與外界計算機(jī)配接實現(xiàn)信息共享,方便控制設(shè)備的啟停,其工作電流≤20 mA,具有功耗小、使用壽命長等優(yōu)點;ZP12-Z礦用本安型自動灑水降塵裝置主控箱采用電池供電,電池使用壽命為12個月,可用以接收傳感器傳輸?shù)男盘栆约翱刂茋婌F裝置的啟停,主控箱之間采用無線通信,其在井下可視無遮擋最大傳輸距離可達(dá)1 500 m;系統(tǒng)采用KJJ18礦用本安型網(wǎng)關(guān)接入井下環(huán)網(wǎng),實現(xiàn)與地面主機(jī)之間的信息交互,網(wǎng)關(guān)與主控箱之間以無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行通信,最大無遮擋傳輸距離為1 500 m;KDW660/18B礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源主要用于為網(wǎng)關(guān)供電;礦用小型水質(zhì)過濾器用于過濾水中的鐵銹、泥沙、懸浮物等雜質(zhì),防止噴頭堵塞,過濾精度為150 μm;ZP-3R熱釋光控傳感器可感知經(jīng)過其監(jiān)控區(qū)域的行人與車輛,并將信號傳輸給主機(jī),實現(xiàn)行人與車輛經(jīng)過時自動關(guān)閉噴霧、行人與車輛通過后延時開啟噴霧的功能,該傳感器以電池供電,采用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行通信,與主控箱之間的最大傳輸距離為100 m;高分子霧化單元單噴頭用水量≤0.37 L/min,噴頭射程為2～5 m,工作水壓為0.3～10 MPa,具有霧化效果好、噴淋面積大的優(yōu)點。

1.3 系統(tǒng)聯(lián)動模式

設(shè)計了智能集控系統(tǒng)感應(yīng)、震動、粉塵3種聯(lián)動模式,可在不同作業(yè)場所高適配性使用。

感應(yīng)聯(lián)動模式時,每個噴霧點位安裝1臺主控箱和2個熱釋光控傳感器,實現(xiàn)噴霧隨時、定時或常開自動啟停的同時,兼顧行人或車輛的避讓。震動聯(lián)動模式時,每個噴霧點安裝1臺主控箱、2個熱釋光控傳感器和1個震動感應(yīng)傳感器,實現(xiàn)噴霧隨皮帶啟停而自動啟停的同時,兼顧行人或車輛的避讓。粉塵聯(lián)動模式時,每個噴霧點安裝2臺主控箱、1個粉塵濃度傳感器和2個熱釋光控傳感器,實現(xiàn)噴霧隨粉塵濃度狀況自動啟停的智能聯(lián)動模式,同時兼顧行人或車輛的避讓。依靠上述3種聯(lián)動方式,智能集控系統(tǒng)聯(lián)動模式可實現(xiàn)隨粉塵濃度變化自動開啟噴霧進(jìn)行降塵,避免了水資源的浪費,使系統(tǒng)更加高效、精準(zhǔn)地運(yùn)行;根據(jù)現(xiàn)場情況與實際需求使系統(tǒng)隨皮帶運(yùn)輸自動啟停;設(shè)置為常噴或定時噴霧;通過感應(yīng)車輛與行人,使噴霧避開行人與車輛,避免噴霧影響通行安全[14]。

2 系統(tǒng)主要性能與優(yōu)點

2.1 智能遠(yuǎn)程集控、在線監(jiān)測

系統(tǒng)內(nèi)置無線通信接口,具有無線通信功能,能夠通過無線方式匯集至通信網(wǎng)關(guān),便于接入井下環(huán)網(wǎng)與地面主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,可將噴霧狀態(tài)、電池電量、延時設(shè)置及設(shè)備狀態(tài)等信息上傳至地面服務(wù)器,并接收主機(jī)控制指令。通過地面配套軟件實現(xiàn)井下噴霧設(shè)備的實時監(jiān)測與信息展示,并控制設(shè)備主機(jī)的工作狀態(tài),快捷的對裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。集控系統(tǒng)軟件采取B/S架構(gòu),在網(wǎng)絡(luò)互通的前提下,支持多種類、多平臺諸如手機(jī)、平板等設(shè)備,無需安裝專用程序,直接通過瀏覽器訪問操控,也便于各種集成平臺的對接需求。系統(tǒng)工作界面如圖4所示,可查看系統(tǒng)各設(shè)備的連接狀態(tài)、工作模式、電量等信息。

圖4 系統(tǒng)操作界面

2.2 無線一體化設(shè)計、易安裝

系統(tǒng)采用集控、通信功能高度集成無線一體化設(shè)計,內(nèi)置電池組,核心功能全部集成在主控箱內(nèi),無任何外接通信設(shè)備、線纜、基站等輔助設(shè)施,主控箱之間采用純無線通信方式,在井下大巷主控箱之間無線通信最大距離為1 500 m(井下可視無遮擋);各設(shè)備根據(jù)需要安裝在指定位置,連通水路即可完成噴霧設(shè)備安裝,傳感器只需根據(jù)要求放置或吊掛固定,安裝簡便,大幅減少現(xiàn)場工作強(qiáng)度。由于無電纜及變壓饋電設(shè)備,當(dāng)工作面回采完畢后可直接移動到另一個工作面使用,工作量較傳統(tǒng)裝置減少95%,極大減輕工人勞動強(qiáng)度。

