李 政

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理分公司， 山西 大同 037003）

引言

根據(jù)晉能控股煤業(yè)集團(tuán)智能化建設(shè)的要求，以山西大同某煤礦8633 工作面為研究對(duì)象，進(jìn)行了刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，以提高煤礦開(kāi)采設(shè)備的智能化程度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1 刮板輸送機(jī)智能控制的構(gòu)建

山西大同某煤礦8633 工作面刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)嚴(yán)格按照國(guó)家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造。該系統(tǒng)由工控機(jī)和PLC 組件構(gòu)成智能控制和基礎(chǔ)控制的核心，雙重主從控制器結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)RS485 及DP-DP 工業(yè)通信方式，具備各類信號(hào)采集接口、本地和遠(yuǎn)程控制接口、運(yùn)行監(jiān)控顯示器。

主控器通過(guò)變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)、煤量信息等，實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的智能控制，能夠?qū)伟遢斔蜋C(jī)進(jìn)行啟?？刂啤C(jī)頭頭尾動(dòng)態(tài)功率協(xié)調(diào)控制、根據(jù)煤量信息自動(dòng)調(diào)速控制，并同時(shí)與采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和皮帶機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向協(xié)同控制，實(shí)時(shí)記錄刮板機(jī)運(yùn)行時(shí)傳動(dòng)部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)，顯示刮板輸送系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析，并提供故障的描述和解決方案等。刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的組成和布局拓?fù)鋱D如圖1 所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)的組成和布局拓?fù)鋱D

2 刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)功能和特點(diǎn)分析

2.1 刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)功能分析

2.1.1 智能啟動(dòng)功能和智能調(diào)速功能

刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)具有智能啟動(dòng)功能，啟動(dòng)采用分階段控制方法，即啟動(dòng)之初采用預(yù)張緊控制策略，通過(guò)對(duì)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)的分別控制，張緊輸送機(jī)底部的鏈條，之后機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)才會(huì)同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行。啟動(dòng)完成后，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)較高速運(yùn)行清理浮煤，之后進(jìn)入設(shè)定的低速運(yùn)行狀態(tài)，帶載后再進(jìn)行智能自動(dòng)調(diào)速[1]。

刮板輸送機(jī)帶載后，采用多參數(shù)混合邏輯控制方式進(jìn)行煤量檢測(cè)與智能調(diào)速。在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)煤量增多時(shí)加速，煤量減少時(shí)減速，空載時(shí)低速運(yùn)行的功能。通過(guò)減少回轉(zhuǎn)次數(shù)，降低磨損量，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。調(diào)速策略采用分級(jí)調(diào)速，避免因負(fù)載波動(dòng)而頻繁調(diào)速，控制系統(tǒng)綜合以下多路信息，按照權(quán)重關(guān)系、優(yōu)先級(jí)及影響度進(jìn)行綜合計(jì)算做出調(diào)速指令：

1）設(shè)置激光掃描雷達(dá)，采用激光- 時(shí)間飛行原理，非接觸式檢測(cè)的方式，對(duì)通過(guò)的煤量進(jìn)行檢測(cè)計(jì)量積算分析。

