煤礦帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

王 瑜，王溫棟

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

隨著人們生活水平的不斷提高，資源消耗量不斷增加，煤炭需求量不斷增大，煤炭掘進(jìn)工作越來越繁重[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，全國煤炭產(chǎn)量達(dá)到了40億t左右，對煤礦的消耗及依賴程度也相對更大，與其他能源相比，煤礦資源占據(jù)了重要地位。帶式輸送機(jī)作為煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵輸送設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性直接關(guān)系井下作業(yè)人員的安全及煤炭企業(yè)的產(chǎn)能，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的關(guān)注[2]。今年來，智能制造技術(shù)發(fā)展迅速，為煤炭帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的改造升級提供了重要的技術(shù)支持[3]。針對某煤礦企業(yè)帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率低、安全性能差、電能損耗嚴(yán)重的問題，開展礦用帶式輸送機(jī)上智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，并對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，此系統(tǒng)的應(yīng)用提高了設(shè)備的智能化程度，對于提高煤礦企業(yè)的安全性、產(chǎn)能和效率等具有重要的意義。

1 現(xiàn)有控制系統(tǒng)現(xiàn)在分析

帶式輸送機(jī)作為煤炭掘進(jìn)工作的重要輸送設(shè)備，逐漸向多元化發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣，具有連續(xù)輸送、自動控制、載重量大等優(yōu)點(diǎn)。國外的帶式輸送機(jī)在技術(shù)上越來越先進(jìn)，尤其是先進(jìn)的控制技術(shù)，運(yùn)行可靠性很好。

國內(nèi)的帶式輸送機(jī)在自動化控制方面也取得了較好的發(fā)展，較多的自動化控制方式及遠(yuǎn)程控制方式被應(yīng)用到煤礦的發(fā)展中。但在實(shí)際運(yùn)行中存在較多問題，主要有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：①帶式輸送機(jī)中雖升級設(shè)計(jì)了自動化控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)的控制功能較為單一，部分只能實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的自動化啟動控制，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)較大外界載荷沖擊、超大功率運(yùn)行、膠帶磨損發(fā)熱等異常現(xiàn)象時(shí)，大部分設(shè)備上的控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的自動化報(bào)警及保護(hù)設(shè)置[4]；②設(shè)備運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，控制系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)對設(shè)備的振動情況進(jìn)行檢測，一旦振動劇烈，將使得設(shè)備無法正常運(yùn)行；③設(shè)備中的控制系統(tǒng)一般只采用了以太網(wǎng)進(jìn)行通信，通信網(wǎng)絡(luò)單一，信號的速度也相對較慢，在信號傳輸過程中也極容易受到外部信號的干擾，嚴(yán)重影響著設(shè)備的運(yùn)行效果及控制精度[5]；④當(dāng)前控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力相對較差，配置較低，控制中心存在運(yùn)行速度較慢、信息處理量較低等問題，針對當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行時(shí)的較多檢測信號，處理器已無法滿足較大數(shù)據(jù)量的處理能力[6]。綜上分析，為了縮小國內(nèi)帶式輸送機(jī)與國外相同產(chǎn)品的差距，提高帶式輸送機(jī)的整體控制性能及精度，有必要開展帶式輸送機(jī)智能化控制系統(tǒng)的升級設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。

2 控制系統(tǒng)方案

基于某煤炭企業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，完成了安全、高效、節(jié)能控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，如圖1所示。由圖1可以看出，控制系統(tǒng)方案的主要模式為上位機(jī)、控制主站、控制分站相結(jié)合，采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井下各個(gè)帶式輸送機(jī)的互通互聯(lián)。控制系統(tǒng)中涉及地面集控室、傳輸網(wǎng)絡(luò)、控制裝置等，關(guān)鍵位置配置視頻監(jiān)控，設(shè)置帶式輸送機(jī)的安全閉鎖啟停功能[7]。上位機(jī)設(shè)計(jì)在地面集控中心，以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)井下帶式輸送機(jī)的集中監(jiān)視與遠(yuǎn)程控制。為了保證控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，對井下分站的電器元件提出了更高的要求，均采用礦用隔爆兼本安型元器件(包括可編程控制器等)，配合相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的控制[8]。通過數(shù)據(jù)傳輸控制各個(gè)分站之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)各個(gè)帶式輸送機(jī)之間按煤流方向閉鎖運(yùn)行。整個(gè)控制方案屬于開放體系結(jié)構(gòu)，具有很好的可擴(kuò)展性，便于維護(hù)維修等后續(xù)工作的開展。

