煤巷综掘工作面喷雾除尘自动控制系统

２０１５年第１期　工业仪表与自动化装置　・１５・　煤巷综掘工作面喷雾除尘自动控制系统　赵杰，王丽，任思塬，张鹏南，董金波，穆秀春　（黑龙江科技大学，哈尔滨１５００２２）　摘要：针对煤巷工作面粉尘治理的问题，设计煤巷高压喷雾除尘自动控制系统。粉尘传感器及　时监测工作面煤矿粉尘浓度，设置上限、下限两个动作阈值，采用ＰＩＣ１６Ｆ８７７处理器控制电磁阀打　开和关断高压供水管路喷雾装置，并可通过热释电红外传感器检测人体信号，在矿工通过喷雾区域　时暂时停止喷雾。该系统实现喷雾过程自动控制，高压喷雾装置有效地降低了工作面粉尘浓度，提　高了除尘效率，改善了矿工工作环境。　关键词：粉尘传感器；喷雾装置；热释电红外传感器；电磁阀；固态继电器　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—０６８２（２０１５）０１—００１５—０３　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｐｒａｙ　ａｎｄ　ｄｕｓｔ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｆｕｌｌｙ——ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ＺＨＡＯ　Ｊｉｅ，ＷＡＮＧ　Ｌｉ，ＲＥＮ　Ｓｉｊｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇｎａｎ，ＤＯＮＧ　Ｊｉｎｂｏ，ＭＵ　Ｘｉｕｃｈｕｎ　（Ｈｅｉｌｏｎｇｆｉａｎｇ　Ｕｎｗｅｎｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｕｓｔ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ａｔ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｒｏａｄ．Ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｄｕｓｔ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｂｙ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｐｒａｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｒｏａｄｗａｙ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｄｕｓｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄｕｓｔ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｎ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　ＰＩＣ１６Ｆ８７７　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｖａｌｖｅ　ｔｏ　ｏｐｅｎ　ａｎｄ　ｓｈｕｔ　ｏｆｆ　ｔｈｅ　ｓｐｒａｙ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ——ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｌｉｍｉｔ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｌｉｍｉｔ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ　ｏｆ　ｄｕｓｔ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｍｉｎｅｒｓ　ｇｏ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｐｒａｙ　ｚｏｎｅ　ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｒａｙ　ｓｔｏｐｓ　ｔｅｍｐｏｒａ－　ｒｉｌｙ．Ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｐｒａｙ　ａｎｄ　ｄｕｓｔ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ｄｕｓｔ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｄｕｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｆａｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｕｓｔ　ｓｅｎｓｏｒ；ｓｐｒａｙ　ｄｅｖｉｃｅ；ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｖａｌｖｅ；ｓｏｌｉｄ—　ｓｔａｔｅ　ｒｅｌａｙ　

