付 彤

（晉能控股煤業(yè)集團挖金灣煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037000）

引言

膠帶輸送機是煤礦井下開采使用的主要運輸設(shè)備之一，與國外先進膠帶輸送機技術(shù)相比，目前還主要存在兩方面的問題，一是膠帶輸送機控制自動化、智能化程度較低，故障檢測不全面、預警不及時造成設(shè)備故障率偏高[1-2]；二是對膠帶輸送機的載荷量不能夠進行自動識別調(diào)速，造成電力浪費[3]。針對上述情況，設(shè)計研究一套膠帶輸送機遠程智能集中控制系統(tǒng)，用于解決膠帶輸送機運行集中控制、故障自動檢測預警、自動調(diào)速等問題，從而實現(xiàn)膠帶輸送機的自動化控制運行。

1 膠帶輸送機運行系統(tǒng)常見故障

1.1 皮帶跑偏

膠帶輸送機在運行過程中發(fā)生皮帶跑偏主要是由于皮帶機頭機尾滾筒或皮帶托輥與皮帶之間安裝的角度不合理，中心線不在一條直線上，或者是運輸?shù)奈锪衔淳鶆驍[放導致皮帶受力不均衡等原因造成。

1.2 堆煤故障

常見的堆煤故障原因是工作面運出的煤炭或矸石含水率較大，落入膠帶輸送機上后粘連在輸送帶上不隨輸送帶一起向外運轉(zhuǎn)，從而導致煤矸堆積在滾筒處，當堆積的煤炭達到一定程度時會造成膠帶輸送機滾筒停止運轉(zhuǎn)，從而導致停機。

1.3 電源故障

電氣主回路主要由主電源、交流接觸器、開關(guān)、繼電器和熔斷器等電氣元件組成，在使用過程中，會因為操作不當、過載或過流保護等原因?qū)е履z帶輸送機在運行過程中突然停機，若故障不能及時排查處理，則會影響工作面正常生產(chǎn)。

1.4 膠帶機不能自動控制調(diào)整速度

目前膠帶輸送機的調(diào)速控制系統(tǒng)大多數(shù)只有低速擋和高速擋2個速度控制擋位，在工作面實際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)膠帶機空載和輕載現(xiàn)象，在設(shè)備啟動和緊急制動時，因膠帶輸送機產(chǎn)生的張力較大，導致膠帶機上承載動力負荷的各個部件受力較大，對設(shè)備部件造成較大的磨損。

2 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計方案

在井下煤流運輸系統(tǒng)中一般需要多部膠帶輸送機相互配合才能夠完成物料運輸工作，主要針對多部膠帶輸送機遠程集中控制方案進行研究和設(shè)計。該系統(tǒng)的控制方式主要采用的是PLC+上位機，通過PLC對整個膠帶運輸系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備的工況信息數(shù)據(jù)進行采集分析，根據(jù)分析判斷的結(jié)果利用上位機中的人機接口對膠帶運輸系統(tǒng)的各個設(shè)備發(fā)出相關(guān)的操作控制命令，同時各設(shè)備運行期間的工況信息會直接在上位機LED上動態(tài)顯示出來，從而實現(xiàn)對膠帶輸送機的智能遠程集中控制。該控制系統(tǒng)的主要架構(gòu)如圖1所示。

圖1 膠帶輸送機智能控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計

該控制系統(tǒng)主要由集中控制系統(tǒng)、PLC就地控制系統(tǒng)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件故障診斷與報警系統(tǒng)、煤流監(jiān)測系統(tǒng)等組成。

3.1 遠程集中操作控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的膠帶輸送機控制系統(tǒng)一般都是采用操作盤和模擬盤進行操作控制，而遠程集中操作控制系統(tǒng)是通過上位機實現(xiàn)對整個膠帶運輸系統(tǒng)各設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視和操作控制的。在上位機的顯示界面上可以將膠帶機的電動機、驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等設(shè)備的各類運行參數(shù)信息和報警信息進行動態(tài)顯示，同時還可以對各設(shè)備的運行方式進行選擇和切換，實現(xiàn)自動程控操作。

3.2 PLC控制子站系統(tǒng)

本系統(tǒng)使用的PLC控制器是西門子公司生產(chǎn)的S7-1200型產(chǎn)品，該系統(tǒng)安裝的模件全部采用插接式連接，更換時非常方便。系統(tǒng)中輸出無源信號的開關(guān)量和輸出有源信號的模擬量的I/O模件全部裝配有隔離裝置，電源上均安裝有電涌保護器，確保PLC控制系統(tǒng)在井下受到振動、噪聲及無線電波等情況干擾時，系統(tǒng)中的硬件裝置在0～55℃環(huán)境溫度和5%～90%空氣濕度條件下均能夠連續(xù)穩(wěn)定運行，且硬件上不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。PLC控制子站系統(tǒng)安裝的數(shù)量是根據(jù)膠帶輸送機的數(shù)量和安裝的位置不同設(shè)置的，各個子站之間的通訊采用光纜通訊。

