高壓噴霧降塵“井下-井上”聯合控制系統的設計

楊國良

(霍州煤電集團 云廈建筑工程有限公司白龍礦建分公司，山西 霍州 031400)

隨著“綠色礦山”和“安全礦山”影響的擴大，煤礦粉塵的防治成為目前研究的重點內容之一。浮游礦沉粉塵和沉積礦沉粉塵成為影響煤礦安全、人員健康的主要因素。為此，相關專家和學者對綜采工作面的降塵技術、系統、工藝等進行了深入研究。張小濤[1]分析的綜采工作面噴霧降塵系統設計及應用研究；鄭磊[2]研究的綜采工作面高壓噴霧降塵技術參數確定方法；李如明[3]等人的綜采工作面塵源跟蹤噴霧降塵系統的應用；馬勝利[4]等人研究的綜采工作面高壓自動噴霧降塵技術研究；郭勝均[5]等人的綜采工作面立體式高壓噴霧降塵技術應用研究。本文從提升井下降塵的智能化、自動化角度，引入CAN總線技術，對降塵方案進行總體設計，闡述了主控制器和噴霧控制器工作的設計流程，以期能夠為綜采工作面噴霧降塵提供新的研究思路，進一步提升降塵效果。

1 高壓噴霧降塵機理

高壓噴霧降塵是通過高壓作用讓水從噴嘴發散性噴出。噴出后的霧滴會經歷兩個作用區，即：有效作用區和衰減區。起初噴出的水速度很大，受重力影響較小，保持水平運動，形成有效作用區；而后速度下降、霧滴與空氣中的粉塵顆粒結合，受重力影響明顯，形成衰減區，其效果見圖1. 在工作面環境中，高速運動的小霧滴將空氣中浮游的多種粉塵黏連起來，形成受重力影響較大的小顆粒，降落到地面上，達到凈化工作面空氣的作用。

圖1 霧滴運動的兩個階段示意圖

噴霧降塵的效果會隨著霧滴速度的增加、直徑的減小而提高。目前，增壓泵可以將水壓增加到8～18 MPa，能夠高效地降低空氣中的粉塵。郭勝均[5]等人的研究已經表明：高壓噴水降塵可將降塵率提升到85%左右。因此，將高壓噴霧降塵技術融合到噴霧控制器中，以期達到良好的除塵效果。

2 CAN總線特點及系統結構設計

2.1 CAN總線特點

煤礦井下監測點多且分布不均，不僅需要長距離布設控制線路，還需要確保網絡靈活性以便根據巷道的變化而改變。CAN總線長距離傳輸的優良特性，能在數據交換、實時信號傳輸方面滿足控制系統的要求。CAN總線是通過報文進行傳送的，相同層可進行單獨的信息交換，控制器能夠根據報文的標識符確定報文的優先級，確保信息傳遞的順序性?？蛻艨梢栽诳偩€上根據需求添加配置，對不再使用的軟件、硬件進行刪除，其通信原理見圖2.

圖2 CAN總線與節點通信示意圖

2.2 高壓噴霧降塵控制系統結構設計

綜采工作面是粉塵的主要來源。因此，對綜采工作面的噴霧降塵控制是整個系統的重點，需要將采煤機割煤運動、液壓支架移動、割煤機的放煤過程等環節的粉塵控制在較低水平。為此，設計了“井下-井上”聯合控制系統。井上部分為交換機、監控主機，實時顯示井下的粉塵濃度、水壓值、安全信息；井下部分為主控制器、噴霧控制器、增壓泵，井上井下的設備通過光纖和CAN光纖轉換器進行交流。其結構設計見圖3，該結構設計簡化了線路的復雜度，增強了信息的傳遞效率和質量。

圖3 高壓噴霧降塵控制系統結構圖

地面監控中心負責對井下反饋的數據信息進行判斷，發布控制命令，通過改變增壓水泵的壓力值和噴霧控制器的工作狀態控制噴霧效果；井下控制器負責分析地面監控中心命令，向具體的噴霧控制器發布執行指令；噴霧控制器則實施命令，改變噴霧的速度和直徑，實現工作面降塵。

2.3 降塵噴霧點的設置

為了充分進行降塵，在采煤機、液壓支架、運煤轉載點、阻塵水幕等部位設置降塵噴霧點。在采煤機的液壓支架、機身上安裝定位裝置，當定位裝置監測到采煤機進行割煤運動時，便向機身內外進行噴霧；監測到液壓支架的移架運動，便沿著移架的軌跡進行噴霧降塵。為了最大限度地降低粉塵的濃度，在放煤口、運輸機和巷道轉載點處安置灑水點。由此，整個綜采工作面的粉塵源頭都得到了控制。

3 噴霧控制器控制軟件的設計

噴霧控制器軟件的設計關系到整個控制系統的實現效果。只有區分綜采工作面的具體情況，才能夠實現對不同情況的準確處理。噴霧控制器軟件采用模塊化思想，以子程序的形式進行獨立運行，相互之間嵌套關系少。此軟件子模塊具體分為數據采集、指令判讀、數據發送3部分。

3.1 數據采集部分的設計

無論是采煤機、移架還是人員都采用統一的狀態信號進行管理。在控制器設計一個計時裝置，端口自動讀取一次數據狀態，20 ms后再讀取一次數據進行驗證，從而確定信號。選擇重置狀態標志后，采集的數據便會成為端口的判斷值，一旦發生變化，便會反饋到地面監控中心。數據采集部分流程圖見圖4.

圖4 數據采集部分流程圖

3.2 指令判斷部分的設計

地面監控中心根據顯示的濃度值、綜采工作面的工作狀態、定位數據等向噴霧控制器發布具體的執行命令。具體的命令對應具體的噴霧器，能夠對具體的位置發起降塵指令。每一次指令結束后，都會進行清除，確保與下一個命令分開，其控制流程圖見圖5.

圖5 噴霧控制指令判讀流程圖

3.3 數據發送部分的設計

在高壓噴霧控制器上設置了數據發送功能，井下人員可根據實際需求向地面監控中心發送噴霧請求。發送內容以報文的形式傳遞，每一個報文都對應不同的編碼。工作人員只需要將報文內容、優先級、ID信息輸入，地面監控中心就能夠進行準確定位，了解井下實際情況。必要時地面監測中心向高壓噴霧控制器放權，允許進行人工選擇降塵，其流程設計見圖6.

圖6 數據發送的流程圖

現場操作人員可以根據實際的粉塵濃度進行手動操控，無需再進行信息上傳和監控中心判斷。

4 結 論

本文針對煤礦井下降塵需求，基于CAN總線設計了一套“井上-井下”聯合降塵控制系統。此系統依靠CAN總線的特性簡化了井下布置線路的復雜程度，高壓噴霧控制器的多空間合理分配，實現了采煤、運煤、放煤各個環節的降塵控制。整體而言，這套降塵控制系統能夠滿足煤礦在降塵方面的需求，大大降低了綜采工作面的粉塵濃度，促進了人工智能監控的發展。但是，這一系統并不能完全脫離工作人員的管理，希望今后的研究能夠對軟件的自動化程度進行提升。