煤礦快速裝車系統控制方案設計應用*

李琳蕓

(山西潞安環保能源開發股份有限公司王莊煤業，山西 長治 046031)

0 引 言

煤炭裝載與運輸是煤礦生產的關鍵環節之一，隨著煤炭轉載與運輸水平的不斷提升，人們的關注重心逐漸趨向于裝載效率、裝載過程的智能化、精細化以及安全性。而煤礦裝車過程中的超重、欠重、偏載、撒煤、行車冗余、監視失效等問題極大阻礙了裝車效率和裝車質量，成為制約煤炭銷售的關鍵問題。因此，研究高效、快速、精細化、智能化的煤礦裝車系統成為亟待解決的問題。目前，煤礦裝車控制系統關注的焦點為提升裝車速度、裝車精度以及裝車系統間的協同控制。如美國、澳大利亞、南非等公司相繼設計并生產了首套用于煤礦的快速裝車系統，其使用效果良好，在保證煤礦裝車系統安全的前提下，提升了煤礦裝車效率[1-2]。有學者對25 t軸重的C80運煤裝載系統進行研究，重點分析了該裝煤系統的時序控制并進行仿真，結果表明所設計的裝載系統滿足實際工況使用要求[3]。某煤礦企業設計裝車、稱重過程同步進行的快速裝車系統，即邊稱重邊裝車或者預裝車后稱重，引入RBF、BP神經網絡預測控制，提升稱重精度。

目前，煤礦快速裝車系統存在的問題主要有：①系統控制精度差，傳感器設備測量精度不足，控制系統對裝車過程中的突發情況的應對預案有限。同時，人工操作時完全依靠個人經驗，無法達到高精度裝車需求；②裝車系統中的儀器儀表落后、陳舊，無法保證裝車系統的安全性、可靠性；③控制模式落后，無法完成對裝車系統的自動控制以及裝車過程中數據的自動處理。結合以上問題，以煤礦用裝車系統為研究對象，以智能控制技術、傳感器技術、通信技術以及監測監控技術為手段，通過對原快速裝車控制系統進行優化，達到裝車系統快速、連續、安全、穩定、精確運行的目的。

1 系統設計

為滿足王莊煤業快速裝車系統需求，快速裝車系統的設計優化目標為：①采用主、從控制技術，能夠快速、精確處理裝車系統控制單元，監測單元數據，并對控制指令、監測異常數據做出快速響應；②優化儲煤倉、定量倉、緩沖倉、帶式輸送機間的控制邏輯關系，完善協同控制流程；③實現快速裝車過程中的自動控制、人工控制模式設定以及兩種控制模式間的無縫切換。

煤礦快速裝車系統設計優化方案如圖1所示，分為控制單元設計、PLC主從控制單元設計、監測單元設計、監控平臺設計四部分。根據煤礦運輸煤料流程中的給煤機→儲煤倉→緩沖倉→定量倉→裝車溜槽→待裝列車車廂的自動控制過程，實現在監控平臺上的一鍵啟停控制，實現列車裝煤過程中全程無人化/少人化裝煤[4]。以PLC主控控制為核心，實現儲煤倉、帶式輸送機、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽以及待裝列車的參數監測以及控制信號的生成，如監測此次同煤倉的溫度、CH4、CO、料位等參數，監測待裝列車車廂的準確位置、速度、車廂料位高度等參數，同時當列車行進至指定位置后，生成一個控制信號，傳送給裝車溜槽。應用通信技術，實現PLC控制器主站與PLC控制器分站的CAN通信設計，實現PLC控制器主站與監控平臺的CAN通信設計。

