煤礦快速裝車系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)應(yīng)用*

李琳蕓

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046031)

0 引 言

煤炭裝載與運(yùn)輸是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，隨著煤炭轉(zhuǎn)載與運(yùn)輸水平的不斷提升，人們的關(guān)注重心逐漸趨向于裝載效率、裝載過程的智能化、精細(xì)化以及安全性。而煤礦裝車過程中的超重、欠重、偏載、撒煤、行車冗余、監(jiān)視失效等問題極大阻礙了裝車效率和裝車質(zhì)量，成為制約煤炭銷售的關(guān)鍵問題。因此，研究高效、快速、精細(xì)化、智能化的煤礦裝車系統(tǒng)成為亟待解決的問題。目前，煤礦裝車控制系統(tǒng)關(guān)注的焦點(diǎn)為提升裝車速度、裝車精度以及裝車系統(tǒng)間的協(xié)同控制。如美國(guó)、澳大利亞、南非等公司相繼設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了首套用于煤礦的快速裝車系統(tǒng)，其使用效果良好，在保證煤礦裝車系統(tǒng)安全的前提下，提升了煤礦裝車效率[1-2]。有學(xué)者對(duì)25 t軸重的C80運(yùn)煤裝載系統(tǒng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析了該裝煤系統(tǒng)的時(shí)序控制并進(jìn)行仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的裝載系統(tǒng)滿足實(shí)際工況使用要求[3]。某煤礦企業(yè)設(shè)計(jì)裝車、稱重過程同步進(jìn)行的快速裝車系統(tǒng)，即邊稱重邊裝車或者預(yù)裝車后稱重，引入RBF、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制，提升稱重精度。

目前，煤礦快速裝車系統(tǒng)存在的問題主要有：①系統(tǒng)控制精度差，傳感器設(shè)備測(cè)量精度不足，控制系統(tǒng)對(duì)裝車過程中的突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)預(yù)案有限。同時(shí)，人工操作時(shí)完全依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，無法達(dá)到高精度裝車需求；②裝車系統(tǒng)中的儀器儀表落后、陳舊，無法保證裝車系統(tǒng)的安全性、可靠性；③控制模式落后，無法完成對(duì)裝車系統(tǒng)的自動(dòng)控制以及裝車過程中數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。結(jié)合以上問題，以煤礦用裝車系統(tǒng)為研究對(duì)象，以智能控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)為手段，通過對(duì)原快速裝車控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到裝車系統(tǒng)快速、連續(xù)、安全、穩(wěn)定、精確運(yùn)行的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足王莊煤業(yè)快速裝車系統(tǒng)需求，快速裝車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)為：①采用主、從控制技術(shù)，能夠快速、精確處理裝車系統(tǒng)控制單元，監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)，并對(duì)控制指令、監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)做出快速響應(yīng)；②優(yōu)化儲(chǔ)煤倉、定量倉、緩沖倉、帶式輸送機(jī)間的控制邏輯關(guān)系，完善協(xié)同控制流程；③實(shí)現(xiàn)快速裝車過程中的自動(dòng)控制、人工控制模式設(shè)定以及兩種控制模式間的無縫切換。

煤礦快速裝車系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案如圖1所示，分為控制單元設(shè)計(jì)、PLC主從控制單元設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)、監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)四部分。根據(jù)煤礦運(yùn)輸煤料流程中的給煤機(jī)→儲(chǔ)煤倉→緩沖倉→定量倉→裝車溜槽→待裝列車車廂的自動(dòng)控制過程，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控平臺(tái)上的一鍵啟?？刂?，實(shí)現(xiàn)列車裝煤過程中全程無人化/少人化裝煤[4]。以PLC主控控制為核心，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)煤倉、帶式輸送機(jī)、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽以及待裝列車的參數(shù)監(jiān)測(cè)以及控制信號(hào)的生成，如監(jiān)測(cè)此次同煤倉的溫度、CH4、CO、料位等參數(shù)，監(jiān)測(cè)待裝列車車廂的準(zhǔn)確位置、速度、車廂料位高度等參數(shù)，同時(shí)當(dāng)列車行進(jìn)至指定位置后，生成一個(gè)控制信號(hào)，傳送給裝車溜槽。應(yīng)用通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC控制器主站與PLC控制器分站的CAN通信設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PLC控制器主站與監(jiān)控平臺(tái)的CAN通信設(shè)計(jì)。

