王 新，郭 俊

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014109；2.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

煤礦主立井提升系統(tǒng)中，定量裝載作業(yè)作為煤炭提升運(yùn)輸中的一個(gè)組成環(huán)節(jié)，其運(yùn)行狀況的高效與否直接影響著整個(gè)礦井的產(chǎn)出。新版《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定箕斗提升必須采用定重裝載，主要為了保證箕斗內(nèi)所裝煤炭的實(shí)際重量≤箕斗額定載重，防止超重墜斗事故的發(fā)生。目前，煤礦井下裝載作業(yè)主要有2種裝載方式：定量斗和定量輸送機(jī)裝載[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)上述2種裝載方式存在的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行了不同方法的改進(jìn)。如王淼[2]等考慮到大型容器在對(duì)物體稱重時(shí)，受本身結(jié)構(gòu)影響，難以保證容器在裝載過(guò)程中的穩(wěn)定性，故建立了定量斗三維模型，通過(guò)對(duì)裝載過(guò)程中沖擊載荷的計(jì)算，分析出了定量斗重心位置隨裝載煤量變化的變化公式，為定量容器設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，具有較大的參考價(jià)值；秦健等[3]基于PLC、觸摸屏、模擬量模塊等主要元件，設(shè)計(jì)了一種新的定重帶式輸送機(jī)箕斗裝載提升控制系統(tǒng)，主要是在輸送機(jī)下均勻分布安裝8個(gè)液壓稱重裝置，取平均值作為最終的稱重結(jié)果，具有較大的借鑒價(jià)值，但存在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性不高等缺點(diǎn)。本文結(jié)合煤礦主立井提升運(yùn)輸實(shí)際工作情況，從原有煤礦井下裝載設(shè)備的基礎(chǔ)上出發(fā)，分析、總結(jié)所涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)定量裝載稱重方法和裝置進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高的可控箕斗定量裝載設(shè)備，為煤礦設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求的定量裝載設(shè)備和合適的裝載控制系統(tǒng)提供了指導(dǎo)，加強(qiáng)了煤礦提升的科學(xué)化管理和自動(dòng)化水平。

1 總體方案設(shè)計(jì)

可控定量裝載設(shè)備由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，二者協(xié)同完成主立井煤炭的定量裝載作業(yè)。硬件機(jī)構(gòu)主要包括儲(chǔ)煤裝載倉(cāng)、稱重模塊、活溜槽、扇形門、液壓缸等，是通過(guò)AutoCAD Electrical 2012制圖軟件繪制、加工完成的。同時(shí)，由于可控定量裝載設(shè)備的控制要求不高，故采用西門子S7-200 PLC控制器作為系統(tǒng)的控制核心；軟件部分包含PLC控制軟件和觸摸屏軟件。其中，PLC控制軟件主要負(fù)責(zé)定量裝載設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，并自動(dòng)輸出邏輯控制命令。觸摸屏軟件采用北京昆侖通泰公司開發(fā)的MCGS通用版6.2編寫，用戶可通過(guò)觸摸屏與PLC進(jìn)行通訊，查詢相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)并進(jìn)行手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息交互[4]。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2 定量裝載設(shè)備設(shè)計(jì)

定量裝載設(shè)備主要由儲(chǔ)煤裝載倉(cāng)、稱重模塊、活溜槽、扇形門、液壓缸等組成。其中，儲(chǔ)煤裝載倉(cāng)用來(lái)接收膠帶機(jī)輸送過(guò)來(lái)的煤，方便稱重模塊完成對(duì)煤炭的稱重計(jì)量；稱重模塊主要是基于力-電轉(zhuǎn)換原理，將采集到的模擬信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給PLC，并與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的噸數(shù)進(jìn)行比較，從而作出相應(yīng)的邏輯判斷；活溜槽和扇形門則用來(lái)控制儲(chǔ)煤裝載倉(cāng)中的煤是否流入箕斗，開啟或關(guān)閉都有一定的順序，受S7-200 PLC控制；液壓缸則是為扇形門和活溜槽的啟閉提供動(dòng)力來(lái)源[5]。定量裝載設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定量裝載設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 稱重模塊的設(shè)計(jì)

稱重模塊的類型很多，具體型號(hào)可根據(jù)儲(chǔ)煤裝載倉(cāng)的容量進(jìn)行選擇?？紤]到測(cè)量原理、工藝成熟度等方面，其內(nèi)部采用了全橋式應(yīng)變傳感器。稱重模塊選用動(dòng)載稱重類型，可供選擇的型號(hào)有CWC，CW等。其中，CWC型號(hào)為不銹鋼材質(zhì)，可承受220kg～20t的重量，輸出靈敏度2.007mV/N，輸入阻抗728Ω，供電電源電壓10V，綜合誤差0.05%FS。稱重模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 稱重模塊結(jié)構(gòu)示意

2.2 活溜槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活溜槽是煤炭裝載系統(tǒng)中重要的設(shè)備，其作用是減少裝載時(shí)的撒煤。活溜槽固定在計(jì)量裝載倉(cāng)下端，其下面安放有液壓缸，活溜槽和液壓缸連在一起。當(dāng)活溜槽需要打開時(shí)，液壓站打開液壓缸，提供動(dòng)力頂出活溜槽；當(dāng)活溜槽需要關(guān)閉時(shí)，液壓缸收回并拉回活溜槽。正常情況下，傳感器檢測(cè)箕斗到位后，活溜槽才可以動(dòng)作，起到位，扇形門才可以打開，反之亦然，從而保證不會(huì)撒煤。另外，計(jì)量裝載倉(cāng)內(nèi)如果是空的，或者卷?yè)P(yáng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，活溜槽也是無(wú)法動(dòng)作的，這樣就減少了誤動(dòng)作，保證了系統(tǒng)的安全可靠?；盍锊劢Y(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 活溜槽結(jié)構(gòu)示意

