煤礦用帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

郝曉剛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤公司姜家灣煤礦， 山西 大同 037600）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦綜采、綜掘工作面的核心輸送設(shè)備，用于將開采的煤料由井下工作面輸送至地面。近年來，隨著煤礦智能化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，煤料輸送任務(wù)日益嚴(yán)重，帶式輸送機(jī)輸送距離越來越長，輸送功率越來越大，傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)不能滿足驅(qū)動要求[1-3]。因此為解決現(xiàn)有帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)存在的啟動電流大、機(jī)頭/機(jī)尾功率不平衡等問題，設(shè)計基于倍福控制器的煤礦用帶式輸送機(jī)CAN 總線驅(qū)動系統(tǒng)，保證帶式輸送機(jī)平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

1 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計原則

對煤礦用帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，需充分考慮去驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)的實時性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)各功能模塊之間避免干擾；控制面板上的按鈕需配置急停、復(fù)位按鈕，保證誤操作后能夠迅速停機(jī)；驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計流程需符合帶式輸送機(jī)工藝流程，符合操作者的使用習(xí)慣；需設(shè)計故障分級報警機(jī)制，在顯示故障的同時提示解決該故障的一般方法，便于維修并提升設(shè)備的故障解決效率，縮短設(shè)備停機(jī)時間，提升設(shè)備工作效率[4-5]。帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計具體要求如下：

1）手動控制功能。驅(qū)動系統(tǒng)需設(shè)計手動控制模式，可完成手動控制機(jī)頭、機(jī)尾電動機(jī)的啟停、加減速等功能。

2）自動控制功能。驅(qū)動系統(tǒng)需設(shè)計自動控制模式，按下一鍵啟停按鈕后，帶式輸送機(jī)可自動運(yùn)行，并按照實時負(fù)載完成加速、減速調(diào)節(jié)，在遇到故障時，可自行完成停機(jī)操作。

3）保護(hù)功能。驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測機(jī)頭、機(jī)尾電動機(jī)溫度，溫度異常時進(jìn)行故障報警或者停機(jī)；具備聯(lián)動、連鎖保護(hù)，當(dāng)供電電壓異常或者有故障發(fā)生時時，驅(qū)動系統(tǒng)需立即停機(jī)檢查。

4）故障報警功能。驅(qū)動系統(tǒng)需能夠?qū)崟r監(jiān)測帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，能夠完成分級故障報警，并進(jìn)行故障提示。

2 驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 硬件選型

2.1.1 PLC 控制器及其擴(kuò)展模塊

PLC 控制器選取德國倍福的CX8050，該控制器的控制性能好、控制精度高、組網(wǎng)能力強(qiáng)，配置有專門的伺服電動機(jī)控制模塊。可根據(jù)控制需求，靈活擴(kuò)展AI、AO、DI、DO，以及CAN、CANopen、TCP/IP、RS485以及Modbus 通信模塊[6]。

2.1.2 溫度傳感器

溫度傳感器的工作流程簡介如圖1 所示，被測介質(zhì)的溫度T 作用在溫度傳感器的感應(yīng)部件PT100 上，其輸出電阻值與施加溫度成正比。

圖1 溫度傳感器工作簡介

溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)見表1，溫度測量范圍為0～200 ℃，絕緣等級為H，絕緣電阻值大于等于10 MΩ，時間常數(shù)小于20 s，分度號為PT100。

表1 溫度傳感器主要技術(shù)參數(shù)

2.1.3 液位傳感器

液位傳感器的工作原理是利用靜壓法測量原理，如下頁圖2 所示。當(dāng)液位變送器投入被測液中某一深度時，液體中變送器膜片所受壓力為液體壓力與上部大氣壓力之差ΔP=ρH（ρ 為液體密度；H 為液位高度），則H=ΔP/ρ，已知ρ，測出ΔP，即可求出液位高度H[7-8]。變送器把感受到的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，此信號與液位高度成正比。通過測取壓力差ΔP，可以得到液位深度H。傳感器感測的壓力信號經(jīng)電路轉(zhuǎn)換放大，補(bǔ)償后以標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。

圖2 液位傳感器工作原理

該液位傳感器的主要技術(shù)參數(shù)見表2，測量范圍為0～30 m，輸出信號為4～20 mA 電流信號，過載能力為量程的1.5 倍，即最大測量范圍為45 m。供電電源為直流24 V。

表2 液位傳感器主要技術(shù)參數(shù)

