翟 文

(神華寧夏煤業(yè)集團梅花井煤礦，寧夏回族自治區(qū)銀川市，751411)

1 引言

傳統(tǒng)刮板輸送機通常具有以下特點:

(1)為了滿足啟動或特殊情況的使用，設備選型時通常配置能力偏大且具有較大裕度，一定程度上造成資源的浪費。

(2)工作面輸送系統(tǒng)自問世以來全部為恒速工作制，即刮板輸送機在啟動后就以額定轉(zhuǎn)速恒速運行。

(3)在實際生產(chǎn)中，刮板輸送機的運量通常達不到設計值，刮板輸送機有一半的時間在空運行或以一半的設計輸送能力在工作。

(4)無論煤量大小或有無物料均恒速運行，產(chǎn)生無功高轉(zhuǎn)速運行下不必要的運轉(zhuǎn)磨損，特別是在煤量較少或空運轉(zhuǎn)時設備磨損更快。

相對于傳統(tǒng)刮板輸送機，研究和應用智能刮板運輸機的優(yōu)勢在于一是能根據(jù)工作面產(chǎn)量調(diào)整輸送機的能力；二是提高驅(qū)動部的工作效率，減少無用作功；三是降低設備磨損、延長壽命；四是降低開采能耗，節(jié)能減排。梅花井煤礦1110204綜采工作面應用全國首套智能控制刮板輸送機，目的在于進一步推進井工開采裝備的自動化和智能化，提高煤炭開采效率，促進安全生產(chǎn)。

2 智能刮板輸送機控制系統(tǒng)的基本組成

智能刮板輸送機控制系統(tǒng)包括三機語音集控裝置、刮板輸送機智能控制裝置 (ASCS系統(tǒng))、煤量檢測裝置、防爆變頻器、電氣監(jiān)控及鏈條自動張緊裝置以及破碎機紅外安全裝置。該項目在梅花井煤礦的實施一是旨在實現(xiàn)刮板輸送機啟?？刂?、正反轉(zhuǎn)控制、重載軟啟動、機頭尾動態(tài)功率平衡、正常運行時的鏈速調(diào)整以及鏈條張緊力控制等驅(qū)動控制特性；二是旨在實現(xiàn)近程控制與遠程控制以及遠程監(jiān)控和顯示等功能；三是旨在實現(xiàn)采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機和帶式輸送機運輸能力自動匹配特性等相關功能。系統(tǒng)硬件組成和布局拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成和布局拓撲圖

3 智能刮板輸送機控制系統(tǒng)關鍵技術(shù)及功能

智能刮板輸送機控制系統(tǒng)的核心功能有智能啟動、煤量監(jiān)測與智能調(diào)速、機頭機尾動態(tài)功率協(xié)調(diào)、鏈條保護、低速檢修、雙向協(xié)同作業(yè)控制、斷鏈監(jiān)測以及集監(jiān)測、存儲、分析、判斷為一體的專家系統(tǒng)。

3.1 智能啟動

3.1.1 預張緊階段

在啟動之初，通過變頻器的精確控制性能對頭部電機和尾部電機分別進行控制，來張緊底部的鏈條，并將底部鏈條余量轉(zhuǎn)移到上鏈尾部。整個過程中僅尾部電機緩慢運行，而頭部電機保持零速。當?shù)撞挎湕l張緊后尾部電機停止運行，并在啟動開始前保持底鏈的張力。

3.1.2 重載軟啟動

當?shù)祖湉埦o之后，頭部電機和尾部電機同時從零速開始軟啟動運行，軟啟動時間可以從0～1800s自由設置。啟動在低速段能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩 (最大輸出約2倍額定轉(zhuǎn)矩)，以更好地適應重載啟動。

整個智能啟動分為兩個階段，其優(yōu)點在于既要使底部卡鏈的現(xiàn)象不再發(fā)生，又能滿足重載啟動的要求，讓啟動過程最大程度地降低對電機及相關機械設備的沖擊損傷，滿足井下刮板輸送機的控制要求。

3.2 煤量監(jiān)測與智能調(diào)速

3.2.1 煤量監(jiān)測原理

刮板輸送機運煤量采用激光掃描傳感器來檢測，在刮板輸送機頭部或轉(zhuǎn)載機上安裝激光掃描傳感器，激光掃描傳感器首先對下方的刮板輸送機進行掃描，當煤通過監(jiān)測裝置時，激光掃描通過的煤流，煤量監(jiān)測裝置自動計算過煤斷面，并結(jié)合煤流通過的速度計算出單位時間內(nèi)運輸?shù)拿毫俊?/p>