2.3 低功耗、結(jié)構(gòu)先進(jìn)

噴霧主控箱、傳感器使用內(nèi)置電源設(shè)計,電池可靠,能夠持續(xù)運(yùn)行12個月以上,無需維護(hù)。當(dāng)電池即將耗盡時會自動提示,只需關(guān)閉電源,將電池取出更換新電池即可,設(shè)備維護(hù)時間低于5 min。同時設(shè)計使用高壓錐形霧化噴頭,消耗水量相比普通噴頭減少了60%,霧化降塵效果好、覆蓋斷面大。裝置在電路系統(tǒng)、傳感形式和電動球閥上進(jìn)行了重大改進(jìn)創(chuàng)新,使用了智能化自動控制集成電路,并采用高壓電動閥及高可靠性傳感器,無需電纜及外部電源開關(guān)等關(guān)聯(lián)電器設(shè)備,結(jié)構(gòu)簡單,故障率低,確保噴霧裝置能夠長期穩(wěn)定工作。該裝置適用于綜采工作面、掘進(jìn)工作面、進(jìn)風(fēng)大巷、回風(fēng)大巷、皮帶轉(zhuǎn)載點、放煤口、卸煤點等產(chǎn)塵點,同時還適用于隧道、選煤廠、水泥廠、發(fā)電廠等含粉塵和爆炸性氣體的環(huán)境。

2.4 其他優(yōu)點

礦用無線智能集控自動噴霧降塵系統(tǒng)采用的是本安自備電池,避免了失爆隱患,尤其在不允許安裝電源的回風(fēng)大巷內(nèi)應(yīng)用優(yōu)勢更為顯著。軟件平臺預(yù)留多種集成接口,方便未來與各類集成平臺進(jìn)行聯(lián)動或整合處理。該裝置中噴霧主控箱采用菜單界面,操作簡單,設(shè)置好工作時段等參數(shù)后,自動執(zhí)行噴灑時間,全程不需要人為干預(yù)。地面軟件平臺可直觀全面地展示各除塵點設(shè)備運(yùn)行狀況并直接進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,系統(tǒng)可通過感應(yīng)粉塵濃度或事先設(shè)置噴霧開啟時間實現(xiàn)自動控制,也可根據(jù)實際情況進(jìn)行手動控制;裝置本身可根據(jù)需求智能適配人車感應(yīng)、粉塵濃度感應(yīng)、熱釋感應(yīng)等多種工作模式。

3 實際應(yīng)用及效果

3.1 系統(tǒng)布置

根據(jù)煤礦生產(chǎn)過程中粉塵的產(chǎn)生與流動情況,以及本系統(tǒng)的自身特點,于陜西瑞能煤業(yè)有限責(zé)任公司井下主運(yùn)大巷、北區(qū)回風(fēng)大巷、掘進(jìn)頭、201工作面、北翼回風(fēng)、109工作面、北區(qū)運(yùn)輸大巷共設(shè)置智能噴霧點位17個,噴霧點位布置見表1。其中震動聯(lián)動模式點位6個,分別位于地面運(yùn)輸系統(tǒng)篩分樓皮帶轉(zhuǎn)載點、950主運(yùn)皮帶機(jī)頭、北翼一部皮帶機(jī)頭、201皮帶機(jī)頭、一部、二部皮帶機(jī)頭;感應(yīng)聯(lián)動模式點位6個,分別位于北區(qū)回風(fēng)大巷(3個)、201回風(fēng)順槽(2個)、北翼回風(fēng)巷口;粉塵聯(lián)動模式點位5個,分別位于3個掘進(jìn)頭、201回風(fēng)順槽、109回風(fēng)巷。

表1 噴霧點位布置

3.2 應(yīng)用效果

依據(jù)《煤礦井下粉塵綜合防治規(guī)范》(AQ1020—2006)和《作業(yè)場所空氣中粉塵測定方法》(GB5748-85),開展現(xiàn)場除塵效果實測。測點布置在噴霧點后方10 m處,使用CCZ-1000粉塵采樣器(該粉塵采樣器配備總塵采樣頭和呼塵采樣頭2種粉塵預(yù)捕集器,誤差≤2.5%)進(jìn)行測試,設(shè)定采樣時間5 min、采樣流量為20 L/min,采樣器離地高度大約為1.5～1.6 m,每個測點測試3次求平均值,噴霧設(shè)備開啟前后粉塵濃度見表1。測試結(jié)果表明,開啟噴霧裝置后,各測點平均總塵降塵率為93.4%,平均呼塵降塵率為90.7%,顯著降低了作業(yè)場所粉塵濃度。

4 結(jié)語

從煤礦粉塵危害的實際情況出發(fā),采用新設(shè)備、新技術(shù),設(shè)計了礦用無線自動噴霧降塵智能集控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備間的無線通信以及對各設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)整,解決了傳統(tǒng)噴霧降塵設(shè)備布線復(fù)雜的問題,使系統(tǒng)安裝、維護(hù)更加方便?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,安裝礦用無線自動噴霧降塵智能集控系統(tǒng)后,各測點后方10 m處平均總塵降塵率為93.4%,平均呼塵降塵率為90.7%,顯著降低了作業(yè)場所粉塵濃度。該系統(tǒng)對于提高煤礦粉塵防治的自動化水平,實現(xiàn)礦山智能化建設(shè),具有十分重要的意義。