礦用刮板輸送設(shè)備動(dòng)力部冷卻水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張風(fēng)嬌， 王金平， 渠婷婷

（1.寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司， 寧夏 銀川 753001；2.煤礦綜采輸送設(shè)備智能制造技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

礦用刮板輸送設(shè)備主要包括工作面刮板輸送機(jī)、順槽轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)， 其動(dòng)力部主要部件有電機(jī)和減速器等，為防止因過(guò)高溫度導(dǎo)致主要部件故障影響正常生產(chǎn)，采用冷卻水降溫冷卻處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

目前礦用刮板輸送設(shè)備冷卻保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)狀：

整個(gè)采煤工作面設(shè)備的冷卻水由人工操作泵站統(tǒng)一控制，刮板輸送設(shè)備停機(jī)后常常冷卻水依然持續(xù)打開(kāi)，造成水資源的浪費(fèi)。

刮板輸送設(shè)備的冷卻采用開(kāi)放式、 直接排入工作面現(xiàn)場(chǎng)，不必要的排水會(huì)加劇工作面巷道積水，由此還能引發(fā)開(kāi)采出來(lái)的煤炭含水量多，對(duì)運(yùn)輸、篩選等后續(xù)工序及其不利。

對(duì)冷卻水控制的自動(dòng)化水平低， 沒(méi)有形成閉環(huán)系統(tǒng)控制。如果長(zhǎng)時(shí)間的冷卻水流量偏小或水壓偏低，無(wú)疑會(huì)影響冷卻效果， 導(dǎo)致動(dòng)力部主要部件絕緣性能和密封性能下降，甚至有燒壞的危險(xiǎn)。

針對(duì)驅(qū)動(dòng)形式為“雙速電機(jī)+彈性聯(lián)軸器+減速器”刮板輸送設(shè)備，設(shè)計(jì)礦用刮板輸送設(shè)備動(dòng)力部冷卻水控制系統(tǒng)，（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“系統(tǒng)”）實(shí)現(xiàn)刮板輸送設(shè)備各動(dòng)力部的冷卻水回路的本地獨(dú)立自動(dòng)控制：刮板輸送設(shè)備各動(dòng)力部電機(jī)開(kāi)機(jī)前冷卻水自動(dòng)打開(kāi)，電機(jī)停機(jī)后冷卻水溫度降低至合適溫度后，冷卻水閥自動(dòng)關(guān)閉。 同時(shí)整個(gè)冷卻過(guò)程中對(duì)冷卻水流量和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和故障報(bào)警提示，避免冷卻水供水回路故障導(dǎo)致冷卻失效造成財(cái)產(chǎn)損失。

1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)礦用刮板輸送設(shè)備動(dòng)力部冷卻水控制系統(tǒng)，由PLC 控制器、冷卻水閥、冷卻水流量、壓力、溫度傳感器組成。 PLC 控制器接收到電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后，控制冷卻水閥打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送設(shè)備冷卻水回路的自動(dòng)供水。 在冷卻水回路進(jìn)水口加裝流量傳感器和壓力傳感器， 實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水流量和壓力的監(jiān)測(cè)， 并在PLC 控制器上實(shí)時(shí)顯示冷卻水流量和壓力數(shù)值，當(dāng)入水口冷卻水流量和壓力正常時(shí)，PLC 控制器給集控系統(tǒng)反饋健康信號(hào)可以開(kāi)機(jī)。 當(dāng)入水口冷卻水流量和壓力小于設(shè)定值時(shí)， 在顯示屏上閃爍黃燈以報(bào)警提示工作人員檢查冷卻水回路是否有故障，人工檢查完畢需手動(dòng)復(fù)位后，PLC 控制器給集控系統(tǒng)反饋健康信號(hào)才可以開(kāi)機(jī)。

在冷卻水回路出水口安裝三通，接入冷卻水溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水溫度的監(jiān)測(cè)。當(dāng)PLC 控制器接收到電機(jī)停機(jī)信號(hào)后，先檢測(cè)冷卻水出水溫度，至水溫降至合適溫度后PLC 控制器控制冷卻水閥關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)刮板輸送設(shè)備冷卻水回路的自動(dòng)關(guān)閉控制。

