礦用帶式輸送機智能集中控制系統設計

付 彤

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限責任公司，山西 大同 037000）

引言

膠帶輸送機是煤礦井下開采使用的主要運輸設備之一，與國外先進膠帶輸送機技術相比，目前還主要存在兩方面的問題，一是膠帶輸送機控制自動化、智能化程度較低，故障檢測不全面、預警不及時造成設備故障率偏高[1-2]；二是對膠帶輸送機的載荷量不能夠進行自動識別調速，造成電力浪費[3]。針對上述情況，設計研究一套膠帶輸送機遠程智能集中控制系統，用于解決膠帶輸送機運行集中控制、故障自動檢測預警、自動調速等問題，從而實現膠帶輸送機的自動化控制運行。

1 膠帶輸送機運行系統常見故障

1.1 皮帶跑偏

膠帶輸送機在運行過程中發生皮帶跑偏主要是由于皮帶機頭機尾滾筒或皮帶托輥與皮帶之間安裝的角度不合理，中心線不在一條直線上，或者是運輸的物料未均勻擺放導致皮帶受力不均衡等原因造成。

1.2 堆煤故障

常見的堆煤故障原因是工作面運出的煤炭或矸石含水率較大，落入膠帶輸送機上后粘連在輸送帶上不隨輸送帶一起向外運轉，從而導致煤矸堆積在滾筒處，當堆積的煤炭達到一定程度時會造成膠帶輸送機滾筒停止運轉，從而導致停機。

1.3 電源故障

電氣主回路主要由主電源、交流接觸器、開關、繼電器和熔斷器等電氣元件組成，在使用過程中，會因為操作不當、過載或過流保護等原因導致膠帶輸送機在運行過程中突然停機，若故障不能及時排查處理，則會影響工作面正常生產。

1.4 膠帶機不能自動控制調整速度

目前膠帶輸送機的調速控制系統大多數只有低速擋和高速擋2個速度控制擋位，在工作面實際生產過程中，經常會出現膠帶機空載和輕載現象，在設備啟動和緊急制動時，因膠帶輸送機產生的張力較大，導致膠帶機上承載動力負荷的各個部件受力較大，對設備部件造成較大的磨損。

2 控制系統總體架構設計方案

在井下煤流運輸系統中一般需要多部膠帶輸送機相互配合才能夠完成物料運輸工作，主要針對多部膠帶輸送機遠程集中控制方案進行研究和設計。該系統的控制方式主要采用的是PLC+上位機，通過PLC對整個膠帶運輸系統中的相關設備的工況信息數據進行采集分析，根據分析判斷的結果利用上位機中的人機接口對膠帶運輸系統的各個設備發出相關的操作控制命令，同時各設備運行期間的工況信息會直接在上位機LED上動態顯示出來，從而實現對膠帶輸送機的智能遠程集中控制。該控制系統的主要架構如圖1所示。

圖1 膠帶輸送機智能控制系統架構圖

3 硬件設計

該控制系統主要由集中控制系統、PLC就地控制系統、關鍵結構件故障診斷與報警系統、煤流監測系統等組成。

3.1 遠程集中操作控制系統

傳統的膠帶輸送機控制系統一般都是采用操作盤和模擬盤進行操作控制，而遠程集中操作控制系統是通過上位機實現對整個膠帶運輸系統各設備運行狀態監視和操作控制的。在上位機的顯示界面上可以將膠帶機的電動機、驅動系統、制動系統等設備的各類運行參數信息和報警信息進行動態顯示，同時還可以對各設備的運行方式進行選擇和切換，實現自動程控操作。

3.2 PLC控制子站系統

本系統使用的PLC控制器是西門子公司生產的S7-1200型產品，該系統安裝的模件全部采用插接式連接，更換時非常方便。系統中輸出無源信號的開關量和輸出有源信號的模擬量的I/O模件全部裝配有隔離裝置，電源上均安裝有電涌保護器，確保PLC控制系統在井下受到振動、噪聲及無線電波等情況干擾時，系統中的硬件裝置在0～55℃環境溫度和5%～90%空氣濕度條件下均能夠連續穩定運行，且硬件上不會出現結露現象。PLC控制子站系統安裝的數量是根據膠帶輸送機的數量和安裝的位置不同設置的，各個子站之間的通訊采用光纜通訊。

