陈彦青
（山西汾西矿业水峪煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）
在煤矿井下原煤生产及煤流皮带运输系统中往往伴随着过量煤尘产生，煤尘悬浮在风流中并充满整个有限作业空间内，从而危及作业人员身心健康，严重时会导致煤尘爆炸等事故。目前，沉积煤尘已列入煤矿企业监管重大隐患名单，并要求在煤流运输系统中逐步采用声控、磁控、触控等自动化手段降低粉尘浓度，有效提升井下工作人员的作业环境。一般矿井的喷雾降尘装置往往存在以下问题：
1）人工控制喷雾降尘装置。由作业人员手动控制喷雾装置控制阀门，主要存在喷雾装置开启或关闭不及时导致洒水效果欠佳、水淋衣服等现象。
2）机械式喷雾降尘装置。虽然结构简单，安装及维护方便，但在实际运行过程中由于经常受到机械碰撞，传动杠杆受力磨损，机件容易变形或松动，影响装置的正常使用。
3）电子式洒水降尘装置。虽然在可靠性和灵活性方面效果明显，但是它存在只能实现一种喷雾效果、传感器灵敏度过高且容易失效等缺点。
为解决上述问题，拟应用基于皮带秤的煤矿皮带智能喷雾装置，以期实现“有煤必洒，多煤多洒，少煤少洒，无煤不洒”目标［1-2］。
煤矿皮带当前自动洒水装置主要有以下几种类型：
1）人工式洒水降尘装置，它主要是依靠岗位工人根据工作现场煤尘浓度大小手动控制截止阀的开启和关闭。
2）机械式洒水降尘装置，它主要是通过机械式无源堆煤传感器自带的常开触点来控制洒水电磁阀门的开启和关闭，具有结构简单、安装及维护方便等特点。
3）电子式洒水降尘装置，它主要通过粉尘浓度传感器监测煤尘浓度，然后通过控制单元控制电动球阀的开启和关闭，具有易于实现本安设计、可靠性高的特点［3］。
皮带秤智能喷雾降尘装置首先在硬件上选取了电气性能优良的煤流量监测传感器，性能先进的PLC控制单元，能够实现模拟量控制的4-20MA智能调节型电动法兰球阀；
其次对自动喷雾的框架结构和控制流程进行了优化和改进。其工艺流程如图1所示。
图1 智能喷雾降尘装置工艺流程
1.1 煤流量传感器的选定
煤流量传感器主要功能是将工作现场的物理量信号转换为标准电信号，工作原理一般有触控型、光电型两种方式。常见的触控型信号源有平衡珠触控、弹簧振动型、滚轮测速型传感器等，光电型信号源主要有热释红外传感器、粉尘浓度监测传感器等。在分析对比的基础上，结合工作现场实际工况，拟选定以下几种煤流量传感器：皮带秤称重传感器、GUR8矿用本质安全型热释红外传感器、ZP-12C触控传感器；
选取KGT9-E开停传感器为皮带运行状态监测传感器。
1.2 主控箱PLC控制单元硬件组态及软件程序的编写
在大多数情况下一般均采用简单的机械机构装置或普通型继电器硬件回路来实现对喷雾降尘电磁阀的控制。本智能装置选用西门子PLC控制器来实现对电动比例阀的控制，工作性能稳定且具有极强的扩展性，通过修改相关控制参数就能满足不同的使用条件及喷雾效果，电路逻辑设计和电气参数修改都十分简便。通过现场试验及调试、网上查阅资料等途径，选定能够实现模拟量采集和模拟量控制的西门子224XP PLC作为洒水装置控制单元［4］。
1.3 电动执行机构的选型
通常情况下，煤矿井下喷雾装置的电动执件机构选用电磁控制阀和电动比例控制阀。电磁控制阀是利用电磁原理实现阀门的启停，它具备体积小，阀门启停速度快，工作原理简单等优点。但是电磁控制阀供电电源一般采用36V以上非本安电源，阀门口径小导致流量不足。电动比例控制阀通常选用36V以下直流电动机来实现阀门的开启和关闭。它具有阀门开度可控，能实现阀门开度的连续控制，且阀门口径大能满足大流量通过；
