煤礦帶式輸送機(jī)智能化控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

程偉

摘? 要：當(dāng)前的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，已實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)、動(dòng)力傳動(dòng)以及程序控制等智能化目標(biāo)。本文通過分析煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，提出控制系統(tǒng)運(yùn)行期間存在的問題，并從軟、硬件兩方面提出如何智能化改造設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)，將改造設(shè)計(jì)后的智能化控制系統(tǒng)用于實(shí)踐，結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井下帶式運(yùn)輸機(jī)集中、遙控監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：智能化；煤礦；帶式輸送機(jī)；控制系統(tǒng)；改造設(shè)計(jì)

近年來，我國煤礦行業(yè)運(yùn)輸系統(tǒng)逐步向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，作為煤礦運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要設(shè)備，帶式輸送機(jī)的智能控制技術(shù)會(huì)對(duì)煤礦高效、安全運(yùn)營產(chǎn)生直接影響。當(dāng)前的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，已實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)、動(dòng)力傳動(dòng)以及程序控制等智能化目標(biāo)。但有的煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)表現(xiàn)為獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，而逆煤流啟動(dòng)運(yùn)行會(huì)使搭接輸送帶出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的情況，能耗較高，還會(huì)影響煤礦運(yùn)輸效率[1]。這就需要對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施智能化控制，以達(dá)到節(jié)能降耗目標(biāo)。

1.煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國內(nèi)外企業(yè)先后提升了帶式輸送機(jī)的技術(shù)水平，逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制目標(biāo)，安全性能和工作效率均得到顯著改善。目前的煤礦帶式輸送機(jī)已經(jīng)基本達(dá)到自動(dòng)化水平，煤炭行業(yè)也有了更多的新型裝備，但運(yùn)行期間依舊存在一些問題，主要表現(xiàn)為[2～3]：

首先，盡管皮帶輸送裝置的控制方案進(jìn)行了改進(jìn)，但是該裝置的控制功能比較單一，僅具有自動(dòng)和起動(dòng)的作用；當(dāng)發(fā)生重大故障時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能及時(shí)發(fā)出警報(bào)，難以保證人身安全和裝置的正常工作。

其次，帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過程中，往往會(huì)出現(xiàn)不正常的震動(dòng)，這是一種難以被監(jiān)測(cè)的現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)過大的振幅時(shí)，將對(duì)控制器和傳送帶的工作產(chǎn)生不利的影響。

最后，皮帶機(jī)的控制一般采用 Ethernet通訊方式，它具有通訊方式簡單、數(shù)據(jù)和信號(hào)傳遞的特點(diǎn)；在皮帶機(jī)運(yùn)行過程中，由于受到外部磁場(chǎng)的干擾，使其控制精度降低。

分析以上問題可知，若要縮小國內(nèi)外帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)差距，不斷提高控制系統(tǒng)的精度與性能，關(guān)鍵在于優(yōu)化完善控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)具有更高智能化的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)。

2.煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的智能化改造設(shè)計(jì)

針對(duì)煤礦運(yùn)行現(xiàn)狀，帶式輸送機(jī)的控制系統(tǒng)智能化升級(jí)由傳感器、地面疾病預(yù)防控制系統(tǒng)和礦井下控制分站等元素共同構(gòu)成，帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)可以隨時(shí)監(jiān)控煤礦中的重要操作參數(shù)，還能安全設(shè)定帶式輸送機(jī)起止與閉鎖功能。通過Ethernet通訊方式，遠(yuǎn)程控制帶式輸送機(jī)，同時(shí)為了提高皮帶傳動(dòng)裝置中信號(hào)傳遞的可靠性，選用了防爆裝置和 PLC組成的元器件[4]。通過數(shù)據(jù)交互，對(duì)各個(gè)子站的邏輯進(jìn)行了及時(shí)的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到在煤流方向上密閉作業(yè)的目的。本智能技術(shù)的升級(jí)方案是一個(gè)開放的架構(gòu)，方便以后的維修保養(yǎng)。具體見圖1。

3.硬件分系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

對(duì)皮帶輸送裝置進(jìn)行智能控制的硬件進(jìn)行改進(jìn)與設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是對(duì)其進(jìn)行分區(qū)及監(jiān)控傳感器的選擇，以便對(duì)其進(jìn)行精細(xì)的控制。

