基于PLC的远程掘进面除尘智能控制系统设计.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：作者简介：田胜利（），男，山东枣庄人，高级工程师，年毕业于华东煤炭医学专科学校，现任山东天河科技股份有限公司董事长。引用格式：田胜利，藏凯，王胜敏，等 基于 的远程掘进面除尘智能控制系统设计 煤炭科技，（）：，（）：，文章编号：（）基于 的远程掘进面除尘智能控制系统设计田胜利，藏凯，王胜敏，吴琳琳，苏立堂，王贵祥（山东天河科技股份有限公司，山东 济宁 ）摘要：针对国家对煤矿智能化建设的要求，以及煤矿生产过程粉尘治理的需求，设计了一种基于 的远程掘进面除尘智能控制系统，其中包括除尘箱智能自洁功能、风机与掘进机和现场环境智能联动功能，以及智能远程控制功能，使降尘效率达到 以上。该系统实现方便、操作灵活、显示直观，有较好的控制效果和控制精度，对改善现场作业环境、保证职工的身心健康以及安全高效生产具有重大意义。关键词：煤矿；粉尘治理；智能控制中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；：随着国家煤矿智能化建设的发展以及煤矿生产过程粉尘治理的需求，国内除尘系统品种繁多，结构多种多样，但存在设计功能单一，缺乏多机协同。设计了远程掘进面除尘智能控制系统，其中包括环境数据采集、风机与掘进机智能联动功能，以及智能远程控制功能。该设计系统实现方便、操作灵活、显示直观，多机协同程度高，对改善现场作业环境、保证职工的身心健康，以及安全高效生产具有重大意义。西方发达国家研发了多种除尘设备，以美国的小旋风、俄罗斯的旋流吸尘泵等控制方式为代表，带动了自动化除尘的理念。但多机协同程度不高，系统接入能力相对较差，智能除尘凭借高效率、低功耗以及多机协同成为市场迫切需要。目前，国内煤矿自动化控制技术水平越来越高，且技术越来越成熟，但与国外技术相比仍有进步的空间。智能除尘控制系统硬件设计 控制器在设计中输入采用风量信号、瓦斯信号、粉尘信号、水压信号、故障信号和变频信号共 个端口，输出控制有风机、循环水泵、风机启停、系统运行、系统故障、控尘风筒等 个端口。考虑到模块可拓展性能，选择 ，可以最多拓展个模块，使用灵活，方便设计。另外，设计中采用 位，通过频率控制风机的运转，用于 的模拟量输出，具 年第 期田胜利，等：基于 的远程掘进面除尘智能控制系统设计第 卷有极短的运行时间，可以使控制器满足复杂程序的任务要求 。采用 输入输出模块控制水阀、水泵的调节，操作简单，拥有功能强大的标准指令及友好的编程软件，降低编程成本。该控制器内置于变频器内，减少安装成本。矿用隔爆兼本质安全型交流变频器采用 型变频器，该设备多驱多点设备之间采用 总线通信，实现多台设备主从联机动态功率平衡 ，并支持光纤通信，实现远程数据传送及监控。有过载、过压、欠压、缺相、过热、功率不平衡、短路、漏电闭锁、接地等保护功能，可通过 串口总线上传至上位机，具备停电故障记录功能。干式除尘器采用 系列矿用干式除尘器，该产品采用当前高效除尘机理，成功在国内多个大型矿井投用，除尘效果明显且操作方便，安装简单。其结构如图 所示。图 除尘箱体结构示意 该设备采用集成式结构形式，各个模块之间搭建简单，运输方便，根据粉尘分布机理以及除尘研究 ，设计了特殊过滤单元。同时，过滤元件的清洁是通过系统控制点操作实现，控制方式简单，便于工人操作 。