3.2.2 智能調(diào)速

刮板輸送機能根據(jù)其運量的變化 (受采煤機割煤、片幫、推溜等因素影響)調(diào)整鏈速，使刮板鏈以最少的回轉(zhuǎn)次數(shù)及時將綜采工作面原煤運走。在較大的負載范圍內(nèi)，刮板輸送機的鏈速與其上的煤量成正比，整個過程采用比例-積分控制的方法對刮板輸送機的速度進行調(diào)節(jié)，將刮板輸送機上的當前煤量與額定負載對應的煤量進行比較，根據(jù)兩者之差調(diào)節(jié)刮板輸送機的速度，當前煤量大于額定煤量時刮板輸送機提速，當前煤量小于額定煤量時刮板輸送機降速。調(diào)速的目標是將刮板輸送機的負載控制在額定值左右，使得電機的無功功率最低，從而降低刮板輸送機的能耗。調(diào)速的另一個好處是縮短鏈條的行程，延長鏈輪、刮板鏈和溜槽等相關零部件的壽命。煤量與刮板鏈鏈速關系如圖2所示。

圖2 煤量與刮板鏈鏈速關系

3.3 機頭機尾動態(tài)功率協(xié)調(diào)

功率協(xié)調(diào)能夠使頭部和尾部的多臺電機間隨負載變化準確地分配功率，不會使電機過多或者過少承擔功率。其具體實現(xiàn)過程為:變頻器主機與從機之間通過高速工業(yè)總線實現(xiàn)主從通信，變頻器實時讀取電機輸出轉(zhuǎn)矩，并精確地對輸出的轉(zhuǎn)矩進行控制，主機實時將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等信息傳送給從機，從機實時根據(jù)主機傳送的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等信息實時調(diào)節(jié)輸出，從而達到主從功率平衡的目的，最終實現(xiàn)功率平衡。在實際運行過程中，頭部和尾部驅(qū)動所需要完成的職責不同，頭部驅(qū)動主要決定設備的運轉(zhuǎn)速度，承擔主要的負載；尾部驅(qū)動主要是為了張緊底鏈，在負載較大時協(xié)同頭部驅(qū)動拖動負載。功率平衡監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

3.4 鏈條保護

鏈條保護是通過鏈條張緊力控制實時監(jiān)測并提取鏈條張緊力數(shù)據(jù)，接受控制系統(tǒng)的運行指令信號，調(diào)整刮板輸送機系統(tǒng)啟停時的鏈條張緊力。具體實現(xiàn)過程為:刮板輸送機運行前自動張緊到鏈條預緊力要求的范圍內(nèi)；停機后自動調(diào)整鏈條張緊力，鏈條預張力降低到要求的范圍 (處于松弛狀態(tài))。

圖3 功率平衡監(jiān)測結(jié)果

同時，智能刮板輸送機能根據(jù)溜槽上堆煤的多少自動調(diào)整啟動時間以及機頭和機尾滯后時間，并具有鏈條最大載荷保護功能，一方面限制了啟動時作用在刮板鏈上的載荷，避免鏈條因啟動時的沖擊或可能發(fā)生的超載和刮卡而承受超出設計值的負荷(一般為破斷負荷的70%)；另一方面能根據(jù)刮板鏈松緊度、刮板輸送機鋪設長度、彎曲狀態(tài)、溜槽上鏈堆煤和下鏈回煤調(diào)整機頭和機尾電機的變頻啟動特性，避免發(fā)生機頭和機尾電機扭矩共同疊加至機頭過渡段刮板鏈上的現(xiàn)象，進一步保護鏈條。

3.5 低速檢修

智能刮板輸送機控制系統(tǒng)具有低速檢修模式，低速檢修模式可以根據(jù)設置的任意速度來運行，有利于平時的檢修和節(jié)能。當系統(tǒng)接收到啟動信號，首先檢測是否有低速檢修模式信號輸入，若有信號輸入，系統(tǒng)從零速加到檢修速度 (預先通過參數(shù)設定)，并恒定在此速度下運行。

3.6 雙向協(xié)同作業(yè)控制

采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機和帶式輸送機之間通過系統(tǒng)預留的信息互通接口實時進行信息交換，下一級設備 (依次為采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機和帶式輸送機)可以根據(jù)前級設備的工況 (運行狀態(tài)、向下級傳遞物料的量)調(diào)整自身運輸能力或給出上下級設備運行建議，從而做到各級工作能力的匹配。

3.7 斷鏈監(jiān)測

斷鏈是設備使用過程中較為常見和難以處理的故障，借助斷鏈監(jiān)測及報警功能能夠準確地監(jiān)測斷點和位置。當監(jiān)測到一條鏈條斷鏈后，系統(tǒng)會發(fā)出報警并顯示斷點位置；當發(fā)生兩條鏈條斷鏈時，系統(tǒng)會自動緊急閉鎖停機。斷鏈監(jiān)測功能示意圖如圖4所示。

圖4 斷鏈監(jiān)測功能示意圖

3.8 專家系統(tǒng)