圖1 控制系統(tǒng)方案Fig.1 Control system scheme

3 硬件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要工作是完成井下控制分站及各個(gè)監(jiān)測傳感器的選型工作，以實(shí)現(xiàn)井下帶式輸送機(jī)的集中監(jiān)視與遠(yuǎn)程控制目的。

3.1 PLC控制器匹配設(shè)計(jì)

依據(jù)煤礦井下帶式輸送機(jī)工作情況，確定了井下PLC控制器的型號。此處選擇SIMATIC S7系列的PLC控制器。控制系統(tǒng)涉及9個(gè)PLC控制器，水平主膠帶帶式輸送機(jī)采用S7-300 PLC系列控制器，其余的均使用S7-200 PLC系列控制器[9]。S7-300 PLC 控制器實(shí)物如圖2所示。

圖2 S7-300 PLC 控制器實(shí)物Fig.2 Physical drawing of S7-300 PLC controller

S7-300 PLC系列控制器應(yīng)用較多，得到了各界的廣泛認(rèn)可，充分體現(xiàn)了控制器結(jié)構(gòu)緊湊、模塊無插槽等模塊化設(shè)計(jì)思想，配置了數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的CPU模塊，足以滿足煤礦井下帶式輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。與此同時(shí)，S7-300 PLC系列控制器具有運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)、兼容性好等優(yōu)勢，能夠很好地適應(yīng)井下帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)惡劣的服役環(huán)境，保證控制系統(tǒng)的安全可靠工作。

3.2 井下控制分站設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)煤礦井下帶式輸送機(jī)連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)的要求，實(shí)現(xiàn)地面集中控制井下帶式輸送機(jī)的目的，需要對主站和分站進(jìn)行功能劃分?？刂葡到y(tǒng)中的主站用于接收、處理和協(xié)調(diào)來自井下各個(gè)分站的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理之后傳輸至地面集控中心的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，供監(jiān)控人員及時(shí)掌握井下帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。井下各個(gè)帶式輸送機(jī)的控制分站均具備各自獨(dú)立控制功能，經(jīng)控制分站發(fā)出控制指令即可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)數(shù)據(jù)的采集與控制等功能[10]。綜合保護(hù)用的各類傳感器，主要的作用是實(shí)時(shí)采集井下帶式輸送機(jī)工作環(huán)境設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如運(yùn)行電流、電壓、載荷質(zhì)量、速度、振動、溫度、煙霧、跑偏等。具體的井下控制分站結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制分站結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Structural composition of control substation

3.3 關(guān)鍵傳感器選型設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)涉及的監(jiān)測參數(shù)包括：煤倉倉位、輸送帶速、驅(qū)動裝置振動、帶式輸送機(jī)運(yùn)行溫度、輸送帶張力、煙霧濃度、跑偏量等，需要根據(jù)上述檢測要求選擇合適的傳感器[11]。其中用于煤倉倉位檢測的料位傳感器型號為GUL70，輸送帶旋轉(zhuǎn)速度傳感器型號為GSG-5，振動傳感器型號為GDB20，帶式輸送機(jī)用溫度傳感器型號為GWP200，張力傳感器型號為GAD200，煙霧傳感器型號為GQQ5，跑偏傳感器型號為GEJ35/45。其中，GWP200型溫度監(jiān)測儀實(shí)物如圖4所示。上述各種傳感器選擇是控制系統(tǒng)獲取帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)，滿足帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)采集的要求，確?？刂葡到y(tǒng)能夠及時(shí)獲取輸送帶的運(yùn)行參數(shù)實(shí)際值，通過數(shù)據(jù)分析處理發(fā)出正確的控制指令，實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的智能控制。

