粉塵在線監測及自動除塵系統研究與應用

王宏偉

（柳林縣煤炭工業局，山西 柳林 033300）

1 系統組成及功能

1.1 系統組成

粉塵在線監測及自動除塵系統的主要組成設備包括井下監控分站、礦用本安型光端交換機、礦用隔爆兼本安直流穩壓電源、粉塵濃度超限灑水降塵裝置用隔爆兼本質安全型控制箱、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，系統組成如圖1所示。

1.2 系統功能

系統可以實現以下功能：（1）煤礦井下粉塵在線監測、自動除塵、遠程監測及控制功能；（2）列表顯示功能，模擬圖及相關顯示內容包括地點、名稱、單位、報警門限、監測值、饋電狀態、超限報警、傳感器故障等。系統所有被監測的參數，可連續存儲一年，系統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）系統繪圖工具，所有動態、靜態圖都可由一般操作人員繪制，可鏈接系統實時數據，并有多種成型圖、實例圖供調用。

圖1 粉塵在線監測及自動除塵系統

2 系統硬件設計

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、光電轉換器、粉塵測量系統、抽氣系統、粉塵過濾器和控制電路組成。安裝在作業現場，可以實時顯示檢測數據，供檢測監管系統處理。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參數：（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）是整個裝置的關鍵設備，是實現系統各項功能正常工作的中央處理單元。控制箱所提供的本安電源應與粉塵濃度傳感器和光控傳感器的電源參數相匹配；主控箱信號接收端電路工作時的電參數應與傳感器輸出信號的電參數相匹配；主控箱輸出控制電路工作時的電參數應與電磁閥工作時的電參數相匹配。同時控制箱應能與監控分站或遠程監控系統進行數據通訊。

2.2.1 主要技術參數

（1）輸入電源電壓：220V AC/127V AC/36V AC；（2）本安輸出：控制箱應為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）適應電壓波動范圍：根據井下電氣設備的要求，在額定電源電壓的80%～120%波動范圍內，控制箱各項性能指標及功能達到設計要求；（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按設置的延時時間延時，延時時間設置范圍為10～999s（可調），設定的延時時間允許誤差±2s/min；（5）通訊端口：根據前述控制箱的基本功能，控制箱具有通信功能，因此控制箱應設進、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不大于0.5V DC；（7）控制箱非本安輸出：控制箱應能為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，數據傳輸速率為2400bps。

2.2.2 主要結構部件

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

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

3 系統的創新點分析

（1）該系統能夠現場監測粉塵濃度，可以就地顯示測量數據，并通過電流信號進行輸出，供監測系統處理。（2）井下監控分站是一種以單片機為核心的微型計算機系統，可掛接粉塵、瓦斯、風速、一氧化碳、負壓等方面的感應器，同時進行連續監測監控，并通過RS485總線方式將相應的監測結果傳輸到地面控制中心。（3）控制箱是整個裝置的關鍵設備，是實現系統各項功能正常工作的中央處理單元。控制箱所提供的本安電源應與粉塵濃度傳感器和光控傳感器的電源參數相匹配；主控箱信號接收端電路工作時的電參數應與傳感器輸出信號的電參數相匹配；主控箱輸出控制電路工作時的電參數應與電磁閥工作時的電參數相匹配。同時控制箱應能與監控分站或遠程監控系統進行數據通訊。（4）該系統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 應用效果分析

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

西坡煤礦5111綜采工作面使用現場情況表明：對系統設置了25mg/m3、35mg/m3、45mg/m3噴霧限值時，系統能準確的按相應的設定值進行噴霧降塵作業，實現了該系統的在線監測和自動噴霧降塵功能。通過粉塵濃度對比監測結果表明，該系統的監測數據平均誤差在±0.3%，監測結果，降塵灑水裝置的穩定性能好，動作可靠，對于外界的干擾影響比較小，很好地體現了該監測系統的設計要求。

從圖3和圖4可知，粉塵濃度監測與自動除塵系統能對5111綜采工作面實現粉塵濃度的連續在線監控，并根據設定的數值自動控制噴霧動作，可以起到節約水資源、及時降塵除塵作用。

5 結束語

粉塵在線監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，根據設定的粉塵濃度限值自動開啟和關閉設備噴水，減少手動噴霧引起的水資源浪費，又可以及時除塵降塵，改善了現場作業環境。

圖3 2016年 8月15日粉塵傳感器檢測數據

圖4 2016年8月26日粉塵傳感器檢測數據