煤矿粉尘在线监测及联动喷雾降尘系统的设计.pdf

第 6期 2 0 1 0年 6月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on NO ． 6 J u n ．2 01 0 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 6 0 1 0 9 0 4 煤矿粉尘在线监测及联动喷雾降尘系统的设计 王 绪 友 ，付伟 兖州 煤业股 份有 限公 司东滩 煤矿 ， 山东 邹 城2 7 3 5 1 2 摘要 针对兖州煤业股份有限公司东滩煤矿的防尘设施使用中的随机性问题 ， 提 出了一种煤矿粉尘在线 监 测及联 动喷 雾降 尘 系统 的设计 方案 。该 系统 由喷 雾探 头感 应 井 下监 测 区域 粉 尘浓度 ， 在 粉 尘浓度 超 过预 设的浓度值 时， 自动开启喷雾装置进行喷雾降尘； 同时将采集的粉 尘浓度信息 由井下中心站传送到地面中心 站进行显示。实际应用表明， 该 系统实现 了粉尘实时监测、 联动喷雾、 超标报警、 远程监控等功能。 关键词 煤矿 ； 粉 尘防治；在线监测 ； 联动喷雾；降尘； 远程监控 中图分 类号 T D 7 1 4 ． 4 文 献标 识码 B 0引言 随着煤矿开采强度和机械化水平的提高 ， 矿井 作业场所的粉尘浓度也明显提高， 影响井下安全生 产 、 危及煤矿工人的身体健康。兖州煤业股份有 限 公司东滩煤矿结合煤 矿生产实际， 在煤矿综合 防尘 方面主要采取了架间 自动喷雾、 放煤 自动喷雾 、 防尘 净化水幕、 采煤机内外喷雾等降尘措施 ， 在一定程度 上有效降低 了粉尘浓度 。但 在防尘设施使用 过程 中， 一般都是在粉尘浓度未实时检测的情况下操作 使用 ， 带有很大的随机性 。为了有效降低粉尘浓度 ， 更好地降低粉尘危害， 笔者结合现场实际， 开发 了煤 矿粉尘在线监测及联动喷雾 降尘系统 ， 取得了较好 的降尘效果。 1 系统组 成及 功能 1 ． 1 系 统 组 成 煤矿粉尘在线监测及联动喷雾降尘系统的 目的 是实 现粉尘 浓度 的 实 时监 测 ， 并 且 与 自动 喷 雾 控 制 联动 ， 做到有效喷雾降尘 。该系统由感测子系统、 智 能控制子系统 、 喷雾子系统 、 数据传输子系统、 数据 处理子 系统组 成 。如 图 1 所 示 ， 由井 下 喷 雾 探 头感 应井下监测区域粉尘浓度 ， 在 粉尘浓度超过预设 的 浓度值时 ， 自动开启喷雾装置进行喷雾降尘 ， 并 由地 面 中心站 显示结 果且 形成 报表 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 8 作者简介 王绪友 1 9 6 9 一 ， 男 ， 山东邹城人 ， 高级工 程师 ， 毕业 于山东科技大学 采矿 专业 ， 现任兖 州煤 业 股份 有限 公 司东滩 煤矿 通防副总工程师 。E ma i l f u we i 5 8 2 8 9 0 2 2 s i n a ． C O rn 图 1 煤矿粉尘 在线 监测及联 动喷雾 降尘 系统结构 1 ． 2 系统功 能 1 井下 粉 尘 浓度 的 自动监 测 与 监 控 功 能 在 产生粉 尘 的场所 安 装 粉尘 实 时 监测 监 控 子 系 统 ， 能 够 自动监测粉尘浓度 ， 具备粉尘浓度超限报警功能。 2 喷雾 装 置 自动控 制功 能 设 置 粉 尘 监 测 浓 度 区间 为 0 ～ 2 0 0 mg ／ m。 、 传 感 器 的 测 量 误 差 ≤ 1 2 、 粉尘报警浓度为 1 0 mg ／ m。 ， 当粉尘浓度 1 0 mg ／ m。 时 自动喷雾 ， 直至降到报警浓度以下 ， 喷 雾 自动停止 ， 报警解除 ； 报警浓度参数可根据实际情 况进行修改。 1 1 0 工矿 自动化 2 0 1 0年 6月 3 地面监测及信息处理功能 与 KJ 3 1 N型安 全监控系统联网， 在 K J 3 1 N 型安全监控系统地面显 示子系统中显示井下粉尘浓度的实时变化状况 ， 可 进行历史数据存储查询、 按要求生成报表和按阶段 绘制曲线 ， 并能实现数据存储 、 打印功能。 