帶式輸送機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計及應用分析

袁 野

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000）

帶式輸送機以其大容量、長距離、高效率而成為目前礦井中最普遍的運輸工具。目前，由于變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應用，目前帶式輸送機主要由變頻器來實現(xiàn)，而大部分煤礦只把它當作軟起動的工具，并沒有真正地實現(xiàn)它的節(jié)能和降低能耗。近年來，煤礦在不斷的加強智能化建設(shè)，推動了帶式輸送機智能控制的發(fā)展。本文對山西某礦山3500運輸大巷采用皮帶輸送機的實際使用狀況進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在安全隱患、且工作效率不高等問題。本文以其作為研究對象，進行了智能控制的設(shè)計和應用，旨在為煤礦采煤作業(yè)的效率提升進行提供參考。

1 3500運輸大巷帶式輸送機控制系統(tǒng)分析

本文研究的智能控制系統(tǒng)應用于山西某煤礦中，該煤礦為現(xiàn)代化礦井，可實現(xiàn)500×104t/a的產(chǎn)能。該礦井可以開采的煤層有2#、3-1#、5#及11#等，目前正在采集的煤層為5#。該煤層厚度為6.27m，開采難度小。3500運輸大巷為3采區(qū)5#煤層主要運輸巷道，巷道設(shè)計長度為1887m，現(xiàn)階段巷道內(nèi)布置的帶式輸送機機長L=2032m、每小時可以實現(xiàn)1100t 的運量，輸送機傳送帶的寬度為1600mm、傳輸速度為5.6m/s，阻燃鋼絲繩芯輸送帶ST/56300。在輸送機機頭位置有2個滾筒，分別用額定電壓1140V，功率800kW 的電機驅(qū)動。帶式輸送機結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)示意圖

在煤礦運輸作業(yè)中，帶式輸送機是最核心的裝置。近年來，相關(guān)部門對煤炭安全生產(chǎn)提出了更高的要求，礦下的帶式輸送機普遍開始采用自動化控制，并加裝了監(jiān)控設(shè)備。但是由于井下工作環(huán)境復雜，輸送機需要在較長的區(qū)域內(nèi)布置，工作負載變化范圍大等特點，導致帶式輸送機的自動化控制及監(jiān)測難度較大，具體體現(xiàn)為：

（1）皮帶輸送機的自動控制裝置，只有一個功能，通常只用于皮帶輸送機的遙控，如果皮帶輸送機在運行中發(fā)生了超負荷運轉(zhuǎn)、外部沖擊、皮帶磨損等故障，自動化系統(tǒng)就不能實時了解現(xiàn)場的情況。在皮帶輸送機的工作中，如果發(fā)生了異常的振動和其它不正常的狀況，那么，自動控制系統(tǒng)就不能對現(xiàn)場的情況進行實時監(jiān)控。

（2）由于系統(tǒng)中使用的是以太網(wǎng)，其通信效率較低，通信形式單一，容易受到外界的干擾，對皮帶輸送機的操作和控制造成了不利的影響，處理數(shù)據(jù)的速度較慢，無法保證運行效率。

（3）無法實現(xiàn)對皮帶打滑的實時監(jiān)測且監(jiān)測精度較低。帶式輸送機裝置在工作時，由于傳動滾筒與傳動帶的摩擦而產(chǎn)生驅(qū)動力，在滾筒與膠帶間的接觸松動時，很容易造成膠帶的滑動。在使用過程中，由于皮帶的滑動，會引起局部的溫度上升，嚴重的話還會引起燃燒。目前，對帶式輸送機的滑動監(jiān)測存在精度低、監(jiān)測不及時等問題，無法對其進行溫度監(jiān)測，對其運行的安全性造成了一定的限制。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵模塊未能及時更新。目前礦井帶式輸送機的安全監(jiān)測模塊仍然沿用以前的功能模塊，但隨著使用年限的增長和監(jiān)測技術(shù)的不斷完善，原有的安全監(jiān)測模塊逐漸顯現(xiàn)出了一定的弊端，例如響應速度變慢、功能不夠完善、線路老化等問題，不能很好地滿足皮帶輸送機的安全監(jiān)測要求。長期使用監(jiān)測系統(tǒng)會造成故障誤報等錯誤，嚴重的還會造成皮帶輸送機的緊急停機，從而影響到皮帶輸送機的正常運轉(zhuǎn)。

