智能綜放面全煤流雙集控云臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

梁月偉

(晉能控股煤業(yè)集團，山西 大同 037000)

綜采放頂煤工作面的煤流運輸系統(tǒng)包括后刮板輸送機與前刮板輸送機。二者共同作用將工作面煤矸運輸至轉(zhuǎn)載機,通過破碎機粉碎加工后轉(zhuǎn)載至皮帶輸送機,進而通過工作面皮帶將煤矸運輸至盤區(qū)皮帶,最后輸送至洗煤廠洗選[1-2]。這些看似簡單的流程,其實每個環(huán)節(jié)都容易產(chǎn)生各種各樣的機電事故,影響煤流系統(tǒng)正常工作和礦井安全生產(chǎn)[3]。目前部分煤礦運輸系統(tǒng)均為滿速運行,無法根據(jù)實際負載調(diào)節(jié)電機速度,缺少有效的檢測手段,需要人工目視判斷,無法形成集中自動化控制,不便于礦井生產(chǎn)輸送能力的調(diào)度[4-5]。本文將針對某礦綜放面煤流運輸系統(tǒng),設(shè)計一種雙集控云臺監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對皮帶運輸機與刮板輸送機的統(tǒng)一監(jiān)控。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案研究與設(shè)計

1.1 工作面煤流系統(tǒng)工況分析

以同忻礦為例,在采煤過程中,煤流系統(tǒng)的前刮板機與后刮板機輸送出的大塊煤矸易對自身的鏈條、刮板、鏈輪、鏈輪舌板等造成影響,且大塊煤矸通過破碎機時極易破壞破碎機錘頭及機架,此外大塊煤矸由轉(zhuǎn)載機落下時會對皮帶表面造成損傷,同時會堵塞各皮帶落煤筒倉,釀成更大的事故[6-7]。當各綜采隊及機掘隊共用盤區(qū)皮帶時,如果控制不好煤流量,則當流量過大時,會出現(xiàn)皮帶過載保護啟動,壓住盤區(qū)皮帶,無法正常運輸;而當流量較小時,設(shè)備達不到額定運轉(zhuǎn),導致設(shè)備無功消耗[8-10]。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

針對上述問題,綜放面全煤流雙集控云臺監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能包括:

1)故障監(jiān)測功能。根據(jù)速度、電流等傳感器,實時監(jiān)測刮板輸送機與皮帶運輸機的工況參數(shù),保障煤流運輸系統(tǒng)安全運行。

2)煤量檢測功能。利用傳感器技術(shù),采集皮帶運輸機上的煤量參數(shù),通過計算得到皮帶上的總煤量。

3)設(shè)備調(diào)速功能。根據(jù)傳感器檢測到的速度信號與煤流參數(shù),實時調(diào)節(jié)皮帶運輸機輸出功率,避免無功消耗。

4)視頻監(jiān)控功能。構(gòu)筑皮帶巷沿線攝像頭監(jiān)控、帶式輸送機沿線重要部位攝像頭監(jiān)控、皮帶頭筒倉內(nèi)攝像頭監(jiān)控,同時可以監(jiān)控其他隊組以及各盤區(qū)出煤流量的變化,及時和工作面協(xié)調(diào)情況。

5)語音通話功能。前刮板輸送機看護人員,使用4G防爆電話及時與生產(chǎn)班組放煤工以及采煤機司機溝通,告知其煤流量情況,保證運輸設(shè)備正常工作。

6)信息傳輸功能。通過串口通信及以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?將煤流系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)匯總在地面值班顯示器以及井下集中操作臺,同時監(jiān)控,為工作面設(shè)備運轉(zhuǎn),提供雙重保障,將整個生產(chǎn)工作集中呈現(xiàn)出來。

1.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)集數(shù)據(jù)分析、視頻通話、管理監(jiān)控為一體,如圖1所示,系統(tǒng)可分為井上部分與井下部分。井上由地面調(diào)度室與聲光報警器等設(shè)備組成,采用大型數(shù)據(jù)庫為核心,以交互式軟件為基礎(chǔ),通過以太網(wǎng)與遠程監(jiān)控端和井下監(jiān)控機進行信號傳輸與通訊。井下部分包括監(jiān)控分站、通訊廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、皮帶運輸機系統(tǒng)和刮板輸送機系統(tǒng)。皮帶運輸機系統(tǒng)中的溫度與電流傳感器用來采集電機的溫度和電流信號;超聲波傳感器采集目標區(qū)域內(nèi)煤料的高度;速度傳感器檢測皮帶的運行速度;張力傳感器采集皮帶的張力信號,用于故障診斷。刮板輸送機系統(tǒng)中的電流與溫度傳感器采集電機的溫度和電流信號;速度傳感器檢測刮板機的運輸速度,用于運輸系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案Fig.1 Monitoring system overall plan

監(jiān)控分站控制器選用PLC控制器,實現(xiàn)對皮帶運輸機與刮板輸送機故障信息的處理功能與自動調(diào)速功能。皮帶運輸機系統(tǒng)安裝有超聲波傳感器,通過單片機處理后可得到皮帶運輸煤量。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件分析設(shè)計

2.1 分站控制器及上位機選型

根據(jù)系統(tǒng)功能要求及工作環(huán)境,系統(tǒng)分站控制器選用S7-400CPU處理器,實現(xiàn)煤料運輸?shù)淖詣涌刂婆c監(jiān)視管理功能。上位機采用DELL工作站,利用WinCC組態(tài)人機交互軟件,運行監(jiān)控系統(tǒng)界面,實現(xiàn)上位機與控制器的數(shù)據(jù)交換、歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢、數(shù)據(jù)處理及圖表顯示等功能。該控制器與上位機系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性,可適應井下惡劣環(huán)境,長時間可靠運行。