圖4 GWP200型溫度監(jiān)測儀實(shí)物Fig.4 Physical drawing of GWP200 temperature monitor

3.4 視頻監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

由于井下環(huán)境惡劣，為進(jìn)一步提升帶式輸送機(jī)的智能化程度，在該控制系統(tǒng)中增設(shè)了一套視頻監(jiān)控模塊，通過此模塊，操作人員可在控制室中對設(shè)備進(jìn)行自動化遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及異常情況。此模塊采用了市場上成熟的KBA116A型防爆攝像儀作為監(jiān)控設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)體積小、質(zhì)量小、防潮等特點(diǎn)。在該模塊中，設(shè)置了異常情況識別報(bào)警功能，通過此功能，可實(shí)現(xiàn)對膠帶上煤石、錨桿等雜物進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有卡阻現(xiàn)象時(shí)，能及時(shí)發(fā)出停車信號，防止設(shè)備發(fā)生堵倉、堆煤現(xiàn)象[12]。同時(shí)，設(shè)置了煤料堆積監(jiān)測功能，當(dāng)監(jiān)測到膠帶上的堆積物超過一定量且超過設(shè)置的實(shí)際后，將會給控制系統(tǒng)的上機(jī)位系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警停車指令；另外，也設(shè)置了圖形聯(lián)動功能，能將系統(tǒng)發(fā)生的異常故障現(xiàn)象傳輸至上機(jī)位系統(tǒng)中，操作人員將根據(jù)故障信息采取相應(yīng)的故障處理操作，待故障解除后，控制系統(tǒng)將發(fā)出恢復(fù)命令，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行主程序采用的是PLC編程語言完成，是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。由圖5可以看出，控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)PLC的主要功能包括系統(tǒng)的初始化、故障的自診斷、主控制程序的運(yùn)行等，以便實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)井下帶式輸送機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制?？刂葡到y(tǒng)主控制程序包含多個(gè)子程序，如輸入信號處理子程序、控制模式選擇子程序、啟動控制子程序、速度控制子程序、故障保護(hù)控制子程序等。主程序主要負(fù)責(zé)調(diào)用各個(gè)子程序順序運(yùn)行，保證控制系統(tǒng)能夠及時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集并傳輸至井上集控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；與此同時(shí)，監(jiān)控人員也可以根據(jù)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)測值發(fā)出參數(shù)調(diào)整與控制指令，實(shí)現(xiàn)井下帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能。

圖5 控制系統(tǒng)主控制流程Fig.5 Main control flow chart of control system

4.2 軟啟動控制程序設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)由于運(yùn)行時(shí)受到較大的外界載荷，啟動瞬間由于膠帶上承載著較多重力，導(dǎo)致設(shè)備啟動時(shí)將受到較大沖擊作用。因此，在整套控制系統(tǒng)中，對設(shè)備的啟動環(huán)節(jié)進(jìn)行了軟啟動保護(hù)程序設(shè)計(jì)，以此來保護(hù)設(shè)備中電機(jī)不被燒壞，延長設(shè)備使用壽命。在該程序控制中，首先啟動控制指令，在完成預(yù)警保護(hù)功能自檢、制動閥自檢、膠帶張力自檢等運(yùn)行正常后，啟動系統(tǒng)中的變頻器程序，通過控制電機(jī)中的運(yùn)行頻率，使電機(jī)按照S型進(jìn)行曲線啟動控制，當(dāng)檢測到膠帶的運(yùn)行速度達(dá)到額定速度時(shí)，可停止整個(gè)控制程序，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電機(jī)啟動過程的實(shí)時(shí)保護(hù)，同時(shí)也大大降低了設(shè)備啟動瞬間的能源消耗。系統(tǒng)軟啟動控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟啟動控制流程Fig.6 System soft start control flow chart

4.3 速度控制程序設(shè)計(jì)

速度控制程序設(shè)計(jì)的依據(jù)為井下帶式輸送機(jī)工作的節(jié)拍，將帶式輸送機(jī)載荷不均勻性考慮進(jìn)去，將其劃分為若干載荷區(qū)間，對各個(gè)區(qū)間設(shè)置對應(yīng)的輸送帶轉(zhuǎn)速。基于上述控制原理設(shè)計(jì)的速度控制流程如圖7所示。

圖7 速度控制流程Fig.7 Speed control flow chart

工作時(shí)先采集輸送帶載重量，依據(jù)系統(tǒng)采集得到的載重量確定其落入的重量區(qū)間，通過數(shù)據(jù)分析確定匹配的輸送帶速度。帶速確定之后速度動態(tài)控制模型采集驅(qū)動電機(jī)的電流，采用多電機(jī)功率平衡策略判斷驅(qū)動電機(jī)的功率是否達(dá)到平衡狀態(tài)，當(dāng)帶式輸送機(jī)依據(jù)上述速度控制流程使帶速與運(yùn)量達(dá)到動態(tài)契合時(shí)控制系統(tǒng)結(jié)束工作。

4.4 綜合保護(hù)系統(tǒng)

