刮板輸送機智能控制系統的分析與應用

李 政

（晉能控股煤業集團機電管理分公司， 山西 大同 037003）

引言

根據晉能控股煤業集團智能化建設的要求，以山西大同某煤礦8633 工作面為研究對象，進行了刮板輸送機智能控制系統的應用研究，以提高煤礦開采設備的智能化程度，實現節能降耗的目的。

1 刮板輸送機智能控制的構建

山西大同某煤礦8633 工作面刮板輸送機智能控制系統嚴格按照國家及行業相關標準設計制造。該系統由工控機和PLC 組件構成智能控制和基礎控制的核心，雙重主從控制器結構采用標準RS485 及DP-DP 工業通信方式，具備各類信號采集接口、本地和遠程控制接口、運行監控顯示器。

主控器通過變頻器的運行數據、煤量信息等，實現對刮板輸送機的智能控制，能夠對刮板輸送機進行啟停控制、機頭頭尾動態功率協調控制、根據煤量信息自動調速控制，并同時與采煤機、轉載機和皮帶機實現雙向協同控制，實時記錄刮板機運行時傳動部件的狀態數據，顯示刮板輸送系統運行的實時狀態信息，進行數據監控和分析，并提供故障的描述和解決方案等。刮板輸送機智能控制系統的組成和布局拓撲圖如圖1 所示。

圖1 智能控制系統的組成和布局拓撲圖

2 刮板輸送機智能控制系統功能和特點分析

2.1 刮板輸送機智能控制系統功能分析

2.1.1 智能啟動功能和智能調速功能

刮板輸送機智能控制系統具有智能啟動功能，啟動采用分階段控制方法，即啟動之初采用預張緊控制策略，通過對機頭、機尾電機的分別控制，張緊輸送機底部的鏈條，之后機頭、機尾電機才會同時啟動運行。啟動完成后，在設定時間內較高速運行清理浮煤，之后進入設定的低速運行狀態，帶載后再進行智能自動調速[1]。

刮板輸送機帶載后，采用多參數混合邏輯控制方式進行煤量檢測與智能調速。在設備運轉時可實現煤量增多時加速，煤量減少時減速，空載時低速運行的功能。通過減少回轉次數，降低磨損量，可延長設備使用壽命。調速策略采用分級調速，避免因負載波動而頻繁調速，控制系統綜合以下多路信息，按照權重關系、優先級及影響度進行綜合計算做出調速指令：

1）設置激光掃描雷達，采用激光- 時間飛行原理，非接觸式檢測的方式，對通過的煤量進行檢測計量積算分析。

2）通過對電機輸出力矩的檢測，判斷刮板輸送機上煤量的增減。

3）根據工作面煤層的參數，結合采煤機的位置、牽引速度、截割電流等判斷輸送機的裝載量（采煤機提供必要的信息）。

2.1.2 鏈條自動保護和斷鏈監測控制

為避免停機時刮板鏈一直處于張緊狀態，產生彈性變形，增加刮板鏈疲勞，設置鏈條自動保護模式，即停機時能自動松鏈，釋放應力。當刮板輸送機接到啟動指令時，開啟機尾自動伸縮裝置，將刮板鏈張緊到合適的預緊力，進入到工作模式狀態。采用電液控自動伸縮機尾，通過遠程控制。控制系統具有獨立的CPU，采用磁致位移傳感器控制油缸行程，利用可調式節流閥保證伸縮缸動作平緩。保護系統借助自身的工業DP 總線接口，作為一個子系統分站接入到工作面成套運輸設備智能集控系統中，實時監測并提取鏈條張緊力數據，并接受上級控制系統的運行指令。

斷鏈監測控制由斷鏈監測傳感器和控制器組成，在靠近刮板輸送機機頭尾位置的偏轉槽上設置安裝傳感器，實時探測下鏈道的刮板鏈，其信號通過監測箱傳遞給控制系統[2]。當檢測到斷鏈通過時，控制器向集控系統發出異常信號，進行鏈條預警，必要時緊急停機，作為智能刮板機子系統與集控系統一起完成鏈條斷鏈的監測與保護。同時、雙鏈斷鏈可由電機扭矩變化直接測出，并緊急停機，如圖2 所示。

圖2 斷鏈監測功能示意圖

2.1.3 功率協調和雙向協同作業控制

可根據刮板機的負載情況，自動分配機頭和機尾的驅動功率，使機頭尾電機隨負載的變化準確自動平衡分配功率，重載運行時采用功率相等控制，不平衡度小于2%，防止電機出力不均造成使用壽命縮短。采用機頭尾電機獨立控制方式，始終保證機尾上鏈不過緊，減輕對槽幫上沿壓力，減少對槽幫的磨損。

