選煤廠輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 凡

（山西焦煤西山煤電官地選煤廠，山西 太原 030024）

輸送機(jī)是選煤廠生產(chǎn)工藝中的核心設(shè)備之一，混煤、塊煤、原煤等物料都需經(jīng)輸送機(jī)傳送。 選煤廠用輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝載條件下的連續(xù)運(yùn)輸。 小功率輸送機(jī)集滾筒、電機(jī)、減速機(jī)為一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便；大功率輸送機(jī)集鼠籠電動(dòng)機(jī)、減速器、推桿制動(dòng)為一體，采用降壓?jiǎn)?dòng)、變頻啟動(dòng)模式[1-2]。

隨著選煤廠智能化建設(shè)的不斷推進(jìn)，輸送機(jī)長(zhǎng)度、運(yùn)輸負(fù)載的不斷增加，對(duì)輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)的智能化以及運(yùn)行的穩(wěn)定性、連續(xù)性提出了更高的要求。 選煤廠輸送機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜且惡劣，導(dǎo)致故障發(fā)生率較高、運(yùn)行效率下降，制約了選煤廠穩(wěn)定、高效運(yùn)行。 針對(duì)上述情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)一系列的研究，如文獻(xiàn)[3]以西門子S7-1200 控制器為核心，設(shè)計(jì)了選煤廠帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)，其核心組成包括傳感器、電動(dòng)機(jī)、變頻器以及上位機(jī)等，提高了帶式輸送機(jī)的智能化水平以及運(yùn)輸能力。 文章針對(duì)選煤廠現(xiàn)有輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)存在的實(shí)時(shí)性差、故障率高的問(wèn)題，優(yōu)化電氣控制系統(tǒng)并設(shè)計(jì)故障檢測(cè)分析平臺(tái)，提升輸送機(jī)的運(yùn)行效率。

1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

選煤廠輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示，輸送機(jī)采用變頻控制技術(shù)，采用“一拖一”控制模式，并安裝測(cè)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)帶速。 在上級(jí)輸送機(jī)安裝超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)輸送煤料的流量，并將流量數(shù)據(jù)傳送至流量監(jiān)測(cè)儀表，通過(guò)多端口轉(zhuǎn)發(fā)器傳送至上層控制系統(tǒng)。 選煤廠輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心為核心控制器，以CAN總線通訊模式控制1 號(hào)－n號(hào)變頻器并驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)按照煤料流量變頻調(diào)速[4]。核心控制器根據(jù)流量信息并經(jīng)變頻驅(qū)動(dòng)控制算法后實(shí)時(shí)控制變頻器的運(yùn)行頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)帶速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。 為保障輸送機(jī)連續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，在輸送機(jī)機(jī)身安裝撕裂、打滑、跑偏、煙霧等傳感器，并通過(guò)多端口轉(zhuǎn)發(fā)器傳送至核心控制器。

圖1 選煤廠輸送機(jī)電氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

選煤廠輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的核心控制器選用倍福的CX5020，該控制器支持TCP/IP通訊、CAN總線通訊、Modbus通訊并能夠完成多設(shè)備之間的組網(wǎng)，控制精度高，相應(yīng)時(shí)間短，滿足輸送機(jī)電氣控制要求。 超聲波傳感器選用的型號(hào)為UM30-2，通過(guò)超聲波檢測(cè)原理，實(shí)時(shí)獲取輸送機(jī)煤料流量并且具備背景抑制功能。 速度傳感器選用的型號(hào)為GSG8-10，通過(guò)光電原理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送機(jī)帶速，測(cè)速范圍為0～8 m/s，輸出為-10V～10V電壓信號(hào)，檢測(cè)精度高，實(shí)時(shí)性好[5-6]。 溫度傳感器選用熱電阻感溫型PT-100，檢測(cè)輸送機(jī)皮帶表面溫度，防止因摩擦溫度過(guò)高引起火災(zāi)等安全事故，測(cè)溫范圍為-200～500℃。 煙霧傳感器選用的型號(hào)為GQQ0.1，檢測(cè)輸送機(jī)皮帶是否產(chǎn)生煙霧，當(dāng)檢測(cè)到煙霧后，該傳感器的指示燈由長(zhǎng)亮變?yōu)殚W爍，同時(shí)故障指示燈長(zhǎng)亮并發(fā)出報(bào)警[7-8]。跑偏傳感器選用的型號(hào)為GEJ30，安裝在輸送機(jī)皮帶兩側(cè)，當(dāng)輸送機(jī)皮帶偏離角度大于22°時(shí)，發(fā)出聲光語(yǔ)音報(bào)警，當(dāng)偏離角度大于40°時(shí)，發(fā)出緊急停車指令，保證輸送機(jī)運(yùn)行安全。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

