煤礦主提升帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

王計(jì)瑋

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司， 山西 忻州 034100）

引言

隨著對(duì)煤炭資源需求量的不斷增大，煤炭掘進(jìn)工作量逐年增加，對(duì)煤炭掘進(jìn)裝置的可靠性要求越來(lái)越高[1]。帶式輸送機(jī)作為煤炭由井下運(yùn)至地面的關(guān)鍵設(shè)備，具有輸送量大、布置靈活等優(yōu)勢(shì)，得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-3]。隨著煤炭采煤深度越來(lái)越深，大輸送距離和運(yùn)量的帶式輸送機(jī)已成當(dāng)今煤炭行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)[4]。傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)落后，故障頻率較高，嚴(yán)重制約了煤炭行業(yè)的產(chǎn)量和效率[5]。PLC 作為近年來(lái)電控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)較為成熟的電控系統(tǒng)核心部件，由其搭建的控制系統(tǒng)可靠性高、性能穩(wěn)定，得到了各界的認(rèn)可[6]。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)帶式輸送機(jī)集控程度低、故障率高的問題，開展煤礦主提升帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作具有重要的意義。

1 帶式輸送機(jī)的構(gòu)成

帶式輸送機(jī)作為煤炭掘進(jìn)工作正常開展的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，其主要包括輸送帶、驅(qū)動(dòng)滾筒、托輥、轉(zhuǎn)向滾筒、張緊裝置等。帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)部件中驅(qū)動(dòng)滾筒的作用是帶動(dòng)輸送帶連續(xù)回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)煤炭輸送功能；托輥負(fù)責(zé)煤炭在輸送帶上的承重，避免出現(xiàn)煤炭塌陷灑落；張緊裝置作用是保持輸送帶具有足夠的張緊力，增大滾筒與輸送帶之間的摩擦力；改向滾筒置于輸送帶的尾部，是輸送帶回轉(zhuǎn)的起點(diǎn)。帶式輸送機(jī)各個(gè)組成部件聯(lián)合工作，協(xié)作完成煤炭井下至井上的運(yùn)輸工作。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，完成了某煤礦主提升帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，如圖2 所示。其中上位機(jī)組成涉及2 臺(tái)研華工控機(jī)、液晶顯示器、數(shù)字打印機(jī)等，滿足帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制的要求；控制核心PLC 選擇西門子S7-300 系列產(chǎn)品，具有工作穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)；保護(hù)部分主要配置各種傳感器元件，如跑偏傳感器、打滑傳感器、堆煤傳感器、煙霧傳感器等，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能；供配電部分涉及高壓配電和低壓配電兩部分，高壓配電系統(tǒng)為輸送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，低壓供電系統(tǒng)主要為控制系統(tǒng)供電，為了確保帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)工作的可靠性，須配置UPS 電源備用。

圖2 總體方案

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦主提升帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)選擇PLC 作為核心控件，為了提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，基于模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)PLC 控制系統(tǒng)劃分為PLC 主站、溫度分站及機(jī)尾分站。其中的PLC 主站的作用是控制帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)和停止、監(jiān)視驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)參數(shù)信息的采集等；溫度分站作用是監(jiān)視驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組溫度、電機(jī)主軸溫度等；機(jī)尾分站作用是根據(jù)給煤機(jī)的啟停狀態(tài)控制帶式輸送機(jī)的啟停。PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖如圖3 所示。

圖3 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖

3.1.2 綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦主提升帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中的綜合保護(hù)組成如圖4 所示，涉及帶式輸送機(jī)的啟?？刂?、跑偏、煙霧、撕裂等保護(hù)功能。跑偏傳感器工作過程中采集得到的跑偏量超過5%時(shí)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出報(bào)警，跑偏量超過10%時(shí)系統(tǒng)將會(huì)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行停機(jī)控制；測(cè)速裝置負(fù)責(zé)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的監(jiān)測(cè)，為控制系統(tǒng)提供斷帶信號(hào)；皮帶縱撕傳感器能夠及時(shí)檢測(cè)到撕裂現(xiàn)象并進(jìn)行自動(dòng)停車操作；溫度傳感器監(jiān)測(cè)主動(dòng)滾筒的表面溫度，超過限值自動(dòng)停車；煙霧傳感器的作用是監(jiān)測(cè)皮帶是否產(chǎn)生煙霧，控制帶式輸送機(jī)的啟停；堆煤傳感器監(jiān)視皮帶堆煤情況，出現(xiàn)堆煤即可停機(jī)；當(dāng)接收到煙霧、超溫等信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制灑水裝置進(jìn)行滅火等操作，并發(fā)出報(bào)警停機(jī)信號(hào)。

圖4 綜合保護(hù)系統(tǒng)組成

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件設(shè)計(jì)原理

煤礦主提升帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用的變頻電機(jī)，包括3 臺(tái)，其中1 臺(tái)為主驅(qū)動(dòng)，其余2 臺(tái)為備用驅(qū)動(dòng)。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻控制使用速度給定模式，配置PID 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻控制。

3.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

煤礦主提升帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制基于PID 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其控制原理如圖5 所示。由圖5 可以看出帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速平衡調(diào)節(jié)時(shí)的主要流程是對(duì)主變頻器設(shè)置速度數(shù)值，主變頻器能夠根據(jù)其中的PID 控制系統(tǒng)采集主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，對(duì)比分析速度設(shè)定值與實(shí)際速度數(shù)值，進(jìn)行閉環(huán)的反饋控制，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)保持在速度給定值范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理

3.2.3 系統(tǒng)功率平衡控制

帶式輸送機(jī)工作條件較為惡劣，如負(fù)載波動(dòng)、電壓不穩(wěn)等，均會(huì)使3 臺(tái)電機(jī)的功率不等，如果功率分布極度不均時(shí)極易出現(xiàn)電機(jī)燒毀的情況，因此必須嚴(yán)格控制帶式輸送機(jī)的3 臺(tái)電機(jī)功率，才能確保帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)基于PID 控制系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)啟停過程、運(yùn)行過程中的功率平衡控制系統(tǒng)，以便控制帶式輸送機(jī)各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行功率。

3.2.4 組態(tài)界面

煤礦主提升帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)界面設(shè)計(jì)采用了模塊化思路，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、控制系統(tǒng)模塊和用戶系統(tǒng)模塊，界面功能框圖如下頁(yè)圖6 所示。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集，實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示；顯示模塊負(fù)責(zé)帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等的實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示并顯示故障可能出現(xiàn)的位置；遠(yuǎn)程控制模塊負(fù)責(zé)帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程控制，便于監(jiān)控人員及時(shí)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)；用戶管理模塊負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的管理操作，如用戶配置、權(quán)限設(shè)置等。

圖6 系統(tǒng)組態(tài)功能框圖

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證煤礦主提升帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，將其應(yīng)用于某煤礦企業(yè)的帶式輸送機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。結(jié)果顯示，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制的要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，控制系統(tǒng)的投入使用，減少了帶式輸送機(jī)近12%故障停機(jī)時(shí)間，節(jié)省了2～3 名設(shè)備運(yùn)維人員，提升了帶式輸送機(jī)有效利用率，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近80 萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。