3.1可編程邏輯控制器改造設(shè)計(jì)

本文選用的是礦井下可編程序控制器的子系統(tǒng)，其機(jī)型為SIMATICS7，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇模塊化，所配備CPU模塊功能強(qiáng)大，可有效適應(yīng)煤礦帶式輸送機(jī)的自動(dòng)化控制要求。選用S71200系列 PLC，使其運(yùn)行速度更快，抗干擾性更好，能為系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行提供保障。

3.2井下控制分站的改造設(shè)計(jì)

在地面上實(shí)現(xiàn)礦井帶式輸送機(jī)的集控應(yīng)用，并做好主副功能分區(qū)，以確保帶式輸送機(jī)在礦井下能保持持續(xù)工作狀態(tài)。其中，主站的作用是接受并調(diào)整從各個(gè)分站發(fā)來的消息，經(jīng)過對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理，讓地表的 PC機(jī)能夠?qū)⑺鶄魉偷男盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的展示，方便掌握礦井下帶式輸送機(jī)的實(shí)際工作狀況[5]。每個(gè)皮帶運(yùn)輸機(jī)的各個(gè)分站都具有各自單獨(dú)的控制系統(tǒng)，在發(fā)出了相應(yīng)的控制命令之后，就可以對(duì)皮帶機(jī)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。通過這種結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，煤礦特定地下控制分站的構(gòu)造如圖2所示。

3.3關(guān)鍵傳感器選型的改造設(shè)計(jì)

日常應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控帶式輸送機(jī)運(yùn)行溫度、速度以及煤倉煤位，確保煤礦帶式輸送機(jī)達(dá)到安全運(yùn)行目標(biāo)，基于測(cè)試要求，采用最佳傳感器。一系列裝置內(nèi)部，通過GUL70液位傳感器監(jiān)控煤倉，GWP200溫度傳感器監(jiān)控帶式和驅(qū)動(dòng)滾筒溫度，GDB20振動(dòng)傳感器檢測(cè)滾筒、減速箱以及電機(jī)等相關(guān)裝置，GSG.5轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)傳送帶的滑差與轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)皮帶張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，GQQ5型鹽度計(jì)對(duì)皮帶安裝過程中產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行監(jiān)控，GEJ35/45跑偏傳感器進(jìn)行帶式輸送機(jī)運(yùn)行期間膠帶跑偏與否的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，GVD300則用于撕裂保護(hù)傳感器，XLLS-1雙向拉繩開關(guān)用作急停開關(guān)[6]。以上傳感器是控制系統(tǒng)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集的關(guān)鍵依據(jù)，必須符合收集帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)的需求，保證向帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)傳送真實(shí)、可靠的參數(shù)信息，同時(shí)還要對(duì)參數(shù)做出數(shù)據(jù)化分析，以達(dá)到智能化控制帶式輸送機(jī)的目標(biāo)。

3.4輸送機(jī)視頻監(jiān)控模塊的改造設(shè)計(jì)

若想確保帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)滿足智能化控制需求，關(guān)鍵在于將圖像監(jiān)控模塊置入控制系統(tǒng)內(nèi)部，借助該模塊達(dá)到智能化控制需求，便于操作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況。目前，本設(shè)備的主要部件是KBA116A型防水圖像處理設(shè)備，它不僅質(zhì)量較輕，體積小，并且還具備很好的抗?jié)衲芰?。模塊中包含了故障報(bào)警和識(shí)別的功能，能夠?qū)较洛^桿與大塊矸石等進(jìn)行監(jiān)控，若產(chǎn)生卡阻的情況，就需要立即將暫停信號(hào)發(fā)送出去，防止裝置發(fā)生膠帶撕扯、堵倉以及堆煤等安全事故。除此之外，創(chuàng)建煤炭集聚監(jiān)視模塊，在監(jiān)測(cè)到帶式輸送機(jī)內(nèi)的煤炭積聚量大于設(shè)定值的情況下，就需要將停止或者警告命令發(fā)送給控制系統(tǒng)的上位機(jī)。同時(shí)創(chuàng)建圖像鏈接功能，能夠向上位系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)異常信息，操作人員即可根據(jù)所存在的問題制定針對(duì)性解決措施。