圖1 煤礦快速裝車系統(tǒng)控制方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

煤礦快速裝車系統(tǒng)硬件部分主要由給煤機(jī)、減速器、電動(dòng)機(jī)、控制器、傳感器、變頻器、監(jiān)控平臺(tái)以及開關(guān)按鈕等組成。選用的給煤機(jī)為往復(fù)式給煤機(jī)，由新鄉(xiāng)市中鑫機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為GZW-4(K4)，額定功率為30 kW，額定電壓為660/1 140 V，處理能力為800～1 200 t/h。配置的減速器為江蘇泰隆生產(chǎn)，型號(hào)為ZLY-250-IX-12.5，傳動(dòng)比為12.5，中心距為430 mm。配置的電動(dòng)機(jī)為臥龍電氣南陽防爆公司生產(chǎn)的隔爆型三相異步變頻電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YB3-250M-6，額定功率為37 kW，額定電壓為660/1 140 V，額定轉(zhuǎn)速為985 r/min。選用的主從控制器均為西門子315-2-DP S7-300型，與S7-200型控制器相比，西門子在響應(yīng)速度、處理能力、擴(kuò)展能力、組網(wǎng)能力等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，滿足快速裝車控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需求。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)快速裝車系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，需在裝車系統(tǒng)中安裝溫度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、稱重傳感器以及傾角傳感器等，其中稱重傳感器為核心設(shè)備，安裝于定量倉四角，選用的型號(hào)為CYB-606S，該稱重傳感器采用半浮動(dòng)方式，方便與定量倉相連，稱重精度可達(dá)±0.1%，量程范圍為0～300 kg～100 t，輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)。位移傳感器選用型號(hào)為GS471的滾珠軸承式數(shù)字傳感器，量程范圍為0～30 mm，分辨率可達(dá)10 μm。監(jiān)控平臺(tái)選用型號(hào)為西門子SM7090B型人機(jī)界面，該人機(jī)界面支持CAN、CANopen、Modbus以及TCP/IP等多種通信模式，具備RAM1 024 M以及SD卡超大空間存儲(chǔ)能力，滿足快速裝車系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。

煤礦快速裝車系統(tǒng)控制優(yōu)化方案采用PLC主從控制，詳細(xì)如圖2所示。PLC分站控制器控制給煤機(jī)和帶式輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)以變頻方式進(jìn)行控制。PLC主站控制器控制煤料由帶式輸送機(jī)輸送至緩沖倉后的過程，即煤料由緩沖倉到定量倉，達(dá)到裝車溜槽直至待裝列車車廂的過程。根據(jù)實(shí)際硬件要求，PLC控制器需要擴(kuò)展多個(gè)數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊以及CAN通信模塊。數(shù)字量輸入模塊主要負(fù)責(zé)接收設(shè)備運(yùn)行信號(hào)、電源信號(hào)、控制方式、限位開關(guān)等，數(shù)字量輸出模塊主要負(fù)責(zé)輸出給煤機(jī)控制信號(hào)、帶式輸送機(jī)控制信號(hào)、緩沖倉閘門控制信號(hào)、定量倉閘門控制信號(hào)以及裝車溜槽控制信號(hào)[5-6]。模擬量輸出模塊主要為儲(chǔ)煤倉、帶式輸送機(jī)皮帶、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽以及待裝列車的狀態(tài)、數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感器信號(hào)。另外，PLC主站控制器還負(fù)責(zé)與監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行CAN通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量裝車過程的可監(jiān)測(cè)、可監(jiān)控。

圖2 煤礦快速裝車系統(tǒng)控制方案硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)快速裝車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)主從控制器端口地址進(jìn)行分配，詳見表1所列，分別定義了給煤機(jī)、閘門電機(jī)、牽引電機(jī)的輸入信號(hào)、故障信號(hào)、輸出信號(hào)以及控制模式信號(hào)；定義了儲(chǔ)煤倉、緩沖倉、定量倉的溫度、料位、位移、重量、CH4、CO等模擬輸出信號(hào)；定義了待裝列車的位置、速度、物位信號(hào)等。根據(jù)主從控制器地址分配表，完成控制器與外部傳感器、按鈕等的電氣接線。

表1 煤礦快速裝車系統(tǒng)控制器端口地址分配

3 軟件設(shè)計(jì)

煤礦快速裝車系統(tǒng)控制軟件基于TIA portal軟件平臺(tái)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，采用ST語言進(jìn)行編寫，按照上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)方案分別編寫快速裝車系統(tǒng)的PLC主程序、自動(dòng)定量裝車程序、控制單元程序、監(jiān)測(cè)單元程序、互鎖程序、故障報(bào)警程序、CAN通信程序等。煤礦快速裝車系統(tǒng)控制方案軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示，分別對(duì)快速裝車系統(tǒng)的儲(chǔ)煤倉、帶式輸送機(jī)、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽等進(jìn)行邏輯控制和互鎖控制，保證快速裝車系統(tǒng)安全、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。煤礦快速裝車系統(tǒng)上電后，控制系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化和自檢過程，保證控制系統(tǒng)無故障和隱患。為及時(shí)、準(zhǔn)確裝車，控制系統(tǒng)還需獲取裝車參數(shù)，如車型、容量、節(jié)數(shù)等?？焖傺b車系統(tǒng)確認(rèn)裝車參數(shù)后，依次啟動(dòng)帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)向緩沖倉蓄煤，當(dāng)緩沖倉內(nèi)煤料料位達(dá)到設(shè)定高度后，依次停止給煤機(jī)、帶式輸送機(jī)。緩沖倉通過四級(jí)閘門控制向定量倉卸煤并在定量倉中完成煤料的精確稱重，當(dāng)待裝列車到達(dá)后，通過溜槽、定量倉二級(jí)閘門控制進(jìn)行快速、精準(zhǔn)裝車。