4 故障 自动提示报警功能 如果粉尘浓度超 限报警但 自动喷雾阀门被关闭而没有实现喷雾 时， 可向现场发出打开喷雾水 阀的语 音报警信号； 系统 出现故障时能够实现地面报警。 2系统硬 件设 计 2 ． 1 感测子 系统 感测 子 系统 采用 的 Z L C C D 1 0 0 0 一F B本质 安全 型防爆粉尘传感器在井下应用 中取得 了良好 的效 果 ， 其安装 如 图 2所示 。 图 2 Z L C C D 1 0 0 0 一F B本质 安全 型防爆粉尘传感器 现场安装示意 图 该传感器特点 1 采样周期 保持 1 mi n采样 ， 采用逐点推移 加权平均显示的方法 ， 每 间隔 6 S 采集 1 个 粉尘浓 度数据并连续输出。 2 传感器 自校正 以标准采样器测定 的现场 浓度为标准参考值 ， 然后将传感器输 出的数据与标 准参考值进行对比和统计分析 ， 找出其基准偏差 ， 通 过上位机处理数值后， 获得在采样周期 内的校正值 ， 然后再通过上位机写入传感器 ， 从而减小 了传感器 采集的粉尘浓度与实际粉尘浓度的误差 ， 消除了环 境变化对传感器的影响。 3 传感器数据输出 按 数据读取要求发送数 据 ， 每间隔 6 s 输出数据 ， 保证了粉尘传感器采集数 据 的及 时准确 。 4 采用 防水、 防潮的不锈钢制作， 便于安装 ； 采用 D C 1 2 V供 电。 2 ． 2 智 能控制 子 系统 智能控制子系统采用先进的微控器技术， 将粉 尘检测 、 红外探测 、 喷雾控制、 灯光语音提示 、 数据传 输、 数据显示功能集于一体 ， 其结构如图 1中虚线框 所示 。 2 ． 2 ． 1 系统功能 1 检测并显示 1路粉尘信号； 2 可接 2 路红外探测器 ； 3 可控制 2路电磁阀； 4 可接 2路水 流开关输 入信 号 ； 5 可输 出 1路 2 0 0 ～ 1 0 0 0 Hz的 粉 尘 浓 度 信 号 ； 6 可输 出 6路开关量信号 ； 7 具 有 RS 2 3 2 、 R S 4 8 5 、 C AN 总 线 接 口， 可 实 现数据远传功能； 8 可 作为 煤 矿 安 全 监 控 系统 的子 系统 运行 ， 将各种参数通过数据传输子系统传输到井上的监控 主机 ， 也 可 脱 离 煤 矿 安 全 监 控 系 统 作 为 独 立 系统 运行 。 2 ． 2 ． 2 控制主板 控 制主板 主 要 由 C P U、 隔离 器 件 、 电 源稳 压 电 路 、 4 8 5 ／ 2 3 2电路 、 开关量输出电路等组成 。 1 C P U 采用 S TC 8 9 C 5 4 R D单 片 机模式 ， 超 强的抗干扰和工业级设计完全适合在矿井环境下 运 行 。 2 隔离器件 主要隔离器件为快速光电耦合 器 。电源隔 离 电源 直 流 到 直 流 隔 离 D CD C将 C P U 端电源与通信端 、 控制端电源隔离 ； 信号 隔 离 将 C P U端开关量信号 、 通信信号与控制端信号 相 隔离 。 2 ． 2 ． 3 控 制器 1 为使系统可在多种环境下应用， 控制器增 加了 2 3 2 ／ 4 - 8 5 转换模块， 可实现 1 2 0 0 m 以内的较 近距离的数据传输。 2 远距离数据传输采用 C AN总线传输方式， 可实现 1 0 k m 以内的数据传输 。 3 为防止数据丢失 ， 单片机采集到的数据采 用巡检 ／ 应答 方式 发送 ， 即只有 上位 机巡检 到该控 制 器时 ， 控制器才将数据上传； 4 由于在试验过程 中， 粉尘传感器的 K值和 b值要 不 断 修 改， 因此， 串 口写 入 采用 分 时 复 用 方式 。 5 消除数据传输冗余的措施 传感器每 6 S 采 集 1 个粉尘浓度数据 ， 但在实际环境变化不大的情 况下， 经常出现前后数据一致的情况 ， 为减轻数据传 输的负担， 当前后数据一致时 ， 数据不上传 ， 上位机 仍显示上次数据； 6 控制器采用 D C 1 2 V供电， 属本质安全 型 应 用 。 2 0 1 0年第 6期 王绪友等 煤矿粉尘在线监测及联动喷雾降尘系统的设计 1 1 1 2 ． 2 ． 4 灯光语音报警箱 灯光 语 音报 警 箱 主要 由语 音控 制 主 板 、 扩音 喇 叭 、 红绿 L E D点阵 、 外壳组成 ， 其外观如图 3所示。 图 3灯 光 语 音 报 警 箱 外 观 2 ． 3 喷 雾子 系统 2 ． 