在監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，利用專家系統(tǒng)和存儲功能對設備各關鍵零部件運行狀態(tài)實時進行分析，并將結(jié)果上傳給主控系統(tǒng)作出相應的對策。專家系統(tǒng)會對所有的數(shù)據(jù)按照因果關系進行記錄，并會對關鍵零部件的維護周期和使用壽命等作出預判及建議。

4 梅花井煤礦智能刮板輸送機控制系統(tǒng)應用效果

梅花井煤礦對質(zhì)量穩(wěn)定、功能全面以及性能可靠的成套智能刮板輸送機控制系統(tǒng)進行了實際應用，具體實現(xiàn)的內(nèi)容如下:

(1)實現(xiàn)智能啟動。在預張緊控制階段，通過對頭部電機和尾部電機的獨立控制張緊底部的鏈條，實現(xiàn)了刮板鏈啟動自動張緊和停機自動釋放；在重載軟啟動階段，通過精確控制啟動時長、速度和加速度，速度變化平滑使得啟動更平穩(wěn)，這對設備和電網(wǎng)的沖擊更小。

(2)實現(xiàn)煤量監(jiān)測與智能調(diào)速。智能刮板輸送機控制系統(tǒng)能夠根據(jù)輸送煤量的變化智能調(diào)節(jié)鏈速運行，實現(xiàn)了載荷多刮板鏈速高速運行，載荷少刮板鏈速低速運行。分級調(diào)速功能使得鏈速調(diào)整有一定的延時性和穩(wěn)定性，在實時響應的同時避免了頻繁調(diào)速。智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了全范圍連續(xù)長時間變速運轉(zhuǎn)，使刮板鏈以最少的回轉(zhuǎn)次數(shù)及時將工作面原煤運走。

(3)實現(xiàn)各電機功率動態(tài)協(xié)調(diào)。智能刮板輸送機控制系統(tǒng)區(qū)分機頭和機尾驅(qū)動不同角色和需求，按需配置不同的控制包，并且多驅(qū)動單元協(xié)調(diào)作業(yè)。協(xié)調(diào)控制機頭和機尾驅(qū)動部減少了尾部槽幫磨損，降低了設備運轉(zhuǎn)噪音，避免了不平衡沖擊，提高了傳動系統(tǒng)壽命。功率平衡精度不受電動機個體性能差異影響，平衡精度較常規(guī)功率平衡系統(tǒng)提高5～7倍，平衡精度小于2%，平衡反應速度小于10μs。

(4)檢修速度可以任意設定和調(diào)整，便于設備維護保養(yǎng)，電機能夠在7Hz左右穩(wěn)定運行，有利于限制和設定電機安全扭矩，保護設備和人員安全。

(5)智能刮板輸送機控制系統(tǒng)具備與轉(zhuǎn)載機、破碎機、采煤機及帶式輸送機等雙向協(xié)同工作以及信息通訊和上傳功能。

(6)專家系統(tǒng)實現(xiàn)了對關鍵元部件進行實時監(jiān)測、診斷和預警。

(7)極大地節(jié)省了設備的能耗，延長了設備的使用壽命。與目前同類和同規(guī)格的設備相比，能夠降低能耗15%～37%，延長壽命1.44～2.4倍。

5 結(jié)語

智能刮板輸送機在梅花井煤礦的應用實踐證明，智能刮板輸送機系統(tǒng)具有優(yōu)秀的啟動性能和運行調(diào)速能力，通過調(diào)速隨時改變輸送能力與工作面產(chǎn)量匹配，驅(qū)動部在各種狀態(tài)下始終保持高效運行，全面降低了刮板輸送機的能耗和無功磨損，顯著地提高生產(chǎn)效率的同時提高了設備可靠性，延長了設備的使用壽命。

[1]孟國營，李國平，沃磊等.重型刮板輸送機成套裝備智能化關鍵技術(shù)[J].煤炭科學技術(shù)，2014(1)

[2]賈艷麗，魏宏鵬，趙丹陽.基于Hadoop架構(gòu)的蘆溝煤礦綜采自動化系統(tǒng)研究與設計[J].中國煤炭，2015 (3)

[3]馬樹煥.刮板輸送機驅(qū)動裝置的控制技術(shù)及應用[J].防爆電機，2010 (2)

[4]馮國營.礦山刮板輸送機控制技術(shù)應用分析[J].中國礦業(yè)，2008(5)

[5]孫遠敬，徐光明.刮板輸送機鏈條張力自動控制系統(tǒng)研究[J].煤炭工程，2005 (12)

[6]葉萍.刮板輸送機圓環(huán)鏈斷鏈檢測方法的研究[J].中國礦業(yè)大學學報，1997(4)

[7]王騰.刮板輸送機電機負載分配問題分析[J].煤炭科學技術(shù)，1998(8)

[8]肖利平.基于PLC技術(shù)的煤礦井下帶式輸送自動控制系統(tǒng)的研究[J].中國煤炭，2014(5)