2）通過(guò)對(duì)電機(jī)輸出力矩的檢測(cè)，判斷刮板輸送機(jī)上煤量的增減。

3）根據(jù)工作面煤層的參數(shù)，結(jié)合采煤機(jī)的位置、牽引速度、截割電流等判斷輸送機(jī)的裝載量（采煤機(jī)提供必要的信息）。

2.1.2 鏈條自動(dòng)保護(hù)和斷鏈監(jiān)測(cè)控制

為避免停機(jī)時(shí)刮板鏈一直處于張緊狀態(tài)，產(chǎn)生彈性變形，增加刮板鏈疲勞，設(shè)置鏈條自動(dòng)保護(hù)模式，即停機(jī)時(shí)能自動(dòng)松鏈，釋放應(yīng)力。當(dāng)刮板輸送機(jī)接到啟動(dòng)指令時(shí)，開(kāi)啟機(jī)尾自動(dòng)伸縮裝置，將刮板鏈張緊到合適的預(yù)緊力，進(jìn)入到工作模式狀態(tài)。采用電液控自動(dòng)伸縮機(jī)尾，通過(guò)遠(yuǎn)程控制?？刂葡到y(tǒng)具有獨(dú)立的CPU，采用磁致位移傳感器控制油缸行程，利用可調(diào)式節(jié)流閥保證伸縮缸動(dòng)作平緩。保護(hù)系統(tǒng)借助自身的工業(yè)DP 總線接口，作為一個(gè)子系統(tǒng)分站接入到工作面成套運(yùn)輸設(shè)備智能集控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并提取鏈條張緊力數(shù)據(jù)，并接受上級(jí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行指令。

斷鏈監(jiān)測(cè)控制由斷鏈監(jiān)測(cè)傳感器和控制器組成，在靠近刮板輸送機(jī)機(jī)頭尾位置的偏轉(zhuǎn)槽上設(shè)置安裝傳感器，實(shí)時(shí)探測(cè)下鏈道的刮板鏈，其信號(hào)通過(guò)監(jiān)測(cè)箱傳遞給控制系統(tǒng)[2]。當(dāng)檢測(cè)到斷鏈通過(guò)時(shí)，控制器向集控系統(tǒng)發(fā)出異常信號(hào)，進(jìn)行鏈條預(yù)警，必要時(shí)緊急停機(jī)，作為智能刮板機(jī)子系統(tǒng)與集控系統(tǒng)一起完成鏈條斷鏈的監(jiān)測(cè)與保護(hù)。同時(shí)、雙鏈斷鏈可由電機(jī)扭矩變化直接測(cè)出，并緊急停機(jī)，如圖2 所示。

圖2 斷鏈監(jiān)測(cè)功能示意圖

2.1.3 功率協(xié)調(diào)和雙向協(xié)同作業(yè)控制

可根據(jù)刮板機(jī)的負(fù)載情況，自動(dòng)分配機(jī)頭和機(jī)尾的驅(qū)動(dòng)功率，使機(jī)頭尾電機(jī)隨負(fù)載的變化準(zhǔn)確自動(dòng)平衡分配功率，重載運(yùn)行時(shí)采用功率相等控制，不平衡度小于2%，防止電機(jī)出力不均造成使用壽命縮短。采用機(jī)頭尾電機(jī)獨(dú)立控制方式，始終保證機(jī)尾上鏈不過(guò)緊，減輕對(duì)槽幫上沿壓力，減少對(duì)槽幫的磨損。

在刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)等設(shè)備之間預(yù)留信息互通接口，上下級(jí)設(shè)備之間可互通信息，掌握運(yùn)行工況，從而可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整自身運(yùn)輸能力的目的，做到各級(jí)工作能力的匹配。

2.1.4 低速檢修和監(jiān)測(cè)與專家系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)

在檢修模式下對(duì)刮板輸送機(jī)的速度按需要設(shè)置調(diào)整，并對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制，防止故障條件下事故的擴(kuò)大，最大限度地保護(hù)設(shè)備和人員。

系統(tǒng)具有獨(dú)特的建模、強(qiáng)大的組態(tài)、專業(yè)的分析、豐富的界面，通過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸量等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)設(shè)備的主要參數(shù)、設(shè)備故障、運(yùn)行溫度及負(fù)荷等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。自動(dòng)生成設(shè)備運(yùn)行記錄、設(shè)備故障記錄、開(kāi)機(jī)率和負(fù)荷率記錄、產(chǎn)量記錄，多畫面顯示系統(tǒng)及設(shè)備工況，通過(guò)多周期數(shù)據(jù)積累指導(dǎo)設(shè)備維修，也可作為遠(yuǎn)程專家故障診斷的依據(jù)。