在刮板輸送機與采煤機、轉載機、皮帶機等設備之間預留信息互通接口，上下級設備之間可互通信息，掌握運行工況，從而可以實現調整自身運輸能力的目的，做到各級工作能力的匹配。

2.1.4 低速檢修和監測與專家系統智能控制系統

在檢修模式下對刮板輸送機的速度按需要設置調整，并對電機輸出轉矩進行限制，防止故障條件下事故的擴大，最大限度地保護設備和人員。

系統具有獨特的建模、強大的組態、專業的分析、豐富的界面，通過對刮板輸送機的運行時間、運輸距離、運輸量等數據進行記錄，對設備的主要參數、設備故障、運行溫度及負荷等關鍵數據進行分析，建立完善的數據庫[3]。自動生成設備運行記錄、設備故障記錄、開機率和負荷率記錄、產量記錄，多畫面顯示系統及設備工況，通過多周期數據積累指導設備維修，也可作為遠程專家故障診斷的依據。

2.2 刮板輸送機智能控制技術特點

刮板輸送機智能控制系統具有輕載啟停時間短、重載啟停時間長等特點，描述如下：

1）啟動平穩。能根據負載大小自動調整啟動時長，啟動時間0~1 800 s 可調；鏈條加速度小于0.02 m/s2。

2）滿足重載啟動要求，零速下轉矩達2 倍額定轉矩。

3）運行中鏈速能自動調整，根據空載、輕載和滿載等輸送機運量的變化，智能地調節刮板的運行速度，速度變化范圍不小于30%。

4）具有機頭尾電機動態功率平衡功能，不平衡度小于2%。

5）在設備長時間停機時能自動松鏈、釋放應力，實現刮板鏈條的自動保護。

6）低速檢修模式速度可按需要調整，并可對電機的輸出轉矩進行限制。

7）能夠對零部件的運行狀態實時進行監測、記錄及分析判斷。

3 刮板輸送機智能故障診斷系統

從設備維護的角度來說，刮板輸送機傳動部的核心是減速器。研究其減速器的在線故障診斷技術可以進一步提高減速器的使用壽命和可靠性，減少煤礦井下設備的維護時間；從礦井自動化建設的方面來說，實現刮板輸送機傳動部的監測和在線故障診斷可為實現整機系統自動控制打下堅實的基礎[4]。

3.1 故障診斷系統技術特點

刮板輸送機智能成套裝備在線專家故障診斷系統的技術特點：

1）采用在線鐵譜監測技術對刮板機減速器潤滑油油質進行實時分析監測。上位機通過以太網絡控制減速器內的基于傳感器的工作完成在線鐵譜圖像的采集，提取相對磨粒含量、相對磨損率、相對磨損烈度等參數信息，掌握油液中磨粒情況，進而對減速器潤滑油油質進行實時分析監測。

2）通過理論計算和試驗結合的方法獲得刮板機鏈輪軸組和減速器在實際運行過程中振動和噪聲的頻諧數據庫；建立刮板輸送機減速器故障診斷專家系統的知識庫，構建推理機制，以嵌入式系統為載體實現在線專家故障診斷功能。該技術為刮板輸送機綜合故障診斷及關鍵零部件使用壽命預估打下了基礎。

3.2 刮板輸送機故障診斷

故障診斷系統實現功能包括減速器潤滑油中金屬磨屑含量在線監測、減速器高速軸與低速軸的軸承振動監測與診斷，刮板輸送機其他常規運行狀態參數的監測、預警預報、查向功能、離線數據分析、數據管理、遠程Web 瀏覽等部分[5]。

4 應用效果分析

1）刮板運輸機實現了智能啟動，通過分階段控制方法有效的保障了啟動的平穩性；

2）實現煤量監測與智能調速，系統可以對輸送煤量的變化進行實時檢測，并根據煤量的變化智能調速，節能降耗效果理想；

3）實現了各電機功率動態協調，不平衡度小于2%，防止電機出力不均造成使用壽命縮短；

4）智能故障診斷系統的應用對設備關鍵元部件進行實時監測、診斷和預警，降低了設備的故障率；

5）智能控制系統的應用后，降低了設備的能耗，延長了設備的使用壽命，經濟社會效益顯著。