2 重點(diǎn)難點(diǎn)分析

獲取各動(dòng)力部電機(jī)開(kāi)、停機(jī)信號(hào)，最直接簡(jiǎn)單的辦法是獲取控制個(gè)動(dòng)力部電機(jī)啟動(dòng)的接觸器的常開(kāi)輔助觸點(diǎn)信號(hào)，反饋到PLC 控制器上。但是控制工作面輸送設(shè)備電機(jī)啟停的組合開(kāi)關(guān)一般布置在距離工作面幾百米遠(yuǎn)處的集控中心， 如果是遠(yuǎn)距離供電的情況距離工作面可能達(dá)到上千米遠(yuǎn)。 要實(shí)現(xiàn)刮板輸送設(shè)備各動(dòng)力部的冷卻水回路的本地獨(dú)立自動(dòng)控制， 在每個(gè)動(dòng)力部就近位置布置一臺(tái)PLC 控制器，獲取各動(dòng)力部電機(jī)開(kāi)、停機(jī)信號(hào)是整個(gè)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。

一種思路是布置在集控中心的PLC 控制器從工作面集控讀取各動(dòng)力部電機(jī)的開(kāi)、停機(jī)信號(hào)，通過(guò)通訊方式傳輸給布置在各個(gè)動(dòng)力部附近的PLC 控制器。 另一種思路是在各電機(jī)接線盒中加裝電流傳感器， 通過(guò)識(shí)別A/B/C任意相電流判斷各動(dòng)力部電機(jī)開(kāi)、停機(jī)狀態(tài)。將這兩者結(jié)合起來(lái)利用實(shí)現(xiàn)的效果將更好。

3 關(guān)鍵組成部件設(shè)計(jì)選型

3.1 PLC 控制器

PLC 控制器為礦用隔爆兼本質(zhì)安全型， 額定工作電壓：AC127V，主要由隔爆箱體、電源模塊、中央處理器、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、安全隔離柵、通訊模塊、操作面板、顯示單元等部分組成?？刂破髦饕骷x型及主要功能：

CPU：西門(mén)子1212C，緊湊型CPU，AC/DC/繼電器，自帶8 路DI 24V DC 、6 路2A 繼電器數(shù)字輸出、2 路AI（0-10）VDC 模擬量輸入、1 路以太網(wǎng)接口、最多擴(kuò)展3 個(gè)通信模塊； 是整個(gè)控制器的核心， 可完成系統(tǒng)所需的控制、檢測(cè)和診斷。

通信模塊：CM 1241 通信模塊；用于完成系統(tǒng)內(nèi)部的RS485 主從通訊，同時(shí)具備對(duì)外數(shù)據(jù)上傳的接口及功能。

AI 模塊：SM 1231 AI8 模擬量輸入模塊；主要完成8 通道模擬量信號(hào)的輸入采集功能。

接入傳感器安全隔離模塊：1 個(gè)NPEXA-C4D11 電壓輸入安全柵，1 個(gè)NPEXA-CM3D11 電流檢測(cè)端安全柵、1個(gè)NPEXA-C2D11 熱電阻輸入安全柵，將危險(xiǎn)區(qū)的電壓、電流、電阻信號(hào)，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換為（4-20）mA 電流信號(hào)輸出給到SM 1231 AI8 模塊。

顯示屏幕：研華WOP-107K-NEA7 寸液晶顯示屏；用于監(jiān)測(cè)信息、故障報(bào)警等顯示；

矩陣鍵盤(pán)：本安型操作面板（通信鍵盤(pán)）；用于顯示屏幕畫(huà)面切換、水閥本地操作控制等；

電源模塊：SDR-120-24 為控制器內(nèi)的PLC 模塊及顯示器等供電。

3.2 電流傳感器

以400kW/3300V 刮板輸送機(jī)用電機(jī)為例， 額定電流為90A。 考慮電機(jī)啟動(dòng)電流為額定電流的（6～8）倍，電流傳感器量程為AC（0-800）A。 選用CS32-800A C5 型電流傳感器，輸出（0-5）V，無(wú)需外接電源。 傳感器固定安裝在電機(jī)防爆接線盒內(nèi)， 選擇電機(jī)A/B/C 任意一項(xiàng)動(dòng)力電纜由P1→P2 方向穿過(guò)傳感器，傳感器與電機(jī)接線柱頭部預(yù)留至少40mm 安全電氣間隙。

電流傳感器輸出信號(hào)線經(jīng)電機(jī)接線盒接線端子從喇叭嘴引出，從PLC 控制器的喇叭嘴引入后，經(jīng)過(guò)NPEXAC4D11 電壓輸入安全柵，將危險(xiǎn)區(qū)的電壓信號(hào)，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換為 （4～20）mA 電流信號(hào)輸出到PLC 控制器SM 1231 AI8 模擬量輸入模塊。 PLC 控制器程序根據(jù)監(jiān)測(cè)到的電流判斷出動(dòng)力部開(kāi)、停機(jī)狀態(tài)。

