張進(jìn)帥

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214）

引言

目前，煤礦開(kāi)采領(lǐng)域已投入了自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)，但整體的自動(dòng)化程度相對(duì)較低，系統(tǒng)控制精度及響應(yīng)速度也較差，人員作業(yè)時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，無(wú)法滿足當(dāng)前實(shí)現(xiàn)煤礦開(kāi)采自動(dòng)化、智能化及無(wú)人化控制的發(fā)展需求[1-2]。將更加成熟的控制技術(shù)應(yīng)用到裝車控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前選煤廠智能化能力提升的關(guān)鍵。

1 現(xiàn)有裝車控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)選煤廠整體已向自動(dòng)化、智能化方向進(jìn)行了改造升級(jí)。部分領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了較高的自動(dòng)化控制。但由于國(guó)內(nèi)鐵路技術(shù)發(fā)展的影響，選煤廠中的自動(dòng)裝車系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)仍存在較多問(wèn)題，主要包括如下幾點(diǎn)：

1）當(dāng)前的裝車控制系統(tǒng)主要依靠人力進(jìn)行半自動(dòng)化操作控制，控制精度及操作流程主要依靠人員的經(jīng)驗(yàn)和熟練度，若經(jīng)驗(yàn)不足，極可能造成裝車效率的降低[3];

2）整個(gè)控制系統(tǒng)中未安裝自動(dòng)及監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)法對(duì)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，人員也無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)情況，極容易造成信息誤判、操作失誤等情況，大大降低了工作效率；

3）由于選煤廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，經(jīng)常出現(xiàn)所傳輸數(shù)據(jù)信息易受到外界干擾、信號(hào)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫蚕鄬?duì)較低，已無(wú)法滿足當(dāng)前較多數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、快速傳輸需求；

4）針對(duì)選煤廠精煤裝車現(xiàn)場(chǎng)所出現(xiàn)的故障問(wèn)題，當(dāng)前控制系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行故障異常報(bào)警，僅能通過(guò)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逐一排查方可解決故障，故障排查效率低、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全性較差[4]。

為此，不斷對(duì)當(dāng)前精煤的裝車控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化控制、參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)、異常情況自動(dòng)識(shí)別及報(bào)警等功能，已是提升裝車控制系統(tǒng)綜合性能的必然方向。

2 自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依托當(dāng)前精煤裝車控制系統(tǒng)的現(xiàn)有基礎(chǔ)，開(kāi)展了精煤自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)包括了PLC控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、上機(jī)位監(jiān)控模塊、通訊模塊、報(bào)警模塊等，主要實(shí)現(xiàn)精煤倉(cāng)口閘門控制、皮帶輸送控制、煤礦重量稱重、水分供給控制、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等功能[5]。其中，系統(tǒng)中的核心控制器選用了西門子的S7-300系列PLC，與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間則通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、RS485等通訊方式進(jìn)行信號(hào)傳輸及通訊；通過(guò)PLC控制器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作、控制、監(jiān)控及相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸；控制系統(tǒng)中的電壓平臺(tái)包括DC24V和DC12V，以滿足系統(tǒng)內(nèi)部的用電需求。

整個(gè)自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)的控制流程為：首先對(duì)火車進(jìn)行車輛識(shí)別，將識(shí)別到的信息傳遞并反饋給PLC控制器中，在PLC控制器中對(duì)火車的入場(chǎng)順序進(jìn)行排序；而裝車時(shí)，控制鐵牛牽引電機(jī)來(lái)帶動(dòng)火車緩慢移動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到火車信號(hào)時(shí)，簸箕和皮帶機(jī)啟動(dòng)，將精煤輸送并通過(guò)簸箕流入火車車廂中，實(shí)現(xiàn)精煤的自動(dòng)裝車。其中，裝煤的流量則通過(guò)PLC控制柜進(jìn)行控制，皮帶機(jī)的傳輸速度則通過(guò)變頻器控制數(shù)字信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制；經(jīng)過(guò)計(jì)算后，在完成精煤重量稱重及對(duì)比判斷后，停止裝煤，火車移動(dòng)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，循環(huán)開(kāi)始下一個(gè)火車裝煤操作，自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)流程圖

3 控制系統(tǒng)主要部分設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制器選型設(shè)計(jì)

PLC控制器時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)運(yùn)算、設(shè)備控制、邏輯判斷、信號(hào)轉(zhuǎn)換及通訊等操作。因此，本系統(tǒng)選用了西門子的S7-300系列PLC控制器，該控制器包括了CPU處理器模塊、開(kāi)關(guān)量輸入及輸出模塊、電源模塊、控制器模塊、模擬量模塊，其中，電源模塊采用了PS307型號(hào)，處理器選用了CPU315型號(hào)，通訊模塊則選用了CP341型，而I/O模塊則采用了光電隔離及防爆型，并將PLC安裝在配電柜中[6]。而配電柜的輸入則采用了AC220V電源，內(nèi)部也按照了穩(wěn)壓電源、開(kāi)關(guān)、繼電器等元器件，由此，完成了PLC的選型設(shè)計(jì)。S7-300系列PLC控制器如圖2所示。