3.3 關鍵結構件故障診斷與報警系統

運用紅外線熱成像技術，同時結合計算機圖像處理與識別技術，研制設計電機、滾筒、托輥等膠帶輸送機上的關鍵結構件故障診斷與報警系統。首先，利用安裝在膠帶機上的紅外線熱成像儀對膠帶輸送機的電機、滾筒和托輥采集紅外圖像；然后將采集到的紅外圖像進行預處理、模塊分割、故障特征提取、分類及識別，得到這些關鍵構件的溫度場圖像；最后系統通過對溫度場圖像的特征進行分析，從系統故障庫中調取故障診斷標準對設備故障進行診斷和報警，具體工作流程圖如圖2所示。

圖2 膠帶輸送機關鍵構件故障診斷報警系統工作流程圖

3.4 煤流監測系統

為對膠帶輸送機上的煤流量進行實時監測，從而實現對膠帶機速度調整控制，設計研發一套膠帶輸送機煤流量遠程監測監控系統，如圖3所示。通過創建的檢測模型對膠帶機上運輸的煤流量數據進行計算，利用檢測分析器進行分析并發出調節控制信號，監測系統根據發出的操作信號控制變頻器進行調速，從而實現膠帶輸送機的自動調速控制。

圖3 膠帶輸送機煤流量遠程監測監控系統

4 軟件設計

該智能遠程集中控制系統操作控制模式主要有四種，分別為集控、單控、直控和閉鎖。

4.1 遠程自動集中控制

工作人員利用集中控制主機對膠帶輸送機進行遠程自動集中控制，主機發出設備啟停信號后，控制子站根據接收到的信號按照設定的程序依次控制各臺設備按照順序啟停。當其中一臺控制子站接收到本臺設備啟停指令時，它將會自動按設定程序控制本臺設備按照順序進行啟動、運行、故障判定、預警、保護及停機等操作，并對整個過程進行全程監控。該操作控制方式是日常生產期間使用的主要操作方式。

4.2 單機控制

根據現場生產情況，工作人員控制主機完成有煤開機、無煤停機的操作控制功能。當檢測系統發現該部膠帶機出現故障時，保護裝置會發出預警信號或停機，實現膠帶機的保護，并將故障信息傳輸給主機，發出故障報警信號，同時顯示屏上的故障指示燈會根據故障類型對應亮起，并將故障狀態進行鎖定，直到設備故障全部處理完畢，才會重新按照設備啟動程序開機運行。該種操作控制方式中傳感器起保護作用，主要在設備檢修或進行試運行期間進行使用。

4.3 直接控制

直接控制模式不考慮傳感器的保護作用，直接采用就地手動操作控制，其控制膠帶機開停是通過就地操作現場主機按鈕直接控制完成的。在直控模式下，控制膠帶機運行30 min后進行強制停機，在停機30 min后才允許主機繼續工作，防止膠帶機長時間在直控模式下運行。該種操作控制方式也是主要在檢修設備或進行調試運行時使用。

4.4 閉鎖控制

在閉鎖模式控制下，該段膠帶機將不會進行任何動作，該方式用于設備檢修，主要保證設備檢修時檢修人員的安全。

5 應用效果

1）減少了人員投入，節約了人工成本。一般情況下，每臺膠帶輸送機都需要安排專職司機進行設備開停、運行值守工作，采用遠程智能集中控制系統可以對膠帶輸送機實行遠程操作控制，實行無人值守，每部膠帶輸送機每班至少可以減少1人，每天可以減少3人。

2）減少設備啟停時間，提高運行效率。一般一部膠帶輸送機長度在1 000 m左右，設備在采用機械開啟和停機時使用的時間較長，采用智能集中控制系統能夠在原開停機基礎上提速90%，有效提高了膠帶輸送機運行效率。

3）減少電力損耗，降低設備維修費用。

6 結語

該控制系統利用先進的智能遠程監控系統對輸送帶上的煤量進行實時監測，根據膠帶輸送機的負荷大小自動控制調整電機的輸出功率和膠帶機的運行速度，輸送帶在無煤的情況下空載一定時間后設備能夠實現自動停機，從而減少電力消耗和設備長時間空載造成的零部件磨損，減少設備檢修維護費用。