2.3 扇形門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扇形門和液壓缸一端連在一起，扇形門開啟關(guān)閉依靠液壓缸提供的動(dòng)力。當(dāng)扇形門需要打開時(shí)，液壓缸收縮拉動(dòng)扇形門，完成扇形門開啟動(dòng)作；當(dāng)扇形門需要關(guān)閉時(shí)，液壓缸伸出帶動(dòng)扇形門，完成扇形門關(guān)閉動(dòng)作。為了定量裝載作業(yè)的效率，扇形門打開、關(guān)閉時(shí)間應(yīng)不大于5s。扇形門結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 扇形門結(jié)構(gòu)示意

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC軟件和觸摸屏軟件設(shè)計(jì)2部分內(nèi)容。其中，PLC軟件設(shè)計(jì)中采用梯形圖語(yǔ)言的編程方式，主要負(fù)責(zé)定量裝載設(shè)備運(yùn)行的控制和傳感器信號(hào)的采集；觸摸屏軟件設(shè)計(jì)選用的是北京昆侖的MCGS嵌入式組態(tài)軟件，以便與硬件配套，主要完成現(xiàn)場(chǎng)人員與設(shè)備的信息交互[6-7]。同時(shí)，在實(shí)際控制方面，采用了閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制2種控制方式。

3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦主立井箕斗定量裝載實(shí)際的自動(dòng)化生產(chǎn)流程，整體設(shè)備運(yùn)行的控制程序功能應(yīng)包括：自動(dòng)/手動(dòng)控制、急?？刂啤⒎Q重采集、扇形門啟停、活溜槽啟停、儲(chǔ)煤裝載倉(cāng)超載報(bào)警等功能。通過(guò)主控制器S7-200 PLC來(lái)調(diào)用各功能控制模塊，驅(qū)動(dòng)硬件機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，協(xié)同配合，共同完成定量裝載作業(yè)的有序進(jìn)行。各控制模塊功能如下：

(1)扇形門、活溜槽啟停模塊 為了確保井下裝載作業(yè)的安全性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了閉鎖功能。如扇形門和活溜槽關(guān)不到位時(shí)，膠帶機(jī)、放礦機(jī)便無(wú)法運(yùn)行。另外，當(dāng)箕斗不到位時(shí)，扇形門和活溜槽便無(wú)法打開，以防煤炭誤流出去；當(dāng)箕斗到位時(shí)，溜槽起來(lái)，扇形門打開，煤就會(huì)從裝載里流到箕斗里，然后，扇形門關(guān)閉，活溜槽落到位，膠帶機(jī)啟動(dòng)，放礦機(jī)運(yùn)行。在一個(gè)循環(huán)過(guò)程中也不可以二次打開扇形門和活溜槽，防止箕斗超載工作[8]。扇形門啟停程序如圖6所示。

圖6 扇形門啟停程序

(2)稱重滿載模塊 當(dāng)PLC代碼接收到稱重模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)值時(shí)，根據(jù)代碼的邏輯執(zhí)行對(duì)應(yīng)的代碼，并開始計(jì)時(shí)。其中，300，3000，3500分別是空設(shè)定值、滿載設(shè)定值、超載設(shè)定值。如當(dāng)裝載倉(cāng)內(nèi)的煤炭重量等于滿載設(shè)定重量時(shí)，放礦機(jī)停止放礦，膠帶機(jī)運(yùn)行5s后停止。稱重滿載程序如圖7所示。

圖7 稱重滿載程序

3.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

為了達(dá)到對(duì)礦井定量裝載自動(dòng)化作業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，方便操作人員實(shí)時(shí)進(jìn)行查看，利用RS485接口完成昆侖通泰觸摸屏和西門子200的通信，獲取井下定量裝載設(shè)備的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，并以“報(bào)警燈”和“數(shù)字”的形式顯示出來(lái)。觸摸屏主界面主要顯示定量裝載設(shè)備所裝載煤炭的重量，液壓站泵、放礦機(jī)、扇形門、活溜嘴的到位狀態(tài)以及運(yùn)行方式等。操作人員只需根據(jù)界面顯示便可實(shí)時(shí)掌握裝載設(shè)備的運(yùn)行狀況，并判斷相應(yīng)的故障，有效地保障了煤礦的安全生產(chǎn)。

在使用昆侖通泰公司的MCGS軟件編寫主界面時(shí)，首先需要安裝對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)軟硬件的有效連接；然后，需要建立變量表，并進(jìn)行屬性設(shè)置；接著，在用戶窗口中設(shè)計(jì)與用戶交互的主界面，添加各種功能子模塊；最后，將各變量進(jìn)行連接，完成與西門子S7-200的數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)時(shí)地顯示定量裝載自動(dòng)化作業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)煤礦主立井裝載設(shè)備存在的問(wèn)題，從原有煤礦井下裝載設(shè)備的基礎(chǔ)上出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高的可控箕斗定量裝載設(shè)備，利用PLC編程軟件和組態(tài)軟件建立井下定量裝載自動(dòng)作業(yè)的控制邏輯和人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)掌握對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線上各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，提高了企業(yè)在礦井自動(dòng)化管理方面的水平和效率，為礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障[9-10]。