圖1 煤礦快速裝車系統控制方案系統設計

2 硬件設計

煤礦快速裝車系統硬件部分主要由給煤機、減速器、電動機、控制器、傳感器、變頻器、監控平臺以及開關按鈕等組成。選用的給煤機為往復式給煤機，由新鄉市中鑫機械設備有限公司生產，型號為GZW-4(K4)，額定功率為30 kW，額定電壓為660/1 140 V，處理能力為800～1 200 t/h。配置的減速器為江蘇泰隆生產，型號為ZLY-250-IX-12.5，傳動比為12.5，中心距為430 mm。配置的電動機為臥龍電氣南陽防爆公司生產的隔爆型三相異步變頻電動機，型號為YB3-250M-6，額定功率為37 kW，額定電壓為660/1 140 V，額定轉速為985 r/min。選用的主從控制器均為西門子315-2-DP S7-300型，與S7-200型控制器相比，西門子在響應速度、處理能力、擴展能力、組網能力等方面具有較大優勢，滿足快速裝車控制系統的優化設計需求。為實時監測快速裝車系統運行狀態，需在裝車系統中安裝溫度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、稱重傳感器以及傾角傳感器等，其中稱重傳感器為核心設備，安裝于定量倉四角，選用的型號為CYB-606S，該稱重傳感器采用半浮動方式，方便與定量倉相連，稱重精度可達±0.1%，量程范圍為0～300 kg～100 t，輸出信號為4～20 mA電流信號。位移傳感器選用型號為GS471的滾珠軸承式數字傳感器，量程范圍為0～30 mm，分辨率可達10 μm。監控平臺選用型號為西門子SM7090B型人機界面，該人機界面支持CAN、CANopen、Modbus以及TCP/IP等多種通信模式，具備RAM1 024 M以及SD卡超大空間存儲能力，滿足快速裝車系統數據存儲要求。

煤礦快速裝車系統控制優化方案采用PLC主從控制，詳細如圖2所示。PLC分站控制器控制給煤機和帶式輸送機，帶式輸送機以變頻方式進行控制。PLC主站控制器控制煤料由帶式輸送機輸送至緩沖倉后的過程，即煤料由緩沖倉到定量倉，達到裝車溜槽直至待裝列車車廂的過程。根據實際硬件要求，PLC控制器需要擴展多個數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊以及CAN通信模塊。數字量輸入模塊主要負責接收設備運行信號、電源信號、控制方式、限位開關等，數字量輸出模塊主要負責輸出給煤機控制信號、帶式輸送機控制信號、緩沖倉閘門控制信號、定量倉閘門控制信號以及裝車溜槽控制信號[5-6]。模擬量輸出模塊主要為儲煤倉、帶式輸送機皮帶、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽以及待裝列車的狀態、數據檢測傳感器信號。另外，PLC主站控制器還負責與監控平臺進行CAN通信，實現自動定量裝車過程的可監測、可監控。

圖2 煤礦快速裝車系統控制方案硬件設計

根據快速裝車控制系統設計要求，對主從控制器端口地址進行分配，詳見表1所列，分別定義了給煤機、閘門電機、牽引電機的輸入信號、故障信號、輸出信號以及控制模式信號；定義了儲煤倉、緩沖倉、定量倉的溫度、料位、位移、重量、CH4、CO等模擬輸出信號；定義了待裝列車的位置、速度、物位信號等。根據主從控制器地址分配表，完成控制器與外部傳感器、按鈕等的電氣接線。

表1 煤礦快速裝車系統控制器端口地址分配

3 軟件設計

煤礦快速裝車系統控制軟件基于TIA portal軟件平臺進行編程實現，采用ST語言進行編寫，按照上述系統設計方案、硬件設計方案分別編寫快速裝車系統的PLC主程序、自動定量裝車程序、控制單元程序、監測單元程序、互鎖程序、故障報警程序、CAN通信程序等。煤礦快速裝車系統控制方案軟件設計流程如圖3所示，分別對快速裝車系統的儲煤倉、帶式輸送機、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽等進行邏輯控制和互鎖控制，保證快速裝車系統安全、連續、穩定運行。煤礦快速裝車系統上電后，控制系統首先進行初始化和自檢過程，保證控制系統無故障和隱患。為及時、準確裝車，控制系統還需獲取裝車參數，如車型、容量、節數等。快速裝車系統確認裝車參數后，依次啟動帶式輸送機、給煤機向緩沖倉蓄煤，當緩沖倉內煤料料位達到設定高度后，依次停止給煤機、帶式輸送機。緩沖倉通過四級閘門控制向定量倉卸煤并在定量倉中完成煤料的精確稱重，當待裝列車到達后，通過溜槽、定量倉二級閘門控制進行快速、精準裝車。

