煤礦井下膠帶機智能化精確控制的研究與應用

韓明惠

摘要：近年來，隨著社會的發展，我國的煤礦行業的發展也日新月異。皮帶輸送機、給煤機已成為煤礦生產中非常重要的運輸設備，它能否安全高效地運行，直接決定著礦井機電設備的開機率和產量，而老式的皮帶傳輸方式，采用繼電控制，每條皮帶可以獨立控制開停，系統分散，控制的靈活性差，且各皮帶的配置差異較大，同時采用人工操作，操作人員勞動強度大，系統運行效率低，易引起操作失誤，造成設備損壞，甚至人員傷亡，給礦上帶來重大的損失。為此實現皮帶輸送機的集中控制就顯得更加必要。該文從金能煤業分公司井下皮帶實際現狀出發，結合目前主流集控系統配置同時參考主流設計原理，設計了一套適合煤礦的精確控制系統。該系統為當前煤礦企業對自動化的需要，皮帶集控系統與工業電視系統一起，構成一個完整的操作、調度、監視網絡，實現對整個井下運輸系統的遙測、遙信、遙控。

關鍵詞：煤礦井下;膠帶機智能化精確控制;研究與應用

引言

膠帶輸送機承擔了整個礦井原煤運輸的重要任務，膠帶輸送機各轉載點、生產運輸環境較為惡劣，需要安全可靠的膠帶輸送機保護裝置和報警系統，并采用先進、實用的智能化設備來裝備和優化，不斷提升膠帶輸送機的安全作業環境，提高膠帶輸送機的安全運行效率，以此確保生產過程中的膠帶輸送機安全、可靠運行。

1系統實施

1.1調度中心

地面監控中心設置在地面皮帶調度室，通過工作站安裝的軟件對井下皮帶相關設施進行集控和監視。控制主機均采用雙機熱備方式;上位機選用2臺工業主機，配置液晶顯示器，完成編程及監控監視功能。上位機組態監控軟件選用GE公司的最新實時監控組態軟件IFIX5.8系統平臺，實現圖形監控、動態圖形顯示、歷史數據采集管理、狀態趨勢圖、自診斷、報警等諸多功能，并提供多種數據接口實現數據的共享與傳播。

1.2井下控制系統

井下控制系統主要包括對井下14條膠帶機和多部給煤機的控制，包括控制膠帶啟停、給煤機控制、變頻器的監控。井下皮帶采用永磁電機加變頻器的驅動方式，采用三電平永磁伺服變頻控制器對井下輸送機進行控制，各變頻器之間功率自動調節，實現多臺之間的動態功率平衡。同時，膠帶機機械部分采用熱浸鋅防腐技術原理保證了機械性能的穩定。同時皮帶沿線托輥采用高分子塑料膠帶托輥，由輥皮、軸承、軸、密封組件組成。輥皮采用超高分子塑料材料，具有輕便、耐磨、不粘附物料、與膠帶的摩擦系數低、自潤滑性等優點。高分子塑料托輥能延長膠帶使用周期，節省能源，有效改善井下工作環境。系統以PLC控制系統為核心，與上位計算機、防爆PLC控制站、膠帶機保護傳感器等組成PLC分布式監控系統。總體結構可以分為3層結構：數據感知層、PLC控制層和監控信息層。

1.3圖像監控系統

每個轉載點等重要場所安裝高清攝像儀，視頻監控裝置像素不低于200萬，可在地面進行錄像存儲，視頻存儲時間90d以上，存儲硬盤留有冗余量;視頻沿線布置百兆以上光網絡進行傳輸（滿足視頻傳輸需要），視頻系統與控制系統網絡分開。

1.4語音預警聯動

皮帶沿線安裝擴音電話用于系統的聯動預警。電話按照100m間距布置，平時可以用于皮帶沿線的喊話及開車前的語音預警，緊急情況下可以作為與地面系統的語音通話，作為應急廣播的補充。

2系統分析

2.1系統問題

膠帶運輸機一般都配置有保護系統，能夠實現膠帶運輸機的跑偏、撕裂、打滑、煙霧、急停等保護功能，且能夠設置簡單的連鎖關系，按程序設定實現運輸系統逆煤流啟車，順煤流停車的一鍵邏輯啟動。大大提高了生產的效率，改善了工人的作業環境、降低了勞動強度，然而仍存在如下幾個關鍵問題：（1）拖動方式：大部分膠帶機電機采用工頻拖動方式，存在傳動效率低、啟動電流沖擊及機械沖擊大、無法功率平衡等問題，造成了系統運行不經濟;皮帶和液力耦合器磨損嚴重，維修及維護成本高;存在無功環流損耗等問題。（2）由于整個煤流系統過長，空載時間比較多，效率比較低下，造成浪費能源的現象比較突出。（3）無法實現整個煤流系統的智能化節能運行。

2.2解決方案

膠帶機運輸系統節能降耗的途徑主要有：優化膠帶機運輸系統的集中控制程序、采用變頻器來驅動電機、加強生產調度與管理等。在技術層面，建立膠帶機智能控制系統、優化集中控制程序，使膠帶機控制系統不但具有良好的控制性能和完善的保護環節，還能有效地避免安全事故的發生、延長膠帶機的使用壽命，為整個煤炭生產過程增值。對膠帶機運輸控制系統進行智能化改造，是降低企業生產成本，提高企業經濟效益的直接手段、也是最有效的途徑，膠帶機智能控制系統在保證系統功能的前提下結合經濟性原則，按如下思路做總體規劃。（1）把“整體”范圍適當縮小：把整個煤流系統按物理位置、工藝等因素劃分為幾個區段的“小整體”;（2）把“個體”適當放大：把幾條相關的膠帶機整體考慮，邏輯上看作是一條膠帶機;（3）充分發揮轉載處膠帶機（安裝有變頻驅動的）的“緩沖倉”作用，并兼顧安全閉鎖;（4）最大限度降低啟動電流、最大限度減少每條膠帶機的空載時間、最大限度保證生產安全、最大限度保證生產效率、提高生產智能化水平;（5）優化膠帶機運輸系統集控程序為主，更換電機拖動方式為輔助，節約改造費用，同時降低無效能耗。

2.3PLC控制分站布置

（1）PLC控制分站布置在井下的變電所、配電室內。（2）PLC控制分站的布置綜合考慮膠帶機的物理位置，膠帶機區域段長度、負荷、煤流、現場環境等因素。（3）配置通訊模塊：用于站間、站與后臺、站與變頻或軟啟或磁力開關等設備的通訊。通過與其他站之間的通訊，實現整個煤流系統的聯動起車、停車;通過與電機驅動設備的通訊實現電機運行參數的采集與電機的啟停控制等操作;通過與后臺的通訊實現數據的遠程回傳，在調度指揮中心對整個煤流系統的遠程監控。（4）配置開關量輸入模塊：用于接入膠帶機集控系統相關的開關量設備（如電機的啟、停狀態燈）和保護設備（跑偏、打滑、撕裂、煙霧等）（5）配置模擬量輸入模塊：用于采集膠帶機集控系統相關的模擬量設備（如煤倉煤位等）。（6）配置開關量輸出模塊：用于對膠帶機的驅動設備進行邏輯啟停等執行操作。控制站之間采用DP網絡總線方式進行互聯通訊，通過控制站之間的邏輯編程實現多條膠帶機的連鎖控制。控制站與后臺上位機采用以太網方式進行通訊。