3.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件故障診斷與報警系統(tǒng)

運用紅外線熱成像技術(shù)，同時結(jié)合計算機圖像處理與識別技術(shù)，研制設(shè)計電機、滾筒、托輥等膠帶輸送機上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件故障診斷與報警系統(tǒng)。首先，利用安裝在膠帶機上的紅外線熱成像儀對膠帶輸送機的電機、滾筒和托輥采集紅外圖像；然后將采集到的紅外圖像進行預處理、模塊分割、故障特征提取、分類及識別，得到這些關(guān)鍵構(gòu)件的溫度場圖像；最后系統(tǒng)通過對溫度場圖像的特征進行分析，從系統(tǒng)故障庫中調(diào)取故障診斷標準對設(shè)備故障進行診斷和報警，具體工作流程圖如圖2所示。

圖2 膠帶輸送機關(guān)鍵構(gòu)件故障診斷報警系統(tǒng)工作流程圖

3.4 煤流監(jiān)測系統(tǒng)

為對膠帶輸送機上的煤流量進行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)對膠帶機速度調(diào)整控制，設(shè)計研發(fā)一套膠帶輸送機煤流量遠程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，如圖3所示。通過創(chuàng)建的檢測模型對膠帶機上運輸?shù)拿毫髁繑?shù)據(jù)進行計算，利用檢測分析器進行分析并發(fā)出調(diào)節(jié)控制信號，監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)發(fā)出的操作信號控制變頻器進行調(diào)速，從而實現(xiàn)膠帶輸送機的自動調(diào)速控制。

圖3 膠帶輸送機煤流量遠程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

4 軟件設(shè)計

該智能遠程集中控制系統(tǒng)操作控制模式主要有四種，分別為集控、單控、直控和閉鎖。

4.1 遠程自動集中控制

工作人員利用集中控制主機對膠帶輸送機進行遠程自動集中控制，主機發(fā)出設(shè)備啟停信號后，控制子站根據(jù)接收到的信號按照設(shè)定的程序依次控制各臺設(shè)備按照順序啟停。當其中一臺控制子站接收到本臺設(shè)備啟停指令時，它將會自動按設(shè)定程序控制本臺設(shè)備按照順序進行啟動、運行、故障判定、預警、保護及停機等操作，并對整個過程進行全程監(jiān)控。該操作控制方式是日常生產(chǎn)期間使用的主要操作方式。

4.2 單機控制

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況，工作人員控制主機完成有煤開機、無煤停機的操作控制功能。當檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)該部膠帶機出現(xiàn)故障時，保護裝置會發(fā)出預警信號或停機，實現(xiàn)膠帶機的保護，并將故障信息傳輸給主機，發(fā)出故障報警信號，同時顯示屏上的故障指示燈會根據(jù)故障類型對應(yīng)亮起，并將故障狀態(tài)進行鎖定，直到設(shè)備故障全部處理完畢，才會重新按照設(shè)備啟動程序開機運行。該種操作控制方式中傳感器起保護作用，主要在設(shè)備檢修或進行試運行期間進行使用。

4.3 直接控制

直接控制模式不考慮傳感器的保護作用，直接采用就地手動操作控制，其控制膠帶機開停是通過就地操作現(xiàn)場主機按鈕直接控制完成的。在直控模式下，控制膠帶機運行30 min后進行強制停機，在停機30 min后才允許主機繼續(xù)工作，防止膠帶機長時間在直控模式下運行。該種操作控制方式也是主要在檢修設(shè)備或進行調(diào)試運行時使用。

4.4 閉鎖控制

在閉鎖模式控制下，該段膠帶機將不會進行任何動作，該方式用于設(shè)備檢修，主要保證設(shè)備檢修時檢修人員的安全。

5 應(yīng)用效果

1）減少了人員投入，節(jié)約了人工成本。一般情況下，每臺膠帶輸送機都需要安排專職司機進行設(shè)備開停、運行值守工作，采用遠程智能集中控制系統(tǒng)可以對膠帶輸送機實行遠程操作控制，實行無人值守，每部膠帶輸送機每班至少可以減少1人，每天可以減少3人。

2）減少設(shè)備啟停時間，提高運行效率。一般一部膠帶輸送機長度在1 000 m左右，設(shè)備在采用機械開啟和停機時使用的時間較長，采用智能集中控制系統(tǒng)能夠在原開停機基礎(chǔ)上提速90%，有效提高了膠帶輸送機運行效率。

3）減少電力損耗，降低設(shè)備維修費用。

6 結(jié)語

該控制系統(tǒng)利用先進的智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)對輸送帶上的煤量進行實時監(jiān)測，根據(jù)膠帶輸送機的負荷大小自動控制調(diào)整電機的輸出功率和膠帶機的運行速度，輸送帶在無煤的情況下空載一定時間后設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動停機，從而減少電力消耗和設(shè)備長時間空載造成的零部件磨損，減少設(shè)備檢修維護費用。