煤礦綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)研究

高全軍

（華陽集團裝備管理部，山西 陽泉 045000）

引言

綜采工作面采煤機生產時會產生大量粉塵，如采煤機割煤過程、液壓支架拉架/推溜過程、破碎過程、運輸過程都會產生大量粉塵。據(jù)統(tǒng)計，綜采工作面粉塵質量濃度最大可達600 mg/m3，最小也在120 mg/m3左右，嚴重影響井下工人身體健康，可誘發(fā)塵肺病變。綜采工作面粉塵濃度較高且在一定條件下會發(fā)生粉塵爆炸，直接威脅煤礦井下安全生產。為有效降低綜采工作面采煤機作業(yè)時的粉塵濃度，減小對井下工人身心危害，降低井下環(huán)境污染，增強井下作業(yè)安全性，在綜采工作面安裝架間噴霧降塵系統(tǒng)，達到改善環(huán)境、安全生產的目的。常用的綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)有雷波泵站電液控制系統(tǒng)、德國DBT的PMC-R電液控制系統(tǒng)以及卡瑪特泵站電液控制系統(tǒng)，具有手動、自動兩種控制模式，可分別控制乳化液泵、噴霧泵、乳化液泵水箱控制閥，同時還可以為給水箱和乳化液水箱注水，有效避免系統(tǒng)間干擾[1-2]。典型的噴霧泵站控制系統(tǒng)具備控制泵的加載、啟動、停止、故障診斷、保護等功能，同時可監(jiān)控各泵的運行狀態(tài)和參數(shù)信息[3]。上述噴霧降塵控制系統(tǒng)存在缺點主要有系統(tǒng)實時性差、故障率高且檢修難度大、系統(tǒng)顯示界面小且信息量不足。為增強綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)的實時性，降低故障發(fā)生率，設計并實現(xiàn)基于CAN通信技術與PLC控制技術相結合的智能噴霧降塵控制系統(tǒng)。

1 總體設計

綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)總體設計框圖見圖1所示，由上位機監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)組控制器、噴霧分控制器以及增壓水泵組成。根據(jù)綜采工作面液壓支架的分布情況，每隔5架安裝一個噴霧分控制器，實時采集該控制區(qū)域內的粉塵濃度、壓力、水位、電流以及溫度數(shù)據(jù)并以CAN總線通信模式發(fā)送給系統(tǒng)主控制器。系統(tǒng)主控制器接收到噴霧分控制器的數(shù)據(jù)后進行解析和邏輯處理完成對分控制器的控制，同時將所有數(shù)據(jù)以CAN總線通信模式發(fā)送給上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行實時顯示。為保證噴霧降塵系統(tǒng)的水壓壓力，增設增壓水泵，當系統(tǒng)水壓壓力過小時，開啟增壓水泵，保證噴霧降塵系統(tǒng)正常、有效工作。

圖1 煤礦綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)總體設計框圖

2 硬件設計

煤礦綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)的核心硬件主要包括傳感器、控制器、變頻器等。水壓力傳感器選用的型號為PY206，核心部件為進口高精度感應芯體，可將被測介質的壓力信號轉換為電流或者電壓信號，具有轉換精度高、數(shù)據(jù)延時小的特點。水位傳感器選用的型號為PY201，與PY502H等水位顯示控制儀表配合使用，實現(xiàn)水位顯示和自動控制的功能，該水位傳感器具有抗沖擊能力強、過載能力強、密封性好的特點。粉塵測試儀選用的型號為PC-3，測量范圍為0.001~20 mg/m3，相對測量誤差小于10%，檢測靈敏度為0.001 mg/m3，采用時間可在0~99 min內任意設置并可預設10組采樣時間，存儲容量為100*1 000條測量記錄，保存時間大于10年且斷電不丟失[4-5]。該粉塵測試儀支持RS232、RS485以及CAN通信模式，輸出信號為4~20 mA電流信號或者0~5 V電壓信號。溫度傳感器選用的型號為WZP-291，可測量溫度范圍為-50~650℃。PLC控制器選用的型號為西門子S7-300，該控制器采用模塊化設計結構，支持CAN、MODBUS、PROFIBUSDP等多種通信模式，可作為主站連接ET200，也可連接從站I/O設備，最多可擴展32個模塊。綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)PLC I/O地址分配（部分）詳見表1根據(jù)噴霧降塵控制系統(tǒng)模擬量、數(shù)字量點數(shù)選擇與之配套的擴展模塊[6-8]。變頻器選用的型號為西門子MM440，使用IGBT作為功率輸出器件，額定功率范圍為120~250 kW，具有更高的動態(tài)響應效率，可根據(jù)負載變化實時做出響應，具備矢量控制、磁通電流控制、多點以及V/F特性。MM440變頻器通用性較強，支持多國語言、多種通信模式并滿足組網要求。

