粉尘在线监测及自动除尘系统研究与应用

2018-12-29王宏伟

山东煤炭科技 2018年12期

王宏伟

（柳林县煤炭工业局，山西柳林 033300）

1 系统组成及功能

1.1 系统组成

粉尘在线监测及自动除尘系统的主要组成设备包括井下监控分站、矿用本安型光端交换机、矿用隔爆兼本安直流稳压电源、粉尘浓度超限洒水降尘装置用隔爆兼本质安全型控制箱、粉尘浓度传感器、矿用自动洒水降尘装置用热释光控传感器、隔爆型电磁阀等，系统组成如图1所示。

1.2 系统功能

系统可以实现以下功能：（1）煤矿井下粉尘在线监测、自动除尘、远程监测及控制功能；（2）列表显示功能，模拟图及相关显示内容包括地点、名称、单位、报警门限、监测值、馈电状态、超限报警、传感器故障等。系统所有被监测的参数，可连续存储一年，系统软件相隔一定时间自动存盘一次，如有特殊情况可保存更长时间；（3）系统绘图工具，所有动态、静态图都可由一般操作人员绘制，可链接系统实时数据，并有多种成型图、实例图供调用。

图1 粉尘在线监测及自动除尘系统

2 系统硬件设计

2.1 粉尘浓度传感器

粉尘浓度传感器采用光散射原理直接测量总粉尘浓度，主要由光源、光电转换器、粉尘测量系统、抽气系统、粉尘过滤器和控制电路组成。安装在作业现场，可以实时显示检测数据，供检测监管系统处理。粉尘浓度传感器工作原理如图2所示。

图2 粉尘浓度传感器原理框图

粉尘浓度传感器的主要技术参数：（1）总粉尘浓度测量范围：0～1000mg/m3；（2）测量误差：≤15%；（3）工作电压：12～24V DC；（4）最大工作电流：180mA；（5）输出信号：200～1000Hz/1～5mA；（6）传输距离：≥1500m；（7）与分站通信：RS-485；（8）外形尺寸：265×200×190mm；（9）质量：10kg。

2.2 智能化粉尘浓度超限喷雾降尘装置控制箱

智能化粉尘浓度超限喷雾降尘装置控制箱（以下简称控制箱）是整个装置的关键设备，是实现系统各项功能正常工作的中央处理单元。控制箱所提供的本安电源应与粉尘浓度传感器和光控传感器的电源参数相匹配；主控箱信号接收端电路工作时的电参数应与传感器输出信号的电参数相匹配；主控箱输出控制电路工作时的电参数应与电磁阀工作时的电参数相匹配。同时控制箱应能与监控分站或远程监控系统进行数据通讯。

2.2.1 主要技术参数

（1）输入电源电压：220V AC/127V AC/36V AC；（2）本安输出：控制箱应为2路粉尘浓度传感器提供18V DC的本安电源，为光控传感器提供额定工作电压为8V DC的本安电源；（3）适应电压波动范围：根据井下电气设备的要求，在额定电源电压的80%～120%波动范围内，控制箱各项性能指标及功能达到设计要求；（4）延时时间：在控制箱的信号输人端输入3.0～5.0V的电信号后，当电磁阀启动后，控制箱电磁阀控制信号输出端的输出电压应按设置的延时时间延时，延时时间设置范围为10～999s（可调），设定的延时时间允许误差±2s/min；（5）通讯端口：根据前述控制箱的基本功能，控制箱具有通信功能，因此控制箱应设进、出各1路通讯口（本安）；（6）控制箱输入信号：当红外接收器接收到红外信号时，给控制箱输出TTL。标准电平信号，因此，控制箱信号接收端电路工作电压为3.0～5.0V，无信号输入时，控制箱信号接收端电路电压应不大于0.5V DC；（7）控制箱非本安输出：控制箱应能为3路电磁阀分别提供36±9V DC的直流电源。当电磁阀启动后，控制箱的电磁阀控制信号输出端应有36.0±9.0V DC电压输出，当电磁阀不启动时，控制箱的电磁阀控制信号输出端输出电压均应不大于1.0V DC；（8）通讯传输性能：采用RS485总线通讯方式，各控制箱通讯接口之间的工作方式为半双工，最大传输距离≥500m，数据传输速率为2400bps。

2.2.2 主要结构部件

控制箱与粉尘浓度传感器配合使用，按矿内标准设置喷雾浓度。根据在线检测数据与设定数值进行比较来判定其工作情况，粉尘浓度高于设定值时降尘装置开始喷雾工作，当小于设定值时停止喷雾，同时停止开关量的输出。喷雾期间，如果有人员经过，延时喷雾，同时停止开关量的输出。另外地面控制中心也可以远程对控制系统进行遥控。该装置适应于井下进回风大巷、采掘工作面进回风巷道、车场、煤仓等区域的设限喷雾降尘的场所。

控制箱应具有参数设置、参数存储、显示、通信及喷雾控制等基本功能：（1）参数设置功能。每台控制箱应具有对系统进行参数设置的功能，参数设置采用遥控方式。（2）参数存储功能。断电后恢复供电仍按最后一次设置的参数进行工作。（3）显示功能。控制箱应具有通过显示元件（如数码管、液晶屏等），显示系统设置参数及相关信息的功能。（4）通信功能。采用RS485或CAN网通信方式，其工作电压峰峰值、工作电流峰峰值及传输速率应与通信方式相匹配。（5）控制功能。控制箱应具有控制电磁阀动作的功能。

3 系统的创新点分析

（1）该系统能够现场监测粉尘浓度，可以就地显示测量数据，并通过电流信号进行输出，供监测系统处理。（2）井下监控分站是一种以单片机为核心的微型计算机系统，可挂接粉尘、瓦斯、风速、一氧化碳、负压等方面的感应器，同时进行连续监测监控，并通过RS485总线方式将相应的监测结果传输到地面控制中心。（3）控制箱是整个装置的关键设备，是实现系统各项功能正常工作的中央处理单元。控制箱所提供的本安电源应与粉尘浓度传感器和光控传感器的电源参数相匹配；主控箱信号接收端电路工作时的电参数应与传感器输出信号的电参数相匹配；主控箱输出控制电路工作时的电参数应与电磁阀工作时的电参数相匹配。同时控制箱应能与监控分站或远程监控系统进行数据通讯。（4）该系统采用了改进后的热释电传感器，从而解决了热释电传感器的灵敏度和控制距离的问题，能在煤矿井下广泛推广。

4 应用效果分析

2016年8月，粉尘浓度在线监测及自动除尘系统在柳林县西坡煤矿5111综采工作面进行了安装调试，并进行了试运行工作。从2016年8月至12月，该系统已成功稳定运行了四个月时间，有效地对井下开采现场的粉尘浓度进行了监测和监控。

西坡煤矿5111综采工作面使用现场情况表明：对系统设置了25mg/m3、35mg/m3、45mg/m3喷雾限值时，系统能准确的按相应的设定值进行喷雾降尘作业，实现了该系统的在线监测和自动喷雾降尘功能。通过粉尘浓度对比监测结果表明，该系统的监测数据平均误差在±0.3%，监测结果，降尘洒水装置的稳定性能好，动作可靠，对于外界的干扰影响比较小，很好地体现了该监测系统的设计要求。

从图3和图4可知，粉尘浓度监测与自动除尘系统能对5111综采工作面实现粉尘浓度的连续在线监控，并根据设定的数值自动控制喷雾动作，可以起到节约水资源、及时降尘除尘作用。