2.2 煤流檢測裝置硬件選型

煤流檢測裝置包括處理器單元、超聲波傳感器、速度傳感器及電源。其中超聲波傳感器用于采集目標區(qū)域內(nèi)煤料的高度;速度傳感器用于檢測皮帶的運行速度,通過信號轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳輸給分站控制器。

超聲波傳感器采用GUC2探頭,結(jié)構(gòu)簡單,便于焊裝。速度傳感器基于霍爾原理,由32只磁鋼和霍爾探頭組成,均勻安裝于皮帶運輸機滾筒。當滾筒轉(zhuǎn)動時,計算霍爾探頭檢測到磁鋼產(chǎn)生的脈沖次數(shù),即可得到皮帶運輸速度。

2.3 煤流檢測裝置算法實現(xiàn)

系統(tǒng)采用超聲波煤流檢測法,在皮帶上方定點布置超聲波傳感器,設(shè)定傳感器采樣頻率,計算每一采樣點的煤量,再根據(jù)皮帶長度與運輸速度計算出皮帶總煤量。

超聲波傳感器測量原理如圖2所示。采樣點內(nèi)煤面的最高點高度為h,根據(jù)皮帶寬度b1,底部托輥長度b2,托輥夾角α,可推算出采樣點截面積S計算公式(1).

(1)

煤流量Q的計算公式如下:

Q=S×v×ρ

(2)

式中：v為皮帶運行速度,m/s;ρ為煤料密度,t/m3。

圖2 超聲波傳感器測量原理Fig.2 Ultrasonic sensor measurement principle

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主程序流程圖,如圖3所示。系統(tǒng)初始化后,通過人機交互界面可對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置,同時開始數(shù)據(jù)傳輸與通訊服務。系統(tǒng)檢測煤流狀態(tài),根據(jù)不同狀態(tài)順序啟動運輸設(shè)備,如皮帶空載時,依次啟動盤區(qū)皮帶、工作面皮帶、破碎機、前刮板輸送機、后刮板輸送機。運輸機自動調(diào)速程序,在運行前設(shè)置好調(diào)速范圍與參數(shù)限值,運行過程中根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù),計算得到煤流狀體,得出當前時刻合適的功率與速度,與當前功率和速度比較,通過變頻器進行緩慢調(diào)節(jié)。系統(tǒng)利用各工況參數(shù)傳感器監(jiān)測各設(shè)備運行狀況,同時工作人員可通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行直觀判斷。在系統(tǒng)準備停機時,可分為正常停機與緊急停機。緊急停機時,系統(tǒng)向所有設(shè)備發(fā)出停車指令,設(shè)備立即停止;正常停機時,各設(shè)備按照運輸順序延時停車,保證在停車后,將設(shè)備上的煤料全部運輸入煤倉。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.3 Workflow diagram of monitoring system software

4 應用效果分析

監(jiān)控系統(tǒng)應用于同忻礦8305工作面以來,受到廣大員工的一致認可,為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟效益與社會效益。表1為監(jiān)控系統(tǒng)的煤流傳感器計算數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)對比,由表中數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)計算結(jié)果與實際數(shù)據(jù)誤差較小。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)煤流傳感器計算數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)匯總表Table 1 Calculation data and actual data from coal flow sensor in monitoring system

從經(jīng)濟效益方面來看,該裝置應用后,生產(chǎn)班每班節(jié)省工種3名,按300元/人,1天2班計算,一天節(jié)省1 800元,全礦每年約節(jié)資200萬元。根據(jù)8305工作面運輸系統(tǒng)的實際狀況,運輸設(shè)備整機額定功率為1 500 kW,按每工作日16 h的生產(chǎn)時間,一年300個工作日計,當系統(tǒng)不進行自動調(diào)速控制時,按照額定功率計算,8305工作面耗電量約為720萬kW·h,按照市場商用電價每度0.8元計算,全年電費57.6萬元。當系統(tǒng)進行自動調(diào)速控制時,2019年實際8305工作面用電量為430萬kW·h,理論節(jié)電率n=430/720≈60%,節(jié)約電費約23萬元,具有較好的節(jié)能性。綜上所述,系統(tǒng)應用后一年為全礦帶來的總經(jīng)濟效益為223萬元左右。

從社會效益方面來看,該裝置的應用不僅減少了壓后溜、堵轉(zhuǎn)載機、壓皮帶、煤流過載等事故發(fā)生的概率,同時也保證了操作人員的安全,保護了設(shè)備的安全高效運轉(zhuǎn),社會效益良好。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種智能綜放面全煤流雙集控云臺監(jiān)控系統(tǒng),通過煤流檢測裝置與視頻監(jiān)控等輔助手段,實現(xiàn)了工作面煤流運輸狀態(tài)與設(shè)備工況的實時監(jiān)測,并通過PLC控制器自動調(diào)控皮帶運輸機的運行速度。監(jiān)控系統(tǒng)的應用,不僅節(jié)省了人力成本,而且提高了生產(chǎn)運輸效率,減少了頻繁啟停設(shè)備對設(shè)備帶來的沖擊與破壞,對類似條件下的工作面提供了很好的借鑒。然而,目前的系統(tǒng)仍存在部分裝置不夠人性化的問題,如前溜頭的風比較冷,不利于操作工身體健康等,這些問題將是下一階段研究的重點。