智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)在梅花井煤礦的應(yīng)用研究

翟 文

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)梅花井煤礦，寧夏回族自治區(qū)銀川市，751411)

1 引言

傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)通常具有以下特點(diǎn):

(1)為了滿(mǎn)足啟動(dòng)或特殊情況的使用，設(shè)備選型時(shí)通常配置能力偏大且具有較大裕度，一定程度上造成資源的浪費(fèi)。

(2)工作面輸送系統(tǒng)自問(wèn)世以來(lái)全部為恒速工作制，即刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)后就以額定轉(zhuǎn)速恒速運(yùn)行。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)中，刮板輸送機(jī)的運(yùn)量通常達(dá)不到設(shè)計(jì)值，刮板輸送機(jī)有一半的時(shí)間在空運(yùn)行或以一半的設(shè)計(jì)輸送能力在工作。

(4)無(wú)論煤量大小或有無(wú)物料均恒速運(yùn)行，產(chǎn)生無(wú)功高轉(zhuǎn)速運(yùn)行下不必要的運(yùn)轉(zhuǎn)磨損，特別是在煤量較少或空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)備磨損更快。

相對(duì)于傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)，研究和應(yīng)用智能刮板運(yùn)輸機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于一是能根據(jù)工作面產(chǎn)量調(diào)整輸送機(jī)的能力；二是提高驅(qū)動(dòng)部的工作效率，減少無(wú)用作功；三是降低設(shè)備磨損、延長(zhǎng)壽命；四是降低開(kāi)采能耗，節(jié)能減排。梅花井煤礦1110204綜采工作面應(yīng)用全國(guó)首套智能控制刮板輸送機(jī)，目的在于進(jìn)一步推進(jìn)井工開(kāi)采裝備的自動(dòng)化和智能化，提高煤炭開(kāi)采效率，促進(jìn)安全生產(chǎn)。

2 智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成

智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)包括三機(jī)語(yǔ)音集控裝置、刮板輸送機(jī)智能控制裝置 (ASCS系統(tǒng))、煤量檢測(cè)裝置、防爆變頻器、電氣監(jiān)控及鏈條自動(dòng)張緊裝置以及破碎機(jī)紅外安全裝置。該項(xiàng)目在梅花井煤礦的實(shí)施一是旨在實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)啟?？刂啤⒄崔D(zhuǎn)控制、重載軟啟動(dòng)、機(jī)頭尾動(dòng)態(tài)功率平衡、正常運(yùn)行時(shí)的鏈速調(diào)整以及鏈條張緊力控制等驅(qū)動(dòng)控制特性；二是旨在實(shí)現(xiàn)近程控制與遠(yuǎn)程控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控和顯示等功能；三是旨在實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力自動(dòng)匹配特性等相關(guān)功能。系統(tǒng)硬件組成和布局拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成和布局拓?fù)鋱D

3 智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及功能

智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)的核心功能有智能啟動(dòng)、煤量監(jiān)測(cè)與智能調(diào)速、機(jī)頭機(jī)尾動(dòng)態(tài)功率協(xié)調(diào)、鏈條保護(hù)、低速檢修、雙向協(xié)同作業(yè)控制、斷鏈監(jiān)測(cè)以及集監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、分析、判斷為一體的專(zhuān)家系統(tǒng)。

3.1 智能啟動(dòng)

3.1.1 預(yù)張緊階段

在啟動(dòng)之初，通過(guò)變頻器的精確控制性能對(duì)頭部電機(jī)和尾部電機(jī)分別進(jìn)行控制，來(lái)張緊底部的鏈條，并將底部鏈條余量轉(zhuǎn)移到上鏈尾部。整個(gè)過(guò)程中僅尾部電機(jī)緩慢運(yùn)行，而頭部電機(jī)保持零速。當(dāng)?shù)撞挎湕l張緊后尾部電機(jī)停止運(yùn)行，并在啟動(dòng)開(kāi)始前保持底鏈的張力。