（5）目前的監(jiān)控系統(tǒng)人機交互接口單一，監(jiān)測指標的顯示和故障預警等都有缺陷，主要的監(jiān)測指標不能完全顯示，只能在突發(fā)事件時進行報警。無法根據(jù)監(jiān)測到的故障的緊迫性和故障可能造成的危害來進行預警。

本文就目前煤礦生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進行了剖析，并指出了采用智能技術(shù)進行帶式輸送機的作業(yè)管理，從而提升煤礦開采運輸?shù)男屎桶踩浴?/p>

2 智能控制方案

結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際，給出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的皮帶輸送機智能化控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由上位機、控制分站、控制主機組成。系統(tǒng)中各個模塊間信息傳遞的方式為以太網(wǎng)。見圖2。

4.美國。美國的所得稅優(yōu)惠主要包括稅收抵免和稅額扣除兩個方面。在美國境內(nèi)發(fā)生的符合規(guī)定的研發(fā)費用可以享受不超過應納稅25%的稅收抵免，當年未抵扣完的部分可以追溯上一年并向后順延20年。為了促進中小企業(yè)發(fā)展，符合申請資格的小型企業(yè)可以向聯(lián)邦政府申請最高不超過25萬美元的工資稅抵免。美國的另外一項優(yōu)惠政策是稅額扣除，美國聯(lián)邦政府和大多數(shù)州政府都允許扣除研發(fā)費用，并規(guī)定符合條件的研發(fā)費用可以100%免稅，并允許追溯稅額扣除前三年的研發(fā)支出。

圖2 皮帶輸送機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件的功能是實現(xiàn)對帶式輸送機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和遠程控制。具體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括有PLC控制器、控制分站、監(jiān)測傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.1.1 PLC控制器

對礦山帶式輸送機的實際環(huán)境進行分析，結(jié)合其它礦山同類監(jiān)控設(shè)備PLC 的選用，選用S7-300 PLC 作為PLC 控制器。該控制器具有較高的計算性能，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)處理速度快，適用于各種復雜環(huán)境下的應用。

2.1.2 井下監(jiān)控分站設(shè)計

為滿足帶式輸送機的持續(xù)作業(yè)要求，并與智能化控制系統(tǒng)的功能相配合，有必要進行相應的主站和子站的設(shè)計。該智能控制主站負責對井下各個監(jiān)測站的數(shù)據(jù)進行接收和處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳送到中央控制器，中央控制器對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行解析并顯示在上位機上。子站的功能是實現(xiàn)帶式輸送車的控制，分站上的傳感器采集信號傳輸?shù)娇傉荆傉緦π畔⑦M行收集和處理后向子站發(fā)出控制指令，由子站進行帶式輸送機的速度調(diào)節(jié)，系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示。依靠子站上布置的傳感器，系統(tǒng)能夠及時獲得溫度、速度、電流、煤流量等多種參數(shù)。