但是它控制机构多，阀门启停速度慢，使用效果欠佳。通过向厂家咨询、查阅相关资料，选取4-20MA智能调节型电动法兰球阀为智能喷雾降尘装置的执行机构。
结合现场实际工况，智能喷雾降尘装置选取皮带秤称重传感器输出的4-20MA标准信号作为煤流量大小监测的标准信号，它具有工作性能优异、灵敏度好及实时性好等优点；
选取西门子PLC控制单元具备高可靠性和很好的灵活性，通过上位机修改相关程序可以实现不同的控制效果，电路逻辑设计和电气参数修改都十分简便；
选取4-20MA电动智能调节法兰球阀，使用低压直流电机经减速器驱动球阀的开启角度，具有工作电压低，易实现本安设计，流量大等优点。智能喷雾降尘装置硬件结构图及电气原理如图2、图3所示。
图2 智能喷雾降尘装置电气原理
对于设有皮带秤称重传感器的皮带输送机，智能喷雾降尘装置具备自动控制和手动控制两种工作模式。
2.1 自动控制模式
当皮带机开始运行后，首先通过GKT5L设备开停传感器检测皮带机运行状态。当主控箱控制单元接收到皮带机开机信号且有煤流时，由皮带秤称重传感器根据监测到的皮带上煤流量的大小，通过控制智能调节电动球阀的开启角度实现不同的喷雾效果。当没有煤流后或皮带停机时通过延时（延时可任意设定）停止喷雾，实现“有煤必洒，多煤多洒，少煤少洒，无煤不洒”的目标。
2.2 手动控制模式
当自动洒水装置控制系统出现故障时，岗位工人可通过主控箱启动/停止按钮实现洒水装置的开停。
对于不设皮带秤称重传感器的皮带，自动喷雾洒水降尘装置工作原理为：当皮带机开始运行后，先通过GKT5L设备开停传感器检测皮带机工作状态，当检测到皮带机运行后通过触控传感器或红外传感器检测煤流运行状态，主控箱控制单元接收到皮带机开机且有煤流通过时，控制电动球阀开始喷雾洒水；
没有煤流或皮带停机后可通过延时（延时可任意设定）停止喷雾，实现“有煤必洒，无煤不洒”的目标。
图3 智能喷雾降尘装置电气原理
3.1 应用方案
本着“节能降耗、修旧利废”的原则，智能喷雾降尘装置成本预算仅为7 000元，且采用的是备用的电气元件，而订购同种降尘效果自动洒水装置费用约5万～8万元，且不能实现上位机的实时监控与控制。智能喷雾降尘装置通过现场调试及运行，新设计的技术方案用最小投入达到最好的控制效果，该装置可根据工作现场的煤尘浓度实现对电动球阀的模拟量控制，实现“有煤必洒，多煤多洒，少煤少洒，无煤不洒”目标。
3.2 应用实践
该智能喷雾降尘装置已在水峪煤业101主斜井皮带及104振动筛投入使用，降尘喷雾喷头选用高强度雾化机构。
为测试智能降尘装置应用效果，在主斜井煤流转载点均匀布置3个采样点并实时采集作业环境中的煤尘浓度，降尘装置安装前后的降尘效果对比，如表1所示。
表1 降尘效果测试结果表
从表1可以看出，在安装智能喷雾降尘装置后，作业环境中粉尘浓度数值降低43%左右，降尘效果显著，很好地保障了作业人员的身体健康，保证了煤流运输系统安全高效运行。
1）通过优化智能喷雾降尘装置，不仅可以有效解决人工式洒水装置及机械式洒水装置的各类缺陷及水煤现象的产生，还可以根据工作现场的煤尘浓度实现对电动球阀的模拟量控制，实现“有煤必洒，多煤多洒，少煤少洒，无煤不洒”目标。
2）该装置运行稳定可靠，智能高效，能够自动及时地启闭洒水装置，节省了人力及物力，降尘效果显著，大大提高巷道文明生产。通过水峪煤业101主斜井皮带及104振动筛投现场入使用前后的实测数据，智能喷雾降尘装置的降尘效率达到43%左右，降尘效果较好。
3）该装置工作原理简单，成本较低，进一步提升了煤矿企业智能化建设水平，具有明显的推广应用价值［5-6］。
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