彭 龍

（山煤國際能源集團(tuán)朔州有限公司大峪口選煤廠，山西 懷仁 038300）

引言

皮帶輸送機(jī)由于其大運(yùn)量、長距離、高運(yùn)速以及低成本的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于煤礦工作面和地面的運(yùn)輸任務(wù)中。皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性直接決定煤礦的生產(chǎn)效率和安全性。在實際生產(chǎn)中，皮帶輸送機(jī)常出現(xiàn)打滑、縱向撕裂、跑偏等故障，嚴(yán)重威脅著運(yùn)輸?shù)陌踩?，影響運(yùn)輸效率[1]。為此，提出設(shè)計一款皮帶集中控制系統(tǒng)對其故障進(jìn)行防護(hù)，實現(xiàn)對皮帶運(yùn)輸機(jī)實時工作參數(shù)的監(jiān)測和控制。

1 皮帶集中控制系統(tǒng)概述

皮帶集中控制系統(tǒng)的主要功能是對其設(shè)備運(yùn)輸、故障類型等進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)對皮帶輸送機(jī)的保護(hù)?；谄Ъ锌刂葡到y(tǒng)所監(jiān)測的參數(shù)包括有供電、環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)以及運(yùn)行工況等，最終實現(xiàn)皮帶輸送機(jī)無人值守的運(yùn)行功能。皮帶集中控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 皮帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1 所示，皮帶集中監(jiān)控系統(tǒng)可分為設(shè)備層、控制層以及管理層。其中，設(shè)備層主要包括有設(shè)備電機(jī)以及相關(guān)傳感器等，其主要是對皮帶現(xiàn)場運(yùn)行工況參數(shù)的獲取；而后將所采集的數(shù)據(jù)參數(shù)基于工業(yè)控制總線上傳至控制層對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；最后將處理后的數(shù)據(jù)基于工業(yè)以太網(wǎng)上傳至管理層，并以圖像或者表格的形式顯示出來，供用戶直接讀取[2]。

為保證集中控制系統(tǒng)能夠高效地服務(wù)于煤礦生產(chǎn)，要求皮帶集中控制系統(tǒng)具備如下功能：

1）可實現(xiàn)對煤礦整個運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行工況參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，同時可對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和控制；

2）可對單臺設(shè)備進(jìn)行控制，并具備預(yù)防故障的功能；

3）可滿足工業(yè)控制需求，具備無人值守的功能；

4）可對現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)進(jìn)行實時監(jiān)控，并對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；

5）可為用戶提供友好的操作界面[3]。

2 皮帶集中控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 皮帶集中控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

結(jié)合圖1 中設(shè)計的集中控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合實際情況對應(yīng)的皮帶集中控制系統(tǒng)的整體框圖如圖2 所示。

圖2 皮帶輸送機(jī)集中控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

如圖2 所示，根據(jù)實際情況針對皮帶集中控制系統(tǒng)設(shè)計一個主站、三個分站。其中，主站作為控制層和設(shè)備層數(shù)據(jù)傳送的中轉(zhuǎn)站，不僅向上位機(jī)傳送設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，而且還會向設(shè)備層發(fā)送控制指令；1號控制分站與控制主站的功能相似；2 號控制分站位于煤倉頂，其主要對煤倉皮帶的運(yùn)行工況和倉位進(jìn)行監(jiān)測；3 號控制分站位于主斜井皮帶機(jī)尾，其主要控制工作面的給煤機(jī)和機(jī)尾段設(shè)備。

PLC 控制器為皮帶集中控制系統(tǒng)的核心控制器，鑒于煤礦相對惡劣的生產(chǎn)環(huán)境要求所選型的PLC 控制器具有防爆型、較強(qiáng)的抗干擾能力以及高可靠性。綜合比對，對于控制主站和1 號控制分站、2號控制分站配置S7-300型PLC 控制；3 號控制分站配置S7-1200PLC 控制器，并為其配置具備防爆防水功能的KXJ660 可編程控制箱。

根據(jù)控制需求，PLC 控制器包括有數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊等。其中，數(shù)字量輸入模塊主要是獲取皮帶機(jī)的故障信息、油泵的工況以及儀表顯示的參數(shù)等；模擬量輸入模塊主要是對皮帶電機(jī)溫度、皮帶運(yùn)行速度以及煤倉倉位等參數(shù)的獲?。粩?shù)字量輸出模塊主要是對電鈴、電磁閥、油泵、電機(jī)、給煤機(jī)的運(yùn)行與停止提供指令；同時，PLC 控制器還通過光纖接線盒實現(xiàn)與上位機(jī)通信[4]。本集中控制系統(tǒng)所配置的各類傳感器的型號及參數(shù)如表1 所示。

表1 集中控制系統(tǒng)配置傳感器的類型及參數(shù)統(tǒng)計

2.2 皮帶集中控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

皮帶集中控制系統(tǒng)的核心設(shè)備為PLC 控制器。因此，皮帶集中控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計為對PLC 程序控制流程的編制。本工程采用STEP7 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件對PLC 控制程序進(jìn)行編寫。為滿足實際生產(chǎn)需求，皮帶集中控制系統(tǒng)分為流程控制和手動控制兩種模式，并采用“逆煤流起車，順煤流停車”的原則對系統(tǒng)進(jìn)行控制，并設(shè)計兩個控制流程。各個控制流程內(nèi)容如下：

流程1：將工作面采掘的原煤通過給煤機(jī)送至主斜井皮帶，后經(jīng)排矸機(jī)處理后由上倉皮帶送至原煤倉口，并經(jīng)原煤倉的皮帶分別運(yùn)送至各個原煤倉；

流程2：當(dāng)原煤倉煤位達(dá)到最高限位時，將工作面采掘的原煤通過給煤機(jī)送至主斜井皮帶，后經(jīng)排矸機(jī)處理后由落地皮帶機(jī)將其運(yùn)送至露天煤倉。

結(jié)合上述兩個流程分別編制皮帶的啟動和停車兩類控制程序。與此同時，皮帶集中控制系統(tǒng)需分析設(shè)備層各類傳感器上傳的數(shù)據(jù)判斷其是否發(fā)生跑偏、打滑、煙霧以及撕裂等故障的發(fā)生。

為保證皮帶集中控制系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備的穩(wěn)定、可靠的控制，本系統(tǒng)采用模糊控制理念對皮帶進(jìn)行控制。并對PID 控制策略和模糊PID 控制策略下的控制效果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 PID 控制與模糊PID 控制效果對比

如圖3 所示，與PID 控制策略下對應(yīng)的控制效果相比較，模糊PID 控制策略的響應(yīng)時間更快，系統(tǒng)所需的調(diào)節(jié)時間更短；而且，在外界負(fù)載沖擊的情況下，基于PID 控制策略系統(tǒng)需0.33 s 即可調(diào)整完畢穩(wěn)定運(yùn)行；而基于模糊PID 控制策略系統(tǒng)僅需0.2 s即可完成調(diào)整保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

3 結(jié)語

皮帶機(jī)作為煤礦的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其承擔(dān)著煤礦的大部分運(yùn)輸任務(wù)，為提高煤礦生產(chǎn)控制的安全性和高效性，為其配置一套集中控制系統(tǒng)，在對設(shè)備現(xiàn)場工作參數(shù)及各類故障監(jiān)測的同時，還可根據(jù)工況對皮帶速度基于模糊PID 控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證皮帶輸送時刻處于最佳狀態(tài)運(yùn)行，并具備無人值守運(yùn)行的功能，對提升煤礦生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。