表1 綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)PLC I/O地址分配（部分）

3 軟件設計

3.1 下位機程序設計

綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)軟件部分基于博圖軟件平臺，采用ST語言編程實現(xiàn)，總流程框圖見圖2所示。系統(tǒng)上電并初始化過程完成后，接收主控制器的命令，對接收到的信息進行解析。解析工作模式字段，并進入手動控制、自動控制或者就地停止模式。如果工作模式為非就地模式且接收到控制命令，則執(zhí)行對應的控制指令并控制對應的電動球閥[9-11]。如果接收到的為非控制指令則繼續(xù)循環(huán)接收主控制器指令并執(zhí)行解析過程。在該主程序中，如果沒有接收到主控制器命令，則按照約定周期采集現(xiàn)場狀態(tài)信號并發(fā)送數(shù)據(jù)幀。根據(jù)硬件設計中安裝的壓力傳感器、電流傳感器、溫度傳感器，采集實時數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)濾波，保證數(shù)據(jù)實時性好、波動性小。主控制器與噴霧分站控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸格式遵循已經定義好的CAN通信協(xié)議。按照CAN通信協(xié)議對傳感器數(shù)據(jù)、參數(shù)信息等進行打包，待接收到該數(shù)據(jù)后，按照通信協(xié)議完成解析過程。

圖2 煤礦綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)下位機軟件總流程

3.2 上位機程序設計

綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)上位機程序基于WinCC軟件平臺進行設計，界面框圖見下頁圖3所示。上位機監(jiān)控平臺對接收到的CAN通信數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進行解析并完成與本地變量的鏈接，在各界面設計中使用已經鏈接的變量即可完成數(shù)據(jù)同步、實時更新。設計有主監(jiān)控界面、參數(shù)設置界面以及數(shù)據(jù)處理界面。主監(jiān)控界面用于實時顯示噴霧降塵系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如壓力、電流、溫度、水位傳感器數(shù)據(jù)、電動球閥啟動狀態(tài)、控制模式等，同時還實時顯示采煤機動作動畫、采煤機與液壓支架實時軌跡曲線。參數(shù)設置界面可用于設置用戶名、用戶密碼等登錄信息，同時還可顯示噴霧降塵系統(tǒng)參數(shù)，如采集傳感器數(shù)據(jù)的周期、噴霧通道數(shù)量、噴霧水壓/水位、噴霧范圍、粉塵濃度上下限、工作模式等。數(shù)據(jù)處理界面可完成對系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)、參數(shù)設置數(shù)據(jù)的實時儲存且斷電不丟失，可將噴霧降塵系統(tǒng)指定數(shù)據(jù)進行曲線、報表輸出，同時還可完成溫度、壓力、水位、電流等關鍵數(shù)據(jù)信息的歷史查詢和歷史趨勢曲線輸出。

圖3 煤礦綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)上位機界面設計

4 使用情況

該綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)通過系統(tǒng)功能測試，根據(jù)工作面實際生產現(xiàn)狀，按照22套噴霧降塵控制系統(tǒng)，每套系統(tǒng)控制5架液壓支架，每架液壓支架配置3套噴霧，使用扇形噴嘴。選取5個采樣點，連續(xù)采集兩個月的降塵前后粉塵濃度數(shù)據(jù)，形成表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由表2可知，使用該噴霧降塵控制系統(tǒng)后，采樣點粉塵濃度明顯降低，降塵可達40%左右，有效改善了綜采工作面井下工人的勞動環(huán)境，保障井下工人身心健康。

表2 噴霧降塵控制系統(tǒng)使用前后對比

5 結語

以PLC控制技術和CAN總線技術為核心，設計的綜采工作面噴霧降塵控制系統(tǒng)，包括噴霧降塵分站-系統(tǒng)主控制器-上位機監(jiān)控系統(tǒng)三層結構，層與層之間以CAN總線通信技術完成數(shù)據(jù)交互。噴霧降塵分站控制器實時采集傳感器數(shù)據(jù)并完成邏輯控制，實現(xiàn)煤巷粉塵濃度自動控制過程，提高綜采工作面的噴霧降塵系統(tǒng)的自動化水平。