3 ． 1 工作 原理 当粉尘浓度超过预先设定 的报警浓度值时， 控 制器发出打开信号， 控制 电源箱 内的固态继 电器打 开， 从而控制喷雾 电磁阀打开 ， 开始喷雾除尘 ； 当粉 尘浓度低于预先设定 的报警浓度值时 ， 控制器发出 关闭信号， 使电源箱 内的固态继 电器关闭， 停止喷雾 除尘； 当粉尘浓度超过预先设定 的报警浓度值 ， 正在 喷雾除尘时， 红外探测器探测到有人经过 ， 则控制器 发出暂停信号 ， 使喷雾暂停 2 0 S ， 等过人信号停止后 粉尘浓度仍然超过预先设定 的报警浓度值时则继续 喷雾 。 2 ． 3 ． 2 系统组 成 喷雾子系统主要由红外探测器、 电磁阀、 电源控 制箱组成 ， 它不能独立工作 ， 必须与控制器 、 粉尘传 感器 配合使 用 。 1 红外探 测器 红外探测器采用 的是 Z P CG型 喷雾 降尘专 用红外光控传感器 。 红外探测器参数 工作 电压为 DC 8 ． 5 ～9 ． 5 V 本安 ； 防爆标志为 E x i b I ； 工作电流6 0 mA； 最高 输 入 电压 Ui 一9 ． 5 V； 最 大输 入 电 流 i 一 5 5 0 mA； 最 大 内部 电感 L 一0 ； 最 大 内部 电容 C 一5 2 ． 7肛 F； 防爆 合 格 证 号 为3 2 0 0 7 3 6 2 ；安 全 标 志 号 为 M FB0 7 01 7 5。 红外 探测 器与控 制器 的接 线如 图 4所 示 。 红外探测器 控制器 I V v A L 』 I ． 7 _ - 7 V1 - N 2 V1 ， V2 A， Bl ／ A， B 2 图 4 红外探测器与控制器的接线 2 防爆电磁阀 防爆电磁阀选择的是通州市海阳煤矿安全设备 厂生产的 D F B 8 ／ 4型矿用 隔爆 电磁 阀， 用于打开和 关闭煤矿井下防尘降尘的供水管路。 防爆电磁阀参数 工作电压为 AC 1 2 7 V； 功率 消耗为 3 O w； 水压范围为 0 ． 2 ～8 ． 0 MP a ； 防爆合格 证号为 3 2 0 0 7 3 6 4 ； 防爆标志为 Ex d I ； 安全标志号为 M AJ O 7 O l O 7 。 3 电源控 制箱 考 虑 到井 下 电 网 电压 波动 较 大 ， 采 用宽 电 压范 围 输入范围为 AC 8 5 2 6 4 V， 输出为 D C 1 2 V 的 开关 电源， 其强劲的供 电能力完全可 以满足整个系 统的用电需要 ， 又可以极大提高系统的性能稳定性， 并且开关 电源发热极小 ， 有利于电源散热 。 开关 电源 主要 包 括 输入 电网滤 波 器 、 输入 整 流 滤波器、 逆变器 、 输出整流滤波器、 控制电路 、 保护电 路， 其原理框图如图 5所示 。 图 5开关电源原理框图 电源控制箱 内安装有断路器、 保险及用于控制 电磁阀开关 的固态继 电器。当出现短路故障时， 断 路器立 即断开电路 ， 保护负载的安全， 它与保险构成 整个系统的双层保护 。 3 结 语 煤矿粉尘在线监测及联动 自动喷雾降尘控制系 统 在东滩 煤 矿 已运 行 1年 ， 结 果表 明 1 Z L C C D 1 0 0 0 一F B本质安全型防爆 粉尘传 感器能够实现井下连续实时粉尘浓度检测 ， 测量数 据准确 ， 满足系统要求。 2 该系统能够准确可靠地获取传感器数据， 并能将上位机的控制指令发送到井下设备 ， 实现远 程控制和智能化控制功能 。 3 该系统可实时连续监测煤矿各尘源点的粉 尘浓 度 。工作人 员 可实时 掌握井 下粉 尘情况 和 喷雾 情况 ， 随时查询粉尘浓度历史记录， 方便设置超限报 警值和粉尘传感器的 K值 。 4 通过设 置粉尘浓度报警值和上限喷雾值 ， 在降低粉尘浓度的同时， 可实现防尘设施 的经济运 行 ； 在喷雾时可进行声光报警 ， 并且在人员通过时能 暂停喷雾。 5 该系统 在改善井下作业环境 、 降低巷道沉 积煤尘的清扫强度等方面起到重要作用 。 参考文献 [ 1 ] 李卫东 ， 王连富 ， 刘道文 ， 等． 我 国煤炭行业粉尘浓度监 第 6期 2 0 1 0年 6月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Aut o ma t i on No ． 