礦井井下多級(jí)串聯(lián)帶式輸送機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究

劉克松

(山西汾西工程建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

變頻控制技術(shù)具有節(jié)能、平穩(wěn)調(diào)速、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下采煤機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸設(shè)備以及排水設(shè)備等應(yīng)用逐漸增加，在一定程度上提升了機(jī)電設(shè)備綜合運(yùn)行效率以及可靠性[1-2]。隨著礦井采掘范圍增大，帶式輸送機(jī)鋪設(shè)距離以及運(yùn)輸量等均明顯增加，井下煤炭多采用帶式輸送機(jī)串聯(lián)、逆煤流啟動(dòng)方式運(yùn)輸[3-4]。受控制系統(tǒng)、設(shè)備功能以及現(xiàn)場(chǎng)管理技術(shù)等制約，帶式輸送機(jī)需要安排專人值守控制，并不同程度存在能耗高、運(yùn)行效率低等問(wèn)題[5-7]。為此，文中提出一種多級(jí)串聯(lián)帶式輸送機(jī)協(xié)同控制技術(shù)，通過(guò)煤流量監(jiān)測(cè)裝置、速度傳感器監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并使用PLC、變頻器、分級(jí)控制臺(tái)及主控制臺(tái)等控制帶式輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)協(xié)控制、高效節(jié)能運(yùn)行。

1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能360萬(wàn)t/a，現(xiàn)階段主要開采3號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，其中3503綜采工作面生產(chǎn)的3號(hào)煤層厚度均值3.6 m，原煤通過(guò)采面刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)，采面運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)、采區(qū)帶式輸送機(jī)、集中運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)以及主斜井帶式輸送機(jī)等搭接串聯(lián)運(yùn)輸，將原煤有采面運(yùn)輸至地面選煤廠。具體提出的帶式輸送機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)將主控制臺(tái)、分級(jí)控制臺(tái)、PLC、以及變頻器、電機(jī)等相結(jié)合，不僅可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)以及運(yùn)行安全保護(hù)，而且可實(shí)現(xiàn)多級(jí)帶式輸送機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)順煤流啟動(dòng)、運(yùn)行速度自動(dòng)調(diào)整等。

圖1 協(xié)調(diào)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中主控制臺(tái)用以監(jiān)測(cè)各級(jí)串聯(lián)帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)，分級(jí)控制臺(tái)用以監(jiān)測(cè)各臺(tái)帶式輸送機(jī)煤流量運(yùn)載情況并將相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)傳輸給主控制臺(tái)，PLC用以獲取各安全保護(hù)傳感器、速度傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)，并接收分級(jí)控制臺(tái)指令，通過(guò)調(diào)整變頻器輸出電流頻率對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)調(diào)整。

1.2 煤流量以及運(yùn)行速度監(jiān)測(cè)

現(xiàn)階段礦井常用煤流量監(jiān)測(cè)設(shè)備包括有電子稱、激光掃描儀等，均不同程度存在精度偏低、安裝不便等問(wèn)題。為此，文中提出采用超聲波傳感器對(duì)煤流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。超聲波傳感器通過(guò)分析輸送帶上煤炭反射的脈沖波信號(hào)實(shí)現(xiàn)煤流斷面監(jiān)測(cè)；速度監(jiān)測(cè)采用性能穩(wěn)定且可能性強(qiáng)的霍爾傳感器。通過(guò)超聲波傳感器對(duì)輸送帶上煤流斷面、輸送帶運(yùn)行速度即可得到帶式輸送機(jī)單位時(shí)間煤流量輸送量。煤流量以及輸送帶運(yùn)行速度均通過(guò)LED面板顯示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)超聲波傳感器、霍爾傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器檢測(cè)距離為5 m時(shí)煤流量監(jiān)測(cè)精度較高。為從，以5 m為標(biāo)準(zhǔn)將帶式輸送機(jī)劃分為若干段，并將每段煤流量信息自動(dòng)發(fā)送給分級(jí)控制臺(tái)處理分析。

2 協(xié)調(diào)控制策略

多級(jí)串聯(lián)帶式輸送機(jī)協(xié)同控制策略包括有順煤流啟動(dòng)控制以及帶式輸送機(jī)智能調(diào)速控制兩個(gè)部分。