０引言　随着煤巷工作面采掘机械化程度的不断提高，　大量的煤矿粉尘产生。这些煤尘使井下工作环境恶　化，能见度变差，并严重危害了矿工的健康。由于煤　矿粉尘自身的理化特性，容易引发火灾、爆炸等危险　性事故的发生，还会降低设备的使用寿命，成为煤矿　安全生产的重大隐患。因此，在工作面巷道配备自　动喷雾除尘系统，有效地降低煤矿粉尘浓度，对于改　善矿工的工作环境，保障煤矿工人身体健康，确保煤　矿安全生产具有重要意义。　收稿日期：２０１４—０９—０３　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３０４０７５），黑龙江省　教育厅科学技术研究项目（１２５３１５８２）　作者简介：赵杰（１９７７），硕士，副教授，主要研究方向为矿山机　械及其智能控制。　１喷雾除尘的原理　喷雾除尘是向悬浮着煤尘颗粒的空气中喷射水　雾，部分尘粒与雾状水珠粘结，形成含尘液滴　在随　气流漂移过程中，继续与其他尘粒或液滴碰撞，粘结　形成较大的颗粒，丧失或降低飞扬的能力，沉降下　来，达到降尘的目的。　通常，喷雾降尘的效率主要与以下几个因素有　关：雾化粒径是影响降尘效果的主要因素。雾滴粒　径大，则水的分散性差，在气流中的分散密度小，捕　获煤尘的几率小；雾滴粒径过小，与尘粒粘结后质量　仍然较小，难以沉降，并且易气化；雾化粒径适中，一　般直径在５０～１５０　ｍ之间，分布密度大，与尘粒的　碰撞接触机会增加，降尘效率高…。水雾喷射速度　高，与尘粒碰撞时动量大，有利于克服水的表面张力　而捕获尘粒，如果速度过低，降低了水雾与尘粒的碰　・１６・　工业仪表与自动化装置　２０１５年第１期　撞几率，除尘效率较低，一般水雾喷射速度为３０　ｍ／ｓ　时，降尘效率较高。增大喷雾供水压力可以提高雾　化程度、增大雾滴密度和雾滴运动速度，增加尘粒与　水雾之间的碰撞几率和碰撞能量，此外，随着压力的　增加，水雾的电荷密度加大，有利于捕获煤尘颗粒，　提高降尘的效率　Ｊ。同时，考虑到供水管路的耐压　能力，一般可采用１０　ＭＰａ。　２喷雾除尘系统组成　自动喷雾除尘系统由本安电源、控制电路、煤尘　浓度检测、红外检测和高压喷雾装置组成。　２．１高压喷雾装置　高压喷雾装置由供水管路、供水阀、水质过滤　器、增压泵、电磁阀和喷嘴组成　ｊ，如图１所示。　图１　高压喷雾降尘装置组成　供水管路的水由安装在喷嘴进水口的水质过滤　器进行过滤，ＳＫＺＦＬ型矿用水质过滤器是全自动过　滤器，能够除掉水中的泥沙及悬浮物，并自动进行反　冲洗，保证水质符合煤矿井下防尘用水的要求。　增压泵是提供高压喷雾供水的主要部件，　ＸＲＢ１２５型是卧式三柱往复泵，由四极防爆电机驱　动，工作液在泵头中经吸、排液阀吸人和排出，从而将　电能转换成液压能，输出高压液体，流量为１２５　Ｌ／ｍｉｎ，　其电机功率为７５　ｋＷ，电机转速为１４７５　ｒ／ｒａｉｎ。过　滤后的供水经加压后，供给喷雾装置。　ＤＦＢ一２０型矿用隔爆型电磁阀适用于煤矿井　下恶劣环境，电磁阀的进水口内置有高效网状过滤　器，能有效地阻挡介质中直径大于０．５　ｎ２ｍ的杂质　流经阀体，从而形成了喷雾供水的二次过滤。　２．２煤尘浓度检测装置　工作面监测选用ＧＣＧ１０００型粉尘浓度传感器，　其原理如图２所示。检测器外部含尘空气在风扇的　吸引下进入吸引口，经导流装置（遮掉外部光线）进　入检测器暗室。暗室内的平行光与受光部的视野成　直角交叉构成灵敏区（图中斜线部分），粉尘通过灵　敏区时，其９０。方向散射光透过狭缝射进来由光电　倍增管接收并转换成光电流，经光电流积分电路转　换成与散射光成正比的电信号，通过放大电路和Ａ／　Ｄ转换电路输入单片机，单片机计算出粉尘的质量　浓度，显示并采用频率信号输出　，测量范围为０．１～　１０００　ｍｇ／ｍ　，输出２００～１０００　Ｈｚ频率信号。　