3.1.2 重載軟啟動(dòng)

當(dāng)?shù)祖湉埦o之后，頭部電機(jī)和尾部電機(jī)同時(shí)從零速開(kāi)始軟啟動(dòng)運(yùn)行，軟啟動(dòng)時(shí)間可以從0～1800s自由設(shè)置。啟動(dòng)在低速段能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩 (最大輸出約2倍額定轉(zhuǎn)矩)，以更好地適應(yīng)重載啟動(dòng)。

整個(gè)智能啟動(dòng)分為兩個(gè)階段，其優(yōu)點(diǎn)在于既要使底部卡鏈的現(xiàn)象不再發(fā)生，又能滿(mǎn)足重載啟動(dòng)的要求，讓啟動(dòng)過(guò)程最大程度地降低對(duì)電機(jī)及相關(guān)機(jī)械設(shè)備的沖擊損傷，滿(mǎn)足井下刮板輸送機(jī)的控制要求。

3.2 煤量監(jiān)測(cè)與智能調(diào)速

3.2.1 煤量監(jiān)測(cè)原理

刮板輸送機(jī)運(yùn)煤量采用激光掃描傳感器來(lái)檢測(cè)，在刮板輸送機(jī)頭部或轉(zhuǎn)載機(jī)上安裝激光掃描傳感器，激光掃描傳感器首先對(duì)下方的刮板輸送機(jī)進(jìn)行掃描，當(dāng)煤通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，激光掃描通過(guò)的煤流，煤量監(jiān)測(cè)裝置自動(dòng)計(jì)算過(guò)煤斷面，并結(jié)合煤流通過(guò)的速度計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)輸?shù)拿毫俊?/p>

3.2.2 智能調(diào)速

刮板輸送機(jī)能根據(jù)其運(yùn)量的變化 (受采煤機(jī)割煤、片幫、推溜等因素影響)調(diào)整鏈速，使刮板鏈以最少的回轉(zhuǎn)次數(shù)及時(shí)將綜采工作面原煤運(yùn)走。在較大的負(fù)載范圍內(nèi)，刮板輸送機(jī)的鏈速與其上的煤量成正比，整個(gè)過(guò)程采用比例-積分控制的方法對(duì)刮板輸送機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將刮板輸送機(jī)上的當(dāng)前煤量與額定負(fù)載對(duì)應(yīng)的煤量進(jìn)行比較，根據(jù)兩者之差調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)的速度，當(dāng)前煤量大于額定煤量時(shí)刮板輸送機(jī)提速，當(dāng)前煤量小于額定煤量時(shí)刮板輸送機(jī)降速。調(diào)速的目標(biāo)是將刮板輸送機(jī)的負(fù)載控制在額定值左右，使得電機(jī)的無(wú)功功率最低，從而降低刮板輸送機(jī)的能耗。調(diào)速的另一個(gè)好處是縮短鏈條的行程，延長(zhǎng)鏈輪、刮板鏈和溜槽等相關(guān)零部件的壽命。煤量與刮板鏈鏈速關(guān)系如圖2所示。

圖2 煤量與刮板鏈鏈速關(guān)系

3.3 機(jī)頭機(jī)尾動(dòng)態(tài)功率協(xié)調(diào)

功率協(xié)調(diào)能夠使頭部和尾部的多臺(tái)電機(jī)間隨負(fù)載變化準(zhǔn)確地分配功率，不會(huì)使電機(jī)過(guò)多或者過(guò)少承擔(dān)功率。其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:變頻器主機(jī)與從機(jī)之間通過(guò)高速工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)主從通信，變頻器實(shí)時(shí)讀取電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，并精確地對(duì)輸出的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，主機(jī)實(shí)時(shí)將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等信息傳送給從機(jī)，從機(jī)實(shí)時(shí)根據(jù)主機(jī)傳送的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出，從而達(dá)到主從功率平衡的目的，最終實(shí)現(xiàn)功率平衡。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，頭部和尾部驅(qū)動(dòng)所需要完成的職責(zé)不同，頭部驅(qū)動(dòng)主要決定設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，承擔(dān)主要的負(fù)載；尾部驅(qū)動(dòng)主要是為了張緊底鏈，在負(fù)載較大時(shí)協(xié)同頭部驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)負(fù)載。功率平衡監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