2.1.4 HMI 人機(jī)界面

HMI 人機(jī)界面選用威倫通eMt3070B 型人機(jī)界面。該型號的人機(jī)界面是常用的一種觸摸屏人機(jī)界面，其處理器為32 位；時鐘頻率為800 MHz；存儲器有閃存以及RAM，其中閃存和RAM 的大小都為256 MByte；支持SD 插槽、支持USB、支持以太網(wǎng)接口、支持串行接口、支持音頻輸出，輸入電源為DC 24 V，功耗為800 mA/24 V，滿足NEMA4/IP65 標(biāo)準(zhǔn)，符合EN系列認(rèn)證。該人機(jī)界面價格適中，支持CAN 通信模式，符合本論文的監(jiān)控平臺的選型要求。

2.1.5 其他

BZA2-5/36J（A）型急停按鈕，主要適用于接入36 V及36 V 以下的控制線路中，直接與接觸器配合，對信號、電磁起動器等設(shè)備進(jìn)行急停控制。

帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)模擬量信號主要由溫度傳感器信號、液位傳感器信號，擴(kuò)展一個EL3024 模擬量輸入模塊即可，該模塊為4 路模擬量輸入信號，地址配置見表3。

表3 模擬量輸入點地址配置

2.2 PLC 控制點設(shè)置

擴(kuò)展的數(shù)字量輸出模塊為EL2008，一個EL2008有8 路數(shù)字量輸出信號，擴(kuò)展三個該模塊地址分別為Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.7 以及Q2.0～Q2.7，其中Q2.0～Q2.7為備用。設(shè)計的帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出點配置的具體物理意義見表4。

表4 PLC 數(shù)字量輸出點

2.3 CAN 通信配置

PLC 控制器與遠(yuǎn)程控制平臺之間以及PLC 控制器與機(jī)頭控制器、機(jī)尾控制器、HMI 監(jiān)測平臺之間采用CAN 通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，分別使用CAN0 口、CAN1 口、CAN2 口、CAN3 口。CAN 通信方式接線方便，僅有CANH 以及CANL 兩條線，在實際使用中，為減少通信干擾，最好使用雙絞屏蔽線。擴(kuò)展EL6021CAN 通信模塊分別為遠(yuǎn)程控制平臺、機(jī)頭控制器、機(jī)尾控制器、HMI 監(jiān)測平臺進(jìn)行CAN 通信連接，如圖3 所示。

圖3 CAN 通信配置

2.4 HMI 界面設(shè)計

煤礦用帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)PLC 控制器與HMI監(jiān)測平臺eMT3070B 進(jìn)行CAN 通信時，需要將數(shù)據(jù)與監(jiān)測平臺上的位點地址進(jìn)行一一對應(yīng)。PLC 主站控制器與監(jiān)控平臺之間以CAN 通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制指令的傳遞。采用CAN2.0B 協(xié)議，設(shè)置波特率為250 kbit/s，幀格式為標(biāo)準(zhǔn)幀格式，HMI 監(jiān)測平臺的節(jié)點號為2。設(shè)計并完成帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)HMI 監(jiān)控平臺畫面主要有準(zhǔn)備界面、參數(shù)設(shè)置界面、手動操作界面、自動操作界面、保護(hù)界面以及報警查詢界面6部分，通過點擊該界面的6 個按鈕可分別進(jìn)入不同的界面。

3 應(yīng)用效果分析

設(shè)計并實現(xiàn)的煤礦用帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤公司姜家灣煤礦進(jìn)行為期6 個月的工業(yè)試驗，起始時間為2021 年3—9 月，對帶式輸送機(jī)運(yùn)行時的帶速、機(jī)頭/機(jī)尾電動機(jī)的油溫、油壓、負(fù)載、運(yùn)行時間等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該用該驅(qū)動方案后，帶式輸送機(jī)啟動平穩(wěn)，空載或者恒速爬坡時的實際帶速與給定速度同步。負(fù)載變化時，實際帶速約下降9%，但在很短時間內(nèi)恢復(fù)至給定速度，機(jī)頭、機(jī)尾電動機(jī)輸出功率平衡，能夠?qū)崟r響應(yīng)負(fù)載變化。

4 結(jié)語

1）設(shè)計以CX8050 控制器為核心的煤礦用帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)方案，給出硬件選型、控制器配置、通信配置以及監(jiān)控平臺設(shè)計。

2）實現(xiàn)了帶式輸送機(jī)啟動平穩(wěn)，機(jī)頭、機(jī)尾功率平衡，帶速實時響應(yīng)負(fù)載變化的驅(qū)動控制系統(tǒng)。

3）液壓支架單機(jī)、成組、聯(lián)動、自動跟機(jī)等多種控制模式，滿足綜采工作面液壓支架控制需求。

4）設(shè)計帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)HMI 監(jiān)測平臺，增強(qiáng)了驅(qū)動系統(tǒng)的可視性和可操作性。