2.2 刮板輸送機(jī)智能控制技術(shù)特點(diǎn)

刮板輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)具有輕載啟停時(shí)間短、重載啟停時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，描述如下：

1）啟動(dòng)平穩(wěn)。能根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)整啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，啟動(dòng)時(shí)間0~1 800 s 可調(diào)；鏈條加速度小于0.02 m/s2。

2）滿足重載啟動(dòng)要求，零速下轉(zhuǎn)矩達(dá)2 倍額定轉(zhuǎn)矩。

3）運(yùn)行中鏈速能自動(dòng)調(diào)整，根據(jù)空載、輕載和滿載等輸送機(jī)運(yùn)量的變化，智能地調(diào)節(jié)刮板的運(yùn)行速度，速度變化范圍不小于30%。

4）具有機(jī)頭尾電機(jī)動(dòng)態(tài)功率平衡功能，不平衡度小于2%。

5）在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)能自動(dòng)松鏈、釋放應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)刮板鏈條的自動(dòng)保護(hù)。

6）低速檢修模式速度可按需要調(diào)整，并可對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制。

7）能夠?qū)α悴考倪\(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄及分析判斷。

3 刮板輸送機(jī)智能故障診斷系統(tǒng)

從設(shè)備維護(hù)的角度來(lái)說(shuō)，刮板輸送機(jī)傳動(dòng)部的核心是減速器。研究其減速器的在線故障診斷技術(shù)可以進(jìn)一步提高減速器的使用壽命和可靠性，減少煤礦井下設(shè)備的維護(hù)時(shí)間；從礦井自動(dòng)化建設(shè)的方面來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)傳動(dòng)部的監(jiān)測(cè)和在線故障診斷可為實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。

3.1 故障診斷系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

刮板輸送機(jī)智能成套裝備在線專家故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)：

1）采用在線鐵譜監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)刮板機(jī)減速器潤(rùn)滑油油質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)。上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)控制減速器內(nèi)的基于傳感器的工作完成在線鐵譜圖像的采集，提取相對(duì)磨粒含量、相對(duì)磨損率、相對(duì)磨損烈度等參數(shù)信息，掌握油液中磨粒情況，進(jìn)而對(duì)減速器潤(rùn)滑油油質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)。

2）通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)合的方法獲得刮板機(jī)鏈輪軸組和減速器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)和噪聲的頻諧數(shù)據(jù)庫(kù)；建立刮板輸送機(jī)減速器故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建推理機(jī)制，以嵌入式系統(tǒng)為載體實(shí)現(xiàn)在線專家故障診斷功能。該技術(shù)為刮板輸送機(jī)綜合故障診斷及關(guān)鍵零部件使用壽命預(yù)估打下了基礎(chǔ)。

3.2 刮板輸送機(jī)故障診斷

故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能包括減速器潤(rùn)滑油中金屬磨屑含量在線監(jiān)測(cè)、減速器高速軸與低速軸的軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷，刮板輸送機(jī)其他常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、查向功能、離線數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程Web 瀏覽等部分[5]。

4 應(yīng)用效果分析

1）刮板運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)了智能啟動(dòng)，通過(guò)分階段控制方法有效的保障了啟動(dòng)的平穩(wěn)性；

2）實(shí)現(xiàn)煤量監(jiān)測(cè)與智能調(diào)速，系統(tǒng)可以對(duì)輸送煤量的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)煤量的變化智能調(diào)速，節(jié)能降耗效果理想；

3）實(shí)現(xiàn)了各電機(jī)功率動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，不平衡度小于2%，防止電機(jī)出力不均造成使用壽命縮短；

4）智能故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)設(shè)備關(guān)鍵元部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)警，降低了設(shè)備的故障率；

5）智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用后，降低了設(shè)備的能耗，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。