3.4 鏈條保護(hù)

鏈條保護(hù)是通過(guò)鏈條張緊力控制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并提取鏈條張緊力數(shù)據(jù)，接受控制系統(tǒng)的運(yùn)行指令信號(hào)，調(diào)整刮板輸送機(jī)系統(tǒng)啟停時(shí)的鏈條張緊力。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:刮板輸送機(jī)運(yùn)行前自動(dòng)張緊到鏈條預(yù)緊力要求的范圍內(nèi)；停機(jī)后自動(dòng)調(diào)整鏈條張緊力，鏈條預(yù)張力降低到要求的范圍 (處于松弛狀態(tài))。

圖3 功率平衡監(jiān)測(cè)結(jié)果

同時(shí)，智能刮板輸送機(jī)能根據(jù)溜槽上堆煤的多少自動(dòng)調(diào)整啟動(dòng)時(shí)間以及機(jī)頭和機(jī)尾滯后時(shí)間，并具有鏈條最大載荷保護(hù)功能，一方面限制了啟動(dòng)時(shí)作用在刮板鏈上的載荷，避免鏈條因啟動(dòng)時(shí)的沖擊或可能發(fā)生的超載和刮卡而承受超出設(shè)計(jì)值的負(fù)荷(一般為破斷負(fù)荷的70%)；另一方面能根據(jù)刮板鏈松緊度、刮板輸送機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度、彎曲狀態(tài)、溜槽上鏈堆煤和下鏈回煤調(diào)整機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)的變頻啟動(dòng)特性，避免發(fā)生機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)扭矩共同疊加至機(jī)頭過(guò)渡段刮板鏈上的現(xiàn)象，進(jìn)一步保護(hù)鏈條。

3.5 低速檢修

智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)具有低速檢修模式，低速檢修模式可以根據(jù)設(shè)置的任意速度來(lái)運(yùn)行，有利于平時(shí)的檢修和節(jié)能。當(dāng)系統(tǒng)接收到啟動(dòng)信號(hào)，首先檢測(cè)是否有低速檢修模式信號(hào)輸入，若有信號(hào)輸入，系統(tǒng)從零速加到檢修速度 (預(yù)先通過(guò)參數(shù)設(shè)定)，并恒定在此速度下運(yùn)行。

3.6 雙向協(xié)同作業(yè)控制

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)之間通過(guò)系統(tǒng)預(yù)留的信息互通接口實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交換，下一級(jí)設(shè)備 (依次為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī))可以根據(jù)前級(jí)設(shè)備的工況 (運(yùn)行狀態(tài)、向下級(jí)傳遞物料的量)調(diào)整自身運(yùn)輸能力或給出上下級(jí)設(shè)備運(yùn)行建議，從而做到各級(jí)工作能力的匹配。

3.7 斷鏈監(jiān)測(cè)

斷鏈?zhǔn)窃O(shè)備使用過(guò)程中較為常見(jiàn)和難以處理的故障，借助斷鏈監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)斷點(diǎn)和位置。當(dāng)監(jiān)測(cè)到一條鏈條斷鏈后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警并顯示斷點(diǎn)位置；當(dāng)發(fā)生兩條鏈條斷鏈時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)緊急閉鎖停機(jī)。斷鏈監(jiān)測(cè)功能示意圖如圖4所示。