選煤廠輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2 所示，采用模塊化編程方案，根據(jù)選煤廠輸送機(jī)工藝要求，將輸送機(jī)電氣控制軟件系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，模塊之間通過(guò)接口函數(shù)完成數(shù)據(jù)傳送。 軟件系統(tǒng)采用ST與FB語(yǔ)言混合編程，詳細(xì)流程如圖2 所示。 選煤廠輸送機(jī)電氣系統(tǒng)硬件上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即對(duì)程序中定義的變量、數(shù)組、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行賦0 操作。 檢測(cè)輸送機(jī)設(shè)備是否正常，如果存在異常情況，如漏電、無(wú)法啟動(dòng)等則需報(bào)警，待異常處理后重新進(jìn)行系統(tǒng)初始化。 如果設(shè)備正常運(yùn)行，則通過(guò)安裝在輸送機(jī)機(jī)身的帶速傳感器、 流量傳感器實(shí)時(shí)獲取帶速以及流量信息并傳送至核心控制器。 在核心控制器中對(duì)獲取的流量、帶速與原設(shè)定的帶速、流量值進(jìn)行比較并通過(guò)算法計(jì)算出最優(yōu)帶速。 如果計(jì)算出的最優(yōu)帶速與反饋帶速一致，則對(duì)輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行帶速不作調(diào)整；如果計(jì)算出的最優(yōu)帶速與反饋帶速存在偏差，則利用二維模糊控制計(jì)算控制目標(biāo)電流、目標(biāo)電壓以及延時(shí)時(shí)間。 當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)后，將計(jì)算出的最優(yōu)帶速傳送至核心控制器，進(jìn)而調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率，使得輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行帶速與最優(yōu)帶速相等。

圖2 選煤廠輸送機(jī)電氣系統(tǒng)軟件流程

2 故障檢測(cè)分析

選煤廠輸送機(jī)故障檢測(cè)分析系統(tǒng)基于上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，核心控制器以CAN總線通訊模式將輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，進(jìn)行顯示。 選煤廠輸送機(jī)故障檢測(cè)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3 所示，包括系統(tǒng)管理、知識(shí)庫(kù)管理、故障診斷、數(shù)據(jù)庫(kù)管理以及診斷記錄查詢五部分。 系統(tǒng)管理模塊主要完成用戶數(shù)據(jù)信息的錄入，包括用戶姓名、 用戶密碼、用戶權(quán)限等。 知識(shí)庫(kù)管理模塊用于完成診斷規(guī)則的定義以及處理，包括擴(kuò)診斷規(guī)則的插入、修改以及刪除。 故障診斷模塊用于實(shí)現(xiàn)故障診斷樹(shù)的建立、FMECA診斷方案的實(shí)現(xiàn)以及一鍵診斷功能的實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊用于完成故障數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢、修改、添加以及刪除。 診斷記錄查詢模塊用于完成對(duì)所發(fā)生的診斷信息進(jìn)行存儲(chǔ)并完成歷史查詢功能。

圖3 選煤廠輸送機(jī)故障檢測(cè)分析系統(tǒng)

選煤廠輸送機(jī)故障檢測(cè)分析系統(tǒng)與核心控制器進(jìn)行CAN總線通訊后，將獲取的數(shù)據(jù)按照CAN總線通訊協(xié)議進(jìn)行拆包，并與本地定義的變量進(jìn)行一一映射，用本地定義變量完成數(shù)據(jù)顯示、動(dòng)畫顯示等。 當(dāng)輸送機(jī)電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，在上位機(jī)進(jìn)行聲光語(yǔ)音報(bào)警顯示，同時(shí)彈出故障窗口顯示發(fā)生的故障內(nèi)容。 當(dāng)設(shè)計(jì)人員或者檢修人員點(diǎn)擊該故障窗口后，彈出解決該故障的一般方法，可根據(jù)提示進(jìn)行操作，縮短輸送機(jī)的故障停機(jī)時(shí)間。 當(dāng)檢修人員按照故障提示操作后仍未解決該故障，則可申請(qǐng)技術(shù)支持。

3 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證優(yōu)化后的選煤廠輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)，在山西焦煤西山煤電官地選煤廠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。 核心控制器與變頻器、核心控制器與上位機(jī)間采用CAN總線通訊后，在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的情況下，降低了接線的復(fù)雜度，降低了故障發(fā)生率。對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行120 d的故障發(fā)生次數(shù)、平均故障解決時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的選煤廠輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)的故障發(fā)生率由原來(lái)的46%下降至12%，平均故障解決時(shí)間由原來(lái)的55 min降低至20 min，輸送機(jī)的工作效率得到顯著提高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理并建立故障檢測(cè)分析平臺(tái)，根據(jù)煤料流量以及實(shí)際運(yùn)行帶速，完成對(duì)輸送機(jī)帶速的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，降低空載、超載率，縮短故障停機(jī)時(shí)間，提高輸送機(jī)的工作效率，保證了輸送機(jī)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。