輸送帶綜合保護(hù)系統(tǒng)如圖8所示，主要功能是確保整個(gè)控制系統(tǒng)安全可靠工作，實(shí)現(xiàn)井下輸送帶的實(shí)時(shí)監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制。輸送帶運(yùn)行過程中出現(xiàn)過流、過壓、速度偏離、煙霧、跑偏等問題時(shí)，PLC控制器能夠根據(jù)傳感器信號發(fā)出故障告警，嚴(yán)重的情況會自動停車。綜合保護(hù)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，由上位機(jī)進(jìn)行輸送帶實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的采集，采集得到的電壓數(shù)值超限時(shí)發(fā)出過壓報(bào)警信號、采集得到的電流數(shù)值超限時(shí)發(fā)出過流報(bào)警信號、采集得到的煙霧濃度數(shù)值超限時(shí)發(fā)出煙霧報(bào)警信號，采集得到的溫度數(shù)值超限時(shí)發(fā)出過溫報(bào)警信號，與此同時(shí)，啟動灑水裝置進(jìn)行降溫處理、采集得到的數(shù)據(jù)顯示輸送帶存在撕裂故障時(shí)發(fā)出撕裂報(bào)警信號、采集得到的膠帶堆煤量數(shù)值超限時(shí)發(fā)出堆煤報(bào)警信號、采集得到的輸送機(jī)膠帶運(yùn)行出現(xiàn)跑偏時(shí)，如果出現(xiàn)的是一級跑偏，則系統(tǒng)發(fā)出跑偏報(bào)警信號，若進(jìn)一步演變成二級跑偏情況，則直接進(jìn)行停機(jī)保護(hù)，除此之外，其他報(bào)警信號發(fā)出時(shí)系統(tǒng)均會進(jìn)行停機(jī)保護(hù)，綜合系統(tǒng)工作結(jié)束。

圖8 綜合保護(hù)系統(tǒng)流程Fig.8 Flow chart of integrated protection system

4.5 上位機(jī)系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)軟件開發(fā)基于iFIX開發(fā)平臺完成，上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要涉及系統(tǒng)管理模塊、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)分析模塊等3部分，上述模塊之間相互關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)共享，是一個(gè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體。系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置設(shè)置與權(quán)限管理功能，包括系統(tǒng)需要采集的參數(shù)信號，監(jiān)控人員的登錄、查看等權(quán)限的設(shè)置等；人機(jī)交互界面主要包括監(jiān)控主界面、故障彈窗、登錄記錄查詢、開停記錄查詢、故障記錄查詢、歷史曲線查詢等模塊，具備帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、故障顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能；數(shù)據(jù)分析模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫操作和報(bào)表的輸出打印，如數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)的類型、數(shù)據(jù)庫內(nèi)存的大小、數(shù)據(jù)報(bào)表的打印等。

圖9 上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.9 Upper computer system structure

5 應(yīng)用效果評價(jià)

基于某煤礦帶式輸送機(jī)對應(yīng)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)的需求，完成了設(shè)備中控制系統(tǒng)總體方案、硬件、軟件的設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性和效果，將其應(yīng)用于服役中的帶式輸送機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，并跟蹤記錄系統(tǒng)運(yùn)行效果。結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了井下帶式輸送機(jī)集中控制與遠(yuǎn)程控制功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)的投入使用，提高了帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，速度調(diào)節(jié)功能的引入，減少了帶式輸送機(jī)近12%的能源消耗，設(shè)備啟動過程相對平衡，整個(gè)過程可通過遠(yuǎn)程方式進(jìn)行設(shè)備啟動控制，節(jié)約了2～3名帶式輸送機(jī)運(yùn)維人員，降低了煤炭掘進(jìn)的成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100萬元/a，取得了較好的應(yīng)用效果。

6 結(jié)論

帶式輸送機(jī)作為煤炭企業(yè)必不可少的輸送設(shè)備，其工作的安全性和效率直接關(guān)系煤炭企業(yè)的產(chǎn)能和效率，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注。針對某煤礦企業(yè)帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率低、安全性能差、電能損耗嚴(yán)重的問題，開展了智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，結(jié)果表明，系統(tǒng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了井下帶式輸送機(jī)集中控制與遠(yuǎn)程控制功能。應(yīng)用該控制系統(tǒng)之后減少了帶式輸送機(jī)近12%的能源消耗，減少了帶式輸送機(jī)的運(yùn)維人員，降低了煤炭掘進(jìn)的成本，為煤炭企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。此研究也對提升設(shè)備的智能化程度具有重要意義。