圖3 皮帶輸送機監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 監(jiān)測傳感器

在帶式輸送機上設(shè)置各種傳感器，是監(jiān)測和遠程控制運行參數(shù)的基礎(chǔ)，傳感器的選擇、安裝位置等都會對監(jiān)測精度產(chǎn)生一定的影響。本文結(jié)合前人的試驗結(jié)果，結(jié)合傳感器安裝的實踐，對傳感器的型號和安裝位置進行了分析。本文選用的速度傳感器為GSC6-SC，安裝位置在皮帶回撤側(cè)。速度傳感器用于檢測皮帶的運轉(zhuǎn)速度，并將監(jiān)控轉(zhuǎn)速與滾筒運轉(zhuǎn)線的轉(zhuǎn)速進行比較，通過滑移率計算判斷有無打滑現(xiàn)象。選用的溫度傳感器為KUW200H，安裝位置在距離滾筒200mm的輸送機架上。其功能是監(jiān)測滾筒、皮帶、電機等位置的溫度，避免由于溫度過高而造成設(shè)備安全的隱患。采用的煙霧報警器為UQL0.1型感應器，安裝位置在滾筒的下風口，其功能是檢測工作區(qū)域的煙霧濃度。選用的傳送機為GEJ-15，沿輸送機線路的各個部位放置了多個跑偏監(jiān)控傳感器。

2.1.4 視頻監(jiān)控

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

2.2.1 控制主程序

本系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容有故障診斷、初始化、主程序運行等，保證了系統(tǒng)的安全、平穩(wěn)運行，并利用主程序?qū)ζл斔蜋C的運行狀態(tài)進行了實時監(jiān)控。通過對各個子程序的調(diào)用，保證了控制系統(tǒng)能夠進行數(shù)據(jù)的采集，并向監(jiān)控中心發(fā)送有關(guān)的監(jiān)控參數(shù)。通過對帶式輸送機的監(jiān)控，有關(guān)的控制人員可以根據(jù)監(jiān)控的情況下達相應的控制命令，從而達到對帶式輸送機的遙控。見圖4。

圖4 皮帶輸送機智能控制系統(tǒng)主程序流程圖

2.2.2 運行速度控制程序

帶式運輸機的轉(zhuǎn)速控制方案在設(shè)計時，充分考慮了皮帶負載不均衡、負載大等各種復雜的工況，并根據(jù)步進式調(diào)速的基本原理來實現(xiàn)，依據(jù)不同的負載來實現(xiàn)帶式輸送機的轉(zhuǎn)速控制。圖5給出了帶式輸送機的轉(zhuǎn)速控制流程。

圖5 運行速度控制程序流程圖

在工作狀態(tài)下，對帶式輸送機進行負載測量，根據(jù)帶式輸送機的負載情況，計算出帶式輸送機的轉(zhuǎn)速范圍。在設(shè)定工作轉(zhuǎn)速后，對變頻調(diào)速器的輸出電流進行調(diào)節(jié)，以達到調(diào)節(jié)帶轉(zhuǎn)速的目的。

3 應用效果分析

為了檢驗本文提出的帶式輸送機智能化控制在實際使用中的有效性，并對其在實際操作中的運行情況和操作的可能性做了初步的探討。經(jīng)實際使用證明，該智能控制體系具有良好的工作性能，能夠?qū)ΦV井下帶式輸送機進行智能的控制。通過對帶式輸送機的使用，使其在使用過程中的平穩(wěn)性能和總體的可靠性得到提高，其運行消耗的能量比使用之前減少12%左右。帶式輸送機可以由遠程控制，由監(jiān)測中心對帶式輸送機的工作狀況進行實時監(jiān)測，只需要在工地上派維修工人進行巡視，不需要專門的值班人員。

4 總結(jié)

帶式輸送機是礦井下的重要交通工具，它的運行可靠性和效率直接影響著礦井的運行效率。隨著井下煤礦作業(yè)智能化的提升，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)弊端逐漸顯現(xiàn)，存在能耗高、效率低等一些列問題。因此，本文將智能控制技術(shù)引入帶式輸送機的生產(chǎn)過程。根據(jù)礦井的具體條件，從整體框架、硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)等方面進行了系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。實踐證明，本文提出的帶式輸送機智能化控制體系功能完善，可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機的遙控操作。帶式輸送機在運轉(zhuǎn)期只需派人進行巡視，大量減少了現(xiàn)場需要的工作人員，與以前相比，帶式輸送機的工作能量消耗減少了12%左右。