经检测，除尘效率达到 ，干式除尘器原理如图 所示。除尘器自清洁系统为满足除尘器清洗功能的需求，增加了自清洁系统，在除尘器内通过特殊材料滤网进行喷雾降尘处理，实现除尘器自清洁。通过风筒风量传感器获取数据后，经内部 整定单元处理 ，经气动阀控制调整压力和时间，对除尘器进行脉冲式冲洗，达到清洁的目的，减少了人工成本。自清洁系统构成如图 所示。控尘风筒控尘风筒对于掘进工作面除尘能否达到理想效果至关重要。将控尘风筒和进风正压风筒相连接，安装在除尘器进风口与排风口之间，在掘进工作面图 干式除尘器原理 图 自清洁系统结构示意 正常生产时，局部通风扇提供的新鲜风通过控尘风筒分流 后，风筒周围压入风量小于排出风量形成负压区域。负压区域导致巷道掘进工作面后方风涌入前方，以进风口后控尘风筒侧向漏出的干净、新鲜风就向掘进面涌入，粉尘则被吸入负压区域。根据综掘工作面粉尘运移规律 及其控降尘技术机理 进行控尘，喷吹时间与除尘器压力损失的关系如图 所示。图 喷吹时间与除尘器压力损失的关系 年第 期煤炭科技第 卷 矿用本安型数据采集传感器采用规格为 传感器，可高精度采集现场风量、瓦斯以及粉尘浓度，设备轻小方便，便于安装调试。该设备通信支持标准 协议，可通过总线将采集数据传送上位机。水泵的选型设计的水系统中安装环境主要是煤矿井下冲洗，由于冲洗压力大，所需流量较大，因而选用双吸离心泵或者多级离心泵以保证充足动力和扬程。由于该系统主要介质是清水，选用 卧式清水泵。水泵技术参数：吸入压力 ；最高压力 ；环境温度 ；相对湿度 ；颗粒单位体积 ；粒度 。智能除尘控制系统软件设计 控制程序设计主程序中首先进行初始化，然后进行煤矿井下瓦斯、粉尘、风量数据的采集以及判断，将传感器检测到的数据参数送入 进行计算判断，并进行循环调整。主程序中还备有手动控制模式，主程序控制流程如图 所示。子程序流程中需要设定 个参数，即过程变量（）和给定值（）。设计的控制系统中主要过程变量是粉尘浓度、瓦斯浓度和风筒风量，给定值是设定值，指令在运算时候需要将这些值设定为浮点数，当需要运行子程序时，外部环境参数输入，与设定值进行比较，采用 中 自整定算法进行控制变频器、加压泵和水阀，控制方式为前馈控制。控制过程既可以通过自动控制实现频率控制，也可以通过手动控制来实现。系统通过控制器汇总各项传感器数据、设备状态数据以及控制点、对外开放独立设备点表，并支持标准的 协议、协议、协议，为用户提供了更集成的处理数据。子程序 控制流程如图 所示。上位机设计井上集控中心、井下集控中心分别设计 处上位机，两点直接控制互锁，数据共享。上位机具备远程控制功能，包含对变频器、加压泵、风机水阀、控尘水幕、控尘风筒等设备一键启动功能、与掘进机截割部联动功能，以及对环境监测处理分析的全自动功能。上位机与控制器设计了独立通信心跳、实时通信，控制精度低于 ，提供更可靠、更安全的数据反馈以及控制。其通信拓扑如图 所示。图 主程序流程示意 图 控制流程示意 应用效果在煤矿进行远程智能除尘系统的工业性实验，年第 期田胜利，等：基于 的远程掘进面除尘智能控制系统设计第 卷图 通信拓扑 实验主要技术参数见表 。实验结果表明，在普遍适应巷道断面情况下，除尘效果非常显著。同时，现场设备之间的联动大大减轻了操作人员的劳动强度，提高了工作效率，实现了井下减人提效，为安全生产提供了保障。