4.軟件程序改造設(shè)計(jì)

4.1智能化控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

礦井皮帶運(yùn)輸機(jī)的應(yīng)用程序是以PLC為基本語言進(jìn)行開發(fā)的，一系列的子程序構(gòu)成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主要控制部分，例如對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理等。該系統(tǒng)的主要作用就是按照順序?qū)Ω髯映绦驅(qū)嵤┻\(yùn)行，確?？刂瞥绦蚣皶r(shí)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并向該系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7]。監(jiān)測(cè)人員也可根據(jù)所測(cè)量輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)信息，以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的遙控目標(biāo)。

4.2速度控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)的實(shí)際裝載情況，將其分為若干個(gè)載荷周期，并且在每個(gè)周期內(nèi)，皮帶的速度也是不一樣的。在實(shí)踐中，應(yīng)首先采集輸送機(jī)的裝載量，然后根據(jù)采集的裝載量資料，確定裝載量的大小，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，確定與之相適應(yīng)的輸送帶轉(zhuǎn)速。在給定了輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速后，通過轉(zhuǎn)速控制模塊對(duì)電流進(jìn)行采集，準(zhǔn)確判定傳動(dòng)馬達(dá)輸出是不是處于平衡狀態(tài)，使帶式輸送機(jī)能夠在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳輸送效果。

4.3軟啟動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行期間，通常要承擔(dān)較大的外界載荷，起動(dòng)時(shí)由于自身重量的作用，將對(duì)其造成很大的沖擊。因此，本裝置在起動(dòng)時(shí)，采取一系列的“軟啟動(dòng)”措施，避免驅(qū)動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)燒壞，從而達(dá)到提高裝置運(yùn)行周期的目的。在該程控的過程中，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率，使電動(dòng)機(jī)按照 S型軌跡起動(dòng)，當(dāng)輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速后，所有的控制策略將會(huì)被自動(dòng)切斷，從而使電機(jī)在起動(dòng)期間得到實(shí)時(shí)的保護(hù)，還可以大幅減少啟動(dòng)過程中的能耗。

4.4綜合保護(hù)系統(tǒng)

綜合保護(hù)裝置的作用是通過控制系統(tǒng)提高皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。在皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)過壓、撕裂、過流等現(xiàn)象時(shí)，PLC根據(jù)異常值和故障種類，給出相應(yīng)的報(bào)警信息，借助上位機(jī)將信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)員。在整個(gè)保護(hù)裝置的實(shí)際工作中，監(jiān)視子站收集皮帶的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到的電壓高于設(shè)定值時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)過壓的警報(bào)；當(dāng)檢測(cè)到道路上煙氣濃度超過規(guī)定的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生煙氣警報(bào)，同時(shí)主動(dòng)打開水管上的螺線管，對(duì)輸送帶進(jìn)行噴霧降溫，當(dāng)監(jiān)控到傳送帶的表面溫度高于設(shè)置的數(shù)值時(shí)，就會(huì)發(fā)出打滑信號(hào)，噴灑裝置自動(dòng)開啟，實(shí)施降溫工作。

5.應(yīng)用效果

針對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，對(duì)其整體設(shè)計(jì)和軟、硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過對(duì)膠帶機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的跟蹤和控制，進(jìn)一步驗(yàn)證了該智能化控制方法的可行性和實(shí)用性。實(shí)際運(yùn)行表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井下帶式輸送機(jī)集中、遙控監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析，表明該控制方案對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性有很大的幫助。采用中央遙控方式對(duì)裝置進(jìn)行開機(jī)與控制，省去了兩三個(gè)操作帶式輸送機(jī)的工人，使礦井的采掘工作費(fèi)用大為減少。

6.結(jié)語

帶式輸送機(jī)是礦井中最主要的交通工具，其能否正常、穩(wěn)定地工作，將直接關(guān)系到礦井的生產(chǎn)效率，是煤炭企業(yè)十分重視的一個(gè)問題。采用智能皮帶傳送設(shè)備，可以減少輸送設(shè)備能耗和維修人員，從而減少礦井的生產(chǎn)費(fèi)用，智能化的運(yùn)輸設(shè)備為煤炭工業(yè)的發(fā)展帶來極大的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

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作者單位：國能億利能源有限責(zé)任公司黃玉川煤礦