圖3 煤礦快速裝車系統(tǒng)控制方案軟件設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)概況

為驗(yàn)證優(yōu)化后的煤礦快速裝車控制系統(tǒng)的有效性和適用性，在山西潞安王莊煤業(yè)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。用于試驗(yàn)的煤礦快速裝車車型為C70，共66節(jié)，裝載容量為70 t。試驗(yàn)時(shí)間從2020年7月～2020年12月，裝車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 煤礦快速裝車試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)快速裝車系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，6個(gè)月的試驗(yàn)周期內(nèi)，該快速裝車系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)輸煤料738.942萬噸，累計(jì)裝載整列列車1 459列，平均裝載單列列車的時(shí)間為45 s/節(jié)，裝載整列列車的時(shí)間約為52～59 min，裝車精度控制在0%～0.41%之間，滿足煤礦快速裝車系統(tǒng)要求。

4.3 存在問題及解決措施

在對(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦快速裝車系統(tǒng)控制方案進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些問題，及時(shí)進(jìn)行記錄并商討解決方案，具體如下。

(1) 緩沖倉經(jīng)常性地發(fā)生煤料外溢，且煤料外溢后給煤機(jī)仍處于運(yùn)行狀態(tài)。原因主要是緩沖倉料位控制與給煤機(jī)之間未設(shè)計(jì)互鎖控制邏輯。解決方法是增加緩沖倉與給煤機(jī)之間的互鎖邏輯控制，即當(dāng)緩沖倉料位超過設(shè)定高度后，需停止給煤機(jī)運(yùn)行，待緩沖倉料位低于設(shè)定高度后，給煤機(jī)才可以重新啟動(dòng)。

(2) 定量倉稱重時(shí)的誤差較大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致定量倉煤料外溢。原因主要是定量倉四角稱重傳感器安裝存在問題，未找準(zhǔn)水平線。解決方法是找準(zhǔn)水平線，重新安裝四角稱重傳感器。

(3) 裝車溜槽的上下調(diào)整時(shí)機(jī)有誤，且調(diào)整的高度不準(zhǔn)確。原因主要是PLC監(jiān)測(cè)單元程序在對(duì)待裝列車車廂的光電傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，出現(xiàn)錯(cuò)誤處理，導(dǎo)致PLC監(jiān)測(cè)程序判斷的待裝列車車廂的位置不正確。另安裝在待裝列車車廂的超聲波物位計(jì)的接線有問題，導(dǎo)致超聲波物位計(jì)沒有輸出信號(hào)。解決方法是修改PLC監(jiān)測(cè)程序中對(duì)光電傳感器的處理流程。重新連接超聲波物位計(jì)的接線。

(4) 裝車系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)無法顯示。主要是因?yàn)镻LC主站控制器的CAN通信參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控平臺(tái)的CAN通信參數(shù)設(shè)置不一致。解決方法是注意查看PLC主站控制器的CAN通信參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控平臺(tái)的CAN通信參數(shù)設(shè)置。發(fā)現(xiàn)二者設(shè)置的波特率一個(gè)為115 200 bps，一個(gè)為9 600 bps。統(tǒng)一修改CAN通信波特率為9 600 bps。

(5) 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)緊急情況處理能力不足。應(yīng)該增加給煤機(jī)急停按鈕，增加帶式輸送機(jī)急停按鈕、增加緩沖倉閘門控制急停按鈕、增加定量倉閘門控制急停按鈕，并在監(jiān)控畫面中增加總急停按鈕。

5 結(jié) 語

以煤礦快速裝車系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了PLC主從控制快速裝車系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路以及軟硬件組成，基于控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)以及CAN總線通信技術(shù)對(duì)原裝車控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并完成試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)中存在并發(fā)現(xiàn)的問題給出相應(yīng)的解決方案，為煤礦快速裝車控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)提供參考。經(jīng)過在山西潞安王莊煤業(yè)的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦快速裝車系統(tǒng)控制優(yōu)化方案，以主從控制器為核心，以CAN總線通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)控制單元、監(jiān)測(cè)單元以及監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)控制。

(2)經(jīng)工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，該煤礦快速裝車系統(tǒng)可將裝車精度控制在0～0.41%之間，裝車時(shí)間縮短至52～59 min范圍內(nèi)，提升了煤礦裝車系統(tǒng)的工作效率。