6 J u n ．2 0 1 0 文 章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 6 ～0 1 1 2 0 2 基于S 7 2 0 0 P L C和组态王的煤矿通风机 监测系统的设计 刘 东科 ， 任 子 晖 ， 石 莹 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 提 出 了一种 基 于 S 7 2 0 0 P L C和组 态王 的煤矿 通风 机监 测 系统 的设 计 方案 ，详 细介 绍 了 系统硬 件及软件设计。实际运行表明， 该 系统能实时监测通风机的各项性能指标 ， 并可记 录所需信息， 具有一定的 实用性 。 关键 词 煤矿 ；通风机 ； 监 测 系统 ；组 态软件 ；S 7 ～2 0 0 P L C 中图分类号 T D 7 2 4 文 献标识 码 B 0 引言 矿 井 通 风机 是煤 矿 生 产 的重要 设 备 之一 ， 承 担 着矿井 瓦斯 排放 的重任 。我 国的大 部分煤 矿属 于高 瓦斯矿井， 安全形势严峻， 因此 ， 对矿井通风机的主 要参数进行监控非常必要 。本文介绍一种煤矿通风 机监测系统的设计 ， 该系统以 S 7 2 0 0 P L C作为下 位机采集通风机 的各个参数 ， 以国产组态软件 组态王作为上位机显示各个参数的运行状况及模拟 现场工作 设备 的运 行情况 。 1系统 硬件 设计 基 于 S 7 2 0 0 P L C和 组 态 王 的 煤 矿 通 风 机 监 测系统硬件 由 1个 S 7 2 0 0 C P U2 2 6模块 和 3个 E M2 3 1模拟 量输人 模块 组成 利用 C P U2 2 6自带 的 D I ／ DO 口采 集现场 的开 关量 ， 即 1号 通 风机 和 2号 通 风机 的正转 、 反转 和停 止 信 号 及 1 号 通 风 机 风 门 和 2号通风机 风 门的开 到位 和关到位 信号 ； 利用 E M2 3 1 采集 由传感 器传送来的模拟信号 。 系统硬 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 6 作者简介 刘东科 1 9 8 4 一 ， 男 ， 山东临沂人 ， 中国矿业大学信电 学院 2 0 0 8级硕士研究生 ， 主要研究 方向为检测技 术与 自动化 装置。 E ma i l a n d y一1 i u 6 6 6 1 6 3 ． c o r n 件 结 构 如 图 1所 不 。 匝 匝亟 I 7 - 2c0 。 匪垂 匡耍叵 匝亘 i 报 警 器 组 态 王 矿 局 域 网 矿 集 控 室 图 1 基于 S 7 2 0 0 P L C和组态王 的煤矿通风机 监测系统硬件结构 1 。 1模拟 量信 号的采 集 用 E M2 3 1采集 由现场 的甲烷传感器、 振 动变 送器、 压力变送器传送来 的电信号， 在 E M2 3 1中完 成相应的 A／ D转换。 1 ． 2 温度信 号 的采集 电动机和通风机轴承的温度信号通过现场的温 度传感器送入温度巡检仪， 再经 R S 4 8 5通信到工控 机 由组 态王 的画面显 示 。 1 ． 3 电动机 电参数 的采 集 E D A9 0 3 3 A电参数模块 用以采集 电动机 的电 压、 电流、 功率 、 功率因数等 电参数。每个电动机需 测技术的现状及发展 趋势 E J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 5 ， 3 2 B 0 6 6 6 - 6 7 ． [ 2 ] 马汉鹏 ， 王德 明． 矿 井粉 尘 防治 技 术探 讨 E J ] ． 洁净 煤 技术 ， 2 0 0 5 ， 4 7 0 7 2 ． [ 3 ] 王 自亮 ． 粉尘浓度传感 器的研 制和应 用 [ J ] ． 工业 安全 与环保 ， 2 0 0 6 ， 3 2 4 2 4 2 7 ． [ 4 ] 田国政． 浅谈煤矿测尘技术[ J ] ． 煤炭 工程师 ， 1 9 9 0 2 39 4 4． I s ] 黎文武． 煤 矿用 O S I RI S粉尘 控制 系统 简介 [ J ] ． 工业 安全与防尘 ， 1 9 8 9 5 4 4 ．