圖4 斷鏈監(jiān)測(cè)功能示意圖

3.8 專(zhuān)家系統(tǒng)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用專(zhuān)家系統(tǒng)和存儲(chǔ)功能對(duì)設(shè)備各關(guān)鍵零部件運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，并將結(jié)果上傳給主控系統(tǒng)作出相應(yīng)的對(duì)策。專(zhuān)家系統(tǒng)會(huì)對(duì)所有的數(shù)據(jù)按照因果關(guān)系進(jìn)行記錄，并會(huì)對(duì)關(guān)鍵零部件的維護(hù)周期和使用壽命等作出預(yù)判及建議。

4 梅花井煤礦智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

梅花井煤礦對(duì)質(zhì)量穩(wěn)定、功能全面以及性能可靠的成套智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，具體實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容如下:

(1)實(shí)現(xiàn)智能啟動(dòng)。在預(yù)張緊控制階段，通過(guò)對(duì)頭部電機(jī)和尾部電機(jī)的獨(dú)立控制張緊底部的鏈條，實(shí)現(xiàn)了刮板鏈啟動(dòng)自動(dòng)張緊和停機(jī)自動(dòng)釋放；在重載軟啟動(dòng)階段，通過(guò)精確控制啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、速度和加速度，速度變化平滑使得啟動(dòng)更平穩(wěn)，這對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊更小。

(2)實(shí)現(xiàn)煤量監(jiān)測(cè)與智能調(diào)速。智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)輸送煤量的變化智能調(diào)節(jié)鏈速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了載荷多刮板鏈速高速運(yùn)行，載荷少刮板鏈速低速運(yùn)行。分級(jí)調(diào)速功能使得鏈速調(diào)整有一定的延時(shí)性和穩(wěn)定性，在實(shí)時(shí)響應(yīng)的同時(shí)避免了頻繁調(diào)速。智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全范圍連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間變速運(yùn)轉(zhuǎn)，使刮板鏈以最少的回轉(zhuǎn)次數(shù)及時(shí)將工作面原煤運(yùn)走。

(3)實(shí)現(xiàn)各電機(jī)功率動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)。智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)區(qū)分機(jī)頭和機(jī)尾驅(qū)動(dòng)不同角色和需求，按需配置不同的控制包，并且多驅(qū)動(dòng)單元協(xié)調(diào)作業(yè)。協(xié)調(diào)控制機(jī)頭和機(jī)尾驅(qū)動(dòng)部減少了尾部槽幫磨損，降低了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，避免了不平衡沖擊，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)壽命。功率平衡精度不受電動(dòng)機(jī)個(gè)體性能差異影響，平衡精度較常規(guī)功率平衡系統(tǒng)提高5～7倍，平衡精度小于2%，平衡反應(yīng)速度小于10μs。

(4)檢修速度可以任意設(shè)定和調(diào)整，便于設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，電機(jī)能夠在7Hz左右穩(wěn)定運(yùn)行，有利于限制和設(shè)定電機(jī)安全扭矩，保護(hù)設(shè)備和人員安全。

(5)智能刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)具備與轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、采煤機(jī)及帶式輸送機(jī)等雙向協(xié)同工作以及信息通訊和上傳功能。

(6)專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵元部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警。

(7)極大地節(jié)省了設(shè)備的能耗，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。與目前同類(lèi)和同規(guī)格的設(shè)備相比，能夠降低能耗15%～37%，延長(zhǎng)壽命1.44～2.4倍。

5 結(jié)語(yǔ)

智能刮板輸送機(jī)在梅花井煤礦的應(yīng)用實(shí)踐證明，智能刮板輸送機(jī)系統(tǒng)具有優(yōu)秀的啟動(dòng)性能和運(yùn)行調(diào)速能力，通過(guò)調(diào)速隨時(shí)改變輸送能力與工作面產(chǎn)量匹配，驅(qū)動(dòng)部在各種狀態(tài)下始終保持高效運(yùn)行，全面降低了刮板輸送機(jī)的能耗和無(wú)功磨損，顯著地提高生產(chǎn)效率的同時(shí)提高了設(shè)備可靠性，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

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