圖2 S7-300系列PLC控制器

3.2 電子軌道稱重分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)精煤放入車廂后，需對(duì)多放入的精煤重量進(jìn)行稱重，以實(shí)現(xiàn)對(duì)精煤裝入量的控制，故設(shè)計(jì)了一套電子軌道稱重分系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在該分系統(tǒng)中，選用了兩個(gè)電阻式重力傳感器，具有過(guò)載能力強(qiáng)、誤差小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可安裝在稱重臺(tái)的兩側(cè)，通過(guò)檢測(cè)到來(lái)自車廂的壓力，利用激勵(lì)拱橋電源的轉(zhuǎn)換作用，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的重量電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換等操作后，將最終處理信號(hào)經(jīng)過(guò)RS485接口傳輸至PLC控制器中進(jìn)行分析判斷和運(yùn)行，當(dāng)重量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，PLC則發(fā)出控制命令，自動(dòng)停止裝煤作業(yè)操作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)精煤重量的稱重操作。稱重系統(tǒng)的原理如圖如圖3所示。

圖3 電子軌道稱重分系統(tǒng)原理圖

3.3 水分供給控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤炭經(jīng)過(guò)洗選后，精煤中會(huì)夾雜著一定含量的水分，較多的水分會(huì)使煤炭質(zhì)量下降，較低水分也會(huì)煤炭重量降低，煤碳中的水分含量是評(píng)價(jià)煤炭經(jīng)濟(jì)價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)。為此，設(shè)計(jì)了一套水分供給控制分系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭中水量的控制及水分檢測(cè)。該分系統(tǒng)中配備了微波式水分儀，安裝在皮帶機(jī)下方的C型框架下，所發(fā)射出微波能穿透煤炭物料，發(fā)射能量的衰減及相位偏移，利用微波的能量衰減及相位偏移，以此來(lái)判斷煤炭中的水分含量。所檢測(cè)到的水分?jǐn)?shù)據(jù)將通過(guò)RS485通訊接口傳輸至PLC控制器中進(jìn)行對(duì)比判斷，當(dāng)檢測(cè)到水分超過(guò)閥值時(shí)，則可通過(guò)輸出模塊來(lái)將噴淋裝置的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小，實(shí)現(xiàn)對(duì)水分供給的控制。所設(shè)計(jì)的水分供給控制分系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 水分供給控制分系統(tǒng)原理圖

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用評(píng)價(jià)

在完成精煤自動(dòng)裝車控制系統(tǒng)的全面設(shè)計(jì)后，為進(jìn)一步驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的綜合性能，將其在選煤廠中進(jìn)行了集成應(yīng)用測(cè)試，主要對(duì)系統(tǒng)的精煤倉(cāng)口閘門控制、皮帶輸送控制、精煤稱重、水分供給控制、異常報(bào)警等方面進(jìn)行全面測(cè)試，測(cè)試周期將近5個(gè)月。經(jīng)過(guò)測(cè)試后，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，功能更加強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性好，能自動(dòng)對(duì)進(jìn)出火車的車輛號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，成功解決了傳統(tǒng)的人工輸入車號(hào)的痛點(diǎn)。同時(shí)，整個(gè)過(guò)程的設(shè)備啟停、精煤裝量、水分供給控制等方面均。實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化自動(dòng)控制，全程無(wú)人員進(jìn)行操作控制；經(jīng)抽樣，每個(gè)火車車廂內(nèi)的精煤重量基本相同，實(shí)現(xiàn)了精煤裝量的精確控制。另外，該控制系統(tǒng)針對(duì)裝車過(guò)程出現(xiàn)的水分過(guò)多、重量過(guò)重、超載、溫度過(guò)高等異常情況也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警提示及故障位置顯示，人員可根據(jù)故障顯示位置，快速對(duì)故障進(jìn)行排除，避免了因系統(tǒng)故障造成的時(shí)間浪費(fèi)問(wèn)題。整套系統(tǒng)的成功應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期目的和效果。

5 結(jié)論

1）該控制系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、功能更加強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝車過(guò)程中多環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制操作；

2）實(shí)現(xiàn)了火車車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別，解決人員手動(dòng)輸入車號(hào)的低效率操作問(wèn)題；

3）全過(guò)程的設(shè)備啟停、精煤裝量、水分供給、精煤稱重等方面均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，無(wú)需人員進(jìn)行操作控制，整體自動(dòng)化程度大大提高；

4）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的水分過(guò)多、重量過(guò)重、超載、溫度過(guò)高等也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)報(bào)警及故障位置顯示，實(shí)現(xiàn)了人員快速排查故障的高效操作；

5）該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，提高了精煤的裝車效率，降低了裝車過(guò)程的故障率，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了預(yù)期效果。