光源　稳压电路　

电机　驱动电路　

脉毽　蹦　

图２　ＧＣＧ１０００型粉尘浓度传感器原理图　２．３红外检测装置　当有矿工经过工作面时，采用热释电红外传感　器非接触检测，将人体辐射信号转换成电信号。选　用热释电红外传感器ＲＥ２００Ｂ，工作波长７～１４　ｍ，　视场１３９。×１２６。。　通过菲涅尔透镜，红外信号聚焦到热释电红外　传感器上，并将探测区分为若干个明区和暗区，从而　使进入探测区域的移动红外辐射源能以温度变化的　形式在ＰＩＲ传感元上产生连续变化的信号　Ｊ。　采用ＢＩＳＳ００１进行信号处理，如图３所示，将热　释电红外传感器的输出信号先进行一级放大，然后　由ｃ　耦合给运算放大器进行二级放大，在经由双向　鉴幅处理后，启动延时定时器，输出信号经晶体管放　大后输出给控制器。　２．４电磁阀控制装置　控制电路采用Ｐ１Ｃ１６Ｆ８７７处理器，具有高速、低　功耗的特点，２０　ＭＨｚ外部时钟，片内有８　Ｋ×１４字　Ｆｌａｓｈ程序存储器，２５６Ｂ　Ｅ　ＰＲＯＭ数据存储器。片　内有１０位多通道Ａ／Ｄ转换器和３个定时器，２个捕　捉器、比较器、ＰＷＭ模块，９位ＵＳＡＲＴ和内部看门狗。　煤矿井下控制环境恶劣，固态继电器按３／４电流　值选取，在留有足够的电压、电流裕量的条件下，尽量　避免过大的冲击电流和过电压损坏元器件。电磁阀　由欧姆龙Ｇ３ＮＡ一２１０Ｂ固态继电器ＳＳＲ控制，如图４　所示。固态继电器是无触点继电器，由输入电路、光　电耦合器、驱动电路和缓冲电路构成，具有高速、高频　率开关、电磁干扰小、灵敏度高及寿命长等特点。　为避免系统频繁动作，系统设置煤尘浓度上限　和下限。通过粉尘浓度检测装置及时检测工作面煤　尘浓度，当浓度超过设置上限值时，处理器驱动固态　继电器，打开电磁阀，喷雾装置工作；当煤尘浓度降　２０１５年第１期　工业仪表与自动化装置　・１７・　低并低于设置下限值，关断电磁阀，停止喷雾。在喷　雾过程中，如果有人经过喷雾区域，热释电红外传感　＋５　Ｖ　

器检测到信号后送入控制电路，可暂停喷雾，以免淋　湿，当人离开该区域，继续喷雾降尘。　

ＧＮＤ　图３热释电红外人体检测装置　

一　‘～１　４０　ＩＯ１　————Ｃ＝＝＝　—１——一　ＭＣＬＲ／ＶＰＰ　ＲＢ７　Ｓ？　Ｉ　

１２　－　Ｉ　ＲＢ１　过　

Ｇ—ＮＤ　ＳＷ—ＰＢ　ｌ　Ｌ—　输　零　触　ｃ　ｌｌ　２０　ｐＦ　１３　ＯＳＣ　１／ＣＬＫＩＮ　ｌ　入　触　发　３３　ＩＮＴ０　ｌ　电　发　电　

ｊ＿　ＲＢ（），ＩＮＴＯ　＋３　ｖ　Ｌ一　路　电　路　ｒ－－－ｑＹ１　路　

Ｃ２　ｌｌ２０ｐＦＴＩ　Ｈｚ　３　０ＳＣ２／ＣＬＫ０ＵＴ　ＶＤＤ　Ｌ　ｌｌ　３ｌ　（　］３　ｆＡ．：　ＩＯＩ　

Ｊｎ　ＶＳＳ　

ＧＮＤ　图４电磁阀控制装置　

３软件设计４结论　基于ＰＩＣ１６Ｆ８７７的煤巷综掘工作面喷雾除尘自　动控制系统采用模块化软件设计，现场人员监控采　用中断的方式，工作面煤尘监控采用定时扫描的方　式，流程图如图５所示。　图５工作面煤尘定时扫描监控流程图　该系统结构简单，可靠性高，采用自动喷雾控　制，能够根据煤矿粉尘浓度自动打开和关闭喷雾装　置，有效地节约了用水量，避免煤质水分超标；采用　高压喷雾除尘，由于雾化程度高，有效地降低了工作　面的煤尘浓度，提高了除尘效率，改善了矿工的作业　环境，保障了矿井作业安全。　参考文献：　［１］王兆喜，江兆利，周长超，等．煤矿粉尘在线监测及智　能喷雾降尘技术［Ｊ］．煤矿安全，２００８（７）：３５—３８．　［２］　杨国权．胶带输送机转载点除尘装置的设计与应用　［Ｊ］．中州煤炭，２０１１（８）：３３—３７．　［３］　祖自银，刘涛．矿井综合防尘技术在山脚树矿的应用　［Ｊ］．煤，２００７，１（１６）：１８—２０．　［４］　张全柱，黄成玉，邓永红．粉尘浓度传感器在煤矿井下　的应用［Ｊ］．物联网技术，２０１１（３）：６７—６９．　［５］王林泓，龚卫国，刘晓营，等．基于小波熵的低误报率　人体热释电红外信号识别［Ｊ］．仪器仪表学报，２００９，　１２（３０）：２４８５—２４９０．