3.3 礦用電動(dòng)截止閥

選用KXB-20/24F 型礦用電動(dòng)截止閥， 該閥為礦用隔爆型，由電控器和球形截止閥兩部分組成，通過(guò)連接板安裝在各動(dòng)力部附近，安裝時(shí)球形截止閥在下，電控器在上。電控器接收到PLC 控制器的控制信號(hào)后，打開(kāi)球形截止閥；PLC 控制器的控制信號(hào)撤銷(xiāo)后， 關(guān)斷球形截止閥。額定工作電壓：DC24V，工作電源由PLC 控制器提供。 表1 為電動(dòng)截止閥對(duì)外端口定義。

3.4 礦用傳感器

根據(jù)動(dòng)力部冷卻水壓力≤3MPa 的要求，結(jié)合工況實(shí)際，選擇測(cè)量范圍（0～5）MPa、型號(hào)為GYD60-Y2（A）礦用本安型壓力傳感器，安裝在每個(gè)動(dòng)力部進(jìn)水口，檢測(cè)動(dòng)力部冷卻水進(jìn)水壓力，傳感器電源電壓DC24V，輸出（4～20）mA 電流信號(hào)， 與PLC 控制器之間通過(guò)LCYVB4 型鋼絲編織橡膠護(hù)套連接器快插連接。

根據(jù)動(dòng)力部冷卻水流量≥30L/min 的要求，結(jié)合工況實(shí)際，選擇測(cè)量范圍（0.6～10）m3/h、型號(hào)GLW15/3.6 礦用本安型流量變送器，安裝在每個(gè)動(dòng)力部進(jìn)水口，檢測(cè)動(dòng)力部冷卻水進(jìn)水流量，傳感器電源電壓DC24V，輸出（4～20）mA電流信號(hào)，與PLC 控制器之間通過(guò)LCYVB4 型鋼絲編織橡膠護(hù)套連接器快插連接。

根據(jù)動(dòng)力部冷卻水出水溫度≤50℃的要求， 結(jié)合工況實(shí)際，選擇測(cè)量范圍（0～200）℃、型號(hào)GWP200 型礦用本質(zhì)安全型溫度變送器，安裝在每個(gè)動(dòng)力部出水口，檢測(cè)動(dòng)力部出水冷卻水溫度，傳感器輸出PT100 電阻信號(hào)，與PLC 控制器之間通過(guò)LCYVB4 型鋼絲編織橡膠護(hù)套連接器快插連接。

4 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PORTAL V15 軟件編程， 對(duì)硬件地址及軟件地址進(jìn)行分配，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行整理，通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)得到最終程序；經(jīng)離線調(diào)試符合要求后，下載到PLC 控制器的CPU 中，最后經(jīng)模擬檢驗(yàn)完全達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 程序設(shè)計(jì)流程圖如圖1 所示。

圖1 程序設(shè)計(jì)流程圖

5 系統(tǒng)存在的問(wèn)題

一是通過(guò)通訊方式從工作面集控讀取各動(dòng)力部電機(jī)的開(kāi)、停機(jī)信號(hào)，很容易受到煤礦井下惡劣工況的影響，造成通訊不穩(wěn)定。 二是在電機(jī)防爆接線盒內(nèi)加裝電流傳感器，除了考慮設(shè)計(jì)改造傳感器的安裝固定底座，還要考慮與接線柱的安全電氣間隙， 以及電流傳感器信號(hào)線的安全布線等等問(wèn)題。要求在電機(jī)配套設(shè)計(jì)的初期，考慮適量加大接線盒空間。

6 結(jié)束語(yǔ)

礦用刮板輸送設(shè)備動(dòng)力部冷卻水控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了刮板輸送設(shè)備各動(dòng)力部的冷卻水回路的本地獨(dú)立自動(dòng)控制，解決了目前礦用刮板輸送設(shè)備冷卻保護(hù)系統(tǒng)亟需解決的問(wèn)題，符合煤礦數(shù)字礦山、智慧礦山、綠色礦山的理念，值得推廣。目前全國(guó)各地區(qū)煤礦智能化建設(shè)、驗(yàn)收等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)要求刮板輸送設(shè)備具備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能， 若礦方已配置了工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 本系統(tǒng)PLC 控制器可復(fù)用礦方已配置的礦用動(dòng)力部工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的PLC 控制器實(shí)現(xiàn)功能，一舉多得。