表 现场实验参数 参数名称技术参数适应断面 风机功率 处理风量（）（）除尘器除尘效率 呼吸性粉尘除尘效率 结语设计的基于 的远程掘进面除尘智能控制系统，采用分布式控制相兼容的模式，满足多机协同作业要求 通过中央控制室的监视、操作，优化管理、组态维护，实现除尘器与掘进工作面喷雾设备的联动功能、一键启停功能以及根据现场环境全自动控制功能。该系统大大提高了煤矿井下自动化、智能化、信息化程度，充分体现了设计的集成化、智能化和除尘的高效性，降低了粉尘浓度，大大提高了综掘工作面除尘效果。参考文献（）：刘银根，张茂荣，李成功，等 岩巷综掘工作面高效除尘系统的应用 煤炭科技，（）：，（）：谢俊生 煤矿井下全岩巷道综掘干式除尘系统的研发与应用 矿业安全与环保，（）：，（）：李如明，郭胜均，许学成，等 综掘工作面综合防尘技术的实践与应用 矿业安全与环保，（）：，（）：王利，柴龙成 综掘工作面综合除尘技术装备的研究与应用 能源技术与管理，（）：，（）：廖常初 编程及应用 北京：机械工业出版社，金传伟，毛宗源 变频调速技术在水泵控制系统中的应用电子技术应用 电子技术应用，（）：，（）：秦宪礼，云吴，沈斌，等，单巷长距离快速掘进通风除尘技术研究 中国矿业，（）：，（）：施国华，马威，张建斌，等 综掘工作面粉尘运移规律及其控降尘技术研究 矿业安全与环保，（）：，（）：孟晗，杨玉中，鲁忠良，等 基于风幕隔尘集尘的综据面粉尘防治研究 安全与环境学报，（）：，（）：霍罡，曹辉 可编程序控制器模拟量及 算法应用案例 北京：高等教育出版社，（下转第 页）年第 期南晶晶，等：陷落柱影响下巷道围岩控制研究与实践第 卷了预期目标。参考文献（）：姬剑中 面回风顺槽过陷落柱安全开采技术实践 江西煤炭科技，（）：，（）：陈帅 回采巷道过陷落柱破碎带联合支护技术研究 山东煤炭科技，（）：，（）：侯艳峰 掘进巷道过背斜构造内陷落柱巷道支护技术研究 煤矿现代化，（）：，（）：李斌，周起谋，刘虎生 煤层开采推过陷落柱矿压显现规律数值模拟研究 煤炭与化工，（）：，（）：，赵云虎，魏军强 综采工作面过大陷落柱技术与实践 煤炭技术，（）：，（）：马卫波 大断面巷道过陷落柱期间的技术研究与实践 煤炭与化工，（）：，（）：，李浩男 厚煤层回采巷道掘进过陷落柱围岩控制技术研究 煤炭与化工，（）：，（）：武双忠 掘进巷道过陷落柱破碎围岩控制技术研究 山西冶金，（）：，（）：，彭海巍 下山斜巷过陷落柱区支护技术应用 机械管理开发，（）：，（）：田强，董传宝，李金桥 掘进巷道过陷落柱支护方式优化 山东煤炭科技，（）：，（）：刘根民，齐德明 煤矿巷道掘进过陷落柱施工技术研究 凿岩机械气动工具，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）程卫民 矿井粉尘防治理论与技术 北京；煤炭工业出版社，王惠风，陈殿赋 掘进工作面粉尘综合治理技术与实践 矿业安全与环保，（）：，（）：李雨成，高军军，赵勉，等，基于 的新型风幕控尘装置的模拟研究及其应用 高技术通讯，（）：，（）：丁厚成，杨帆，张义坤 综掘工作面粉尘运移规律及控制技术研究 安全与环境工程，（）：，（）：杨靖 综掘面风幕控尘综合实验平台设计研究 阜新：辽宁工程技术大学，许洋铭 抽出式通风岩巷粉尘运移及风筒粉尘沉积规律研究 北京：煤炭科学研究总院，姚玉静，程卫民，聂文，等 综掘工作面粉尘浓度分布的数值模拟 矿业安全与环保，（）：，（）：