2.1 順煤流控制

采用順煤流啟動(dòng)方式可有效避免傳統(tǒng)逆煤流啟動(dòng)存在的部分帶式輸送機(jī)空轉(zhuǎn)、能耗高等問(wèn)題。順煤流啟動(dòng)關(guān)鍵是確定好下一級(jí)帶式輸送機(jī)合理啟動(dòng)時(shí)間，具體帶式輸送機(jī)順煤流啟動(dòng)控制策略為：帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度統(tǒng)一設(shè)定為V，將n-1級(jí)帶式輸送機(jī)上煤流距離n級(jí)(下一級(jí)帶式輸送機(jī))距離為L(zhǎng)n-1時(shí)，n級(jí)帶式輸送機(jī)就應(yīng)啟動(dòng)運(yùn)行；具體Ln-1距離可通過(guò)公式計(jì)算：Ln-1=TnV+S安，其中Tn為n級(jí)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)耗時(shí)，S安為安全保護(hù)距離、取值10 m。

通過(guò)采取上述控制策略，即可避免帶式輸送機(jī)啟動(dòng)不及時(shí)引起的堆煤?jiǎn)栴}。

2.2 智能調(diào)速控制

智能調(diào)速采用PID模糊控制，以便實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效運(yùn)行。具體帶式輸送機(jī)智能調(diào)速控制策略如圖2所示，智能調(diào)速依據(jù)模糊控制算法實(shí)現(xiàn)。調(diào)速系統(tǒng)核心為模糊PID控制器，為避免帶式輸送機(jī)頻繁調(diào)速，具體采用階梯調(diào)速方式，將輸送機(jī)煤流劃分為若干區(qū)段，每個(gè)區(qū)段均對(duì)應(yīng)一運(yùn)速，煤流量大則運(yùn)行速度快，反之則運(yùn)輸速度低，在滿足井下原煤運(yùn)輸需求同時(shí)降低帶式輸送機(jī)能耗。

圖2 智能調(diào)速控制策略

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

將礦井3503綜采工作面原煤運(yùn)輸系統(tǒng)采用4臺(tái)帶式輸送機(jī)串聯(lián)搭接運(yùn)輸，運(yùn)輸系統(tǒng)功率達(dá)到6×1 250 kW，每天額定運(yùn)行20 h。對(duì)原煤運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制改造并按表1所示對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行智能調(diào)速控制。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，帶式輸送機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可平穩(wěn)運(yùn)行，期間未出現(xiàn)任何故障，同時(shí)帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中未出現(xiàn)堆煤?jiǎn)栴}，可滿足井下煤炭運(yùn)行需求；帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)順煤流啟動(dòng)較逆煤流啟動(dòng)耗時(shí)減少20 min以上；帶式輸送機(jī)可依據(jù)煤流量進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，具體3503綜采工作面運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示，帶式輸送機(jī)載荷中等，從而運(yùn)行速度整體處于中高速運(yùn)行階段，運(yùn)行能耗較低?？傮w來(lái)說(shuō)，井下帶式輸送機(jī)通過(guò)采用協(xié)同控制系統(tǒng)后，運(yùn)行能耗降幅達(dá)到15%，取得較好應(yīng)用成果。

表1 煤流量與運(yùn)行速度間匹配關(guān)系

圖3 運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 礦井井下原煤運(yùn)輸多采用帶式輸送機(jī)串聯(lián)搭接方式，并通過(guò)逆煤流啟動(dòng)滿足原煤運(yùn)輸需要。此種控制方式雖然可滿足原煤運(yùn)輸需要，但是不同程度存在能耗高、智能化程度低等問(wèn)題，同時(shí)隨著礦井運(yùn)輸系統(tǒng)布置長(zhǎng)度增加，能耗高問(wèn)題更為突出。為此，文中提出一種多級(jí)串聯(lián)帶式輸送機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)霍爾傳感器、超聲波傳感器對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)主控制臺(tái)、分控制臺(tái)、PLC及變頻器等組合實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)順煤流啟動(dòng)及運(yùn)行速度智能控制。

2) 依據(jù)礦井3503綜采工作面原煤運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)際情況，對(duì)協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成以及協(xié)同控制策略等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，該協(xié)同控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，不僅可實(shí)現(xiàn)多級(jí)串聯(lián)帶式輸送機(jī)順煤流啟動(dòng)而且可顯著降低設(shè)備運(yùn)行能耗；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中未出現(xiàn)順煤流啟動(dòng)常遇到的堆煤?jiǎn)栴}，取得較好的應(yīng)用成果。