圖3 煤礦快速裝車系統控制方案軟件設計

4 試驗分析

4.1 試驗概況

為驗證優化后的煤礦快速裝車控制系統的有效性和適用性，在山西潞安王莊煤業進行試驗驗證。用于試驗的煤礦快速裝車車型為C70，共66節，裝載容量為70 t。試驗時間從2020年7月～2020年12月，裝車統計數據見表2所示。

表2 煤礦快速裝車試驗統計數據

4.2 試驗結果

對快速裝車系統試驗數據進行統計分析發現，6個月的試驗周期內，該快速裝車系統累計運輸煤料738.942萬噸，累計裝載整列列車1 459列，平均裝載單列列車的時間為45 s/節，裝載整列列車的時間約為52～59 min，裝車精度控制在0%～0.41%之間，滿足煤礦快速裝車系統要求。

4.3 存在問題及解決措施

在對設計并實現的煤礦快速裝車系統控制方案進行試驗時，發現一些問題，及時進行記錄并商討解決方案，具體如下。

(1) 緩沖倉經常性地發生煤料外溢，且煤料外溢后給煤機仍處于運行狀態。原因主要是緩沖倉料位控制與給煤機之間未設計互鎖控制邏輯。解決方法是增加緩沖倉與給煤機之間的互鎖邏輯控制，即當緩沖倉料位超過設定高度后，需停止給煤機運行，待緩沖倉料位低于設定高度后，給煤機才可以重新啟動。

(2) 定量倉稱重時的誤差較大，嚴重時導致定量倉煤料外溢。原因主要是定量倉四角稱重傳感器安裝存在問題，未找準水平線。解決方法是找準水平線，重新安裝四角稱重傳感器。

(3) 裝車溜槽的上下調整時機有誤，且調整的高度不準確。原因主要是PLC監測單元程序在對待裝列車車廂的光電傳感器進行數據轉換時，出現錯誤處理，導致PLC監測程序判斷的待裝列車車廂的位置不正確。另安裝在待裝列車車廂的超聲波物位計的接線有問題，導致超聲波物位計沒有輸出信號。解決方法是修改PLC監測程序中對光電傳感器的處理流程。重新連接超聲波物位計的接線。

(4) 裝車系統的監控平臺的數據無法顯示。主要是因為PLC主站控制器的CAN通信參數設置與監控平臺的CAN通信參數設置不一致。解決方法是注意查看PLC主站控制器的CAN通信參數設置與監控平臺的CAN通信參數設置。發現二者設置的波特率一個為115 200 bps，一個為9 600 bps。統一修改CAN通信波特率為9 600 bps。

(5) 試驗中發現，系統對緊急情況處理能力不足。應該增加給煤機急停按鈕，增加帶式輸送機急停按鈕、增加緩沖倉閘門控制急停按鈕、增加定量倉閘門控制急停按鈕，并在監控畫面中增加總急停按鈕。

5 結 語

以煤礦快速裝車系統為研究對象，重點介紹了PLC主從控制快速裝車系統設計思路以及軟硬件組成，基于控制器技術、傳感器技術以及CAN總線通信技術對原裝車控制系統進行優化并完成試驗。同時對試驗中存在并發現的問題給出相應的解決方案，為煤礦快速裝車控制系統的優化升級提供參考。經過在山西潞安王莊煤業的試驗，得出以下結論。

(1)設計并實現的煤礦快速裝車系統控制優化方案，以主從控制器為核心，以CAN總線通信方式實現對控制單元、監測單元以及監控平臺的實時控制。

(2)經工業試驗驗證，該煤礦快速裝車系統可將裝車精度控制在0～0.41%之間，裝車時間縮短至52～59 min范圍內，提升了煤礦裝車系統的工作效率。