侯治夏
(汾西礦業(yè)高陽煤礦,山西 孝義 032300)
帶式輸送機輸是煤礦井下主要運輸設備,為了滿足煤炭、矸石等外運需要,帶式輸送機一般按照最大運量方式配置減速器、電動機以及輸送帶等,從而導致“大馬拉小車”情況普遍存在[1-2]。采掘作業(yè)面受到煤層賦存條件、煤炭開采管理等各種因素制約,由于煤(矸)產(chǎn)量不穩(wěn)定,帶式輸送機負載常處于波動狀態(tài),同時絕大多數(shù)時間處于輕載、空載,若帶式輸送機仍按照最大負載高速運行,不僅會導致帶式輸送機能耗增加而且會加劇設備磨損[3-6]。因此,選用合適的帶式輸送機運行速度控制系統(tǒng),依據(jù)帶式輸送機運行情況調節(jié)運行速度,不僅可滿足煤(矸)等外運需求,而且可降低帶式輸送機能耗。
硬件結構直接影響帶式輸送機運行速度控制系統(tǒng)穩(wěn)定性以及可靠性,由于礦井井下環(huán)境惡劣,因此對運行速度控制系統(tǒng)硬件穩(wěn)定性以及可靠性等有較高要求;同時選用的硬件設備應于井下現(xiàn)有的控制系統(tǒng)相兼容[7]。在分析礦井井下控制系統(tǒng)以及研究研究、工程應用成果基礎上,運行速度控制系統(tǒng)主控制器選擇使用S7-1214PLC。具體帶式輸送機運行速度控制系統(tǒng)硬件結構組成如圖1所示,帶式輸送機原本就配置有各項保護傳感器,為此運行速度控制系統(tǒng)硬件設計主要應集中在PLC控制系統(tǒng),運行速度、功率、煤量監(jiān)測及變頻器運行控制等方面。
從圖1看出,控制系統(tǒng)核心為PLC控制器,PLC控制器向上位機傳輸監(jiān)測參數(shù)并接收上位機控制信號,通過變頻器調整電動機轉速,實現(xiàn)運行速度調節(jié);速度傳感器、皮帶秤以及功率采集模塊等分別向PLC控制器傳輸輸送機帶運行速度、煤流量、電機及變頻器運行參數(shù)等,各項安全監(jiān)測傳感器可實現(xiàn)堆煤、高溫、跑偏等監(jiān)測。
圖1 運行速度控制系統(tǒng)硬件結構組成
軟件是將運行速度控制系統(tǒng)各硬件串聯(lián)成一個整體,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理、控制指令發(fā)送及執(zhí)行等。本次重點對運行速度控制系統(tǒng)PLC控制程序以及上位機程序等進行設計。
1.2.1 PLC控制程序
PLC控制程序包括有啟動程序、調速程序以及綜合保護程序等。
1)啟動程序。為實現(xiàn)帶式輸送機軟啟動以及啟動初期穩(wěn)定性,變頻器選用“S”型啟動方式,在啟動初始階段運行速度緩慢,持續(xù)10 s后開始快速加速,當運行速度達到設計值時則保持恒速運行,向PLC控制器不斷發(fā)出帶式輸送機轉速信號,從而實現(xiàn)帶式輸送機啟動。
2)調速程序。在帶式輸送機運行過程中若頻繁調整運行速度,不僅會導致帶式輸送機運行不穩(wěn)定而且會導致變頻器、電動機故障發(fā)生率增高、帶式輸送機能耗增大。因此,在設計調速程序時,將按照運輸煤流量大小分為n區(qū)不連續(xù)區(qū)段,每個煤流量區(qū)段對應一個運行速度,根據(jù)皮帶秤獲取到煤流量來確定帶式輸送機運行速度,在滿足煤炭運輸同時自動調節(jié)帶式輸送機運行速度,達到降低能耗以及設備磨損目的;當帶式輸送機運輸?shù)拿毫髁砍^額定載荷時,控制系統(tǒng)即會發(fā)出超限預警,并停止帶式輸送機運行。具體運行速度控制系統(tǒng)調速程序流程圖如圖2所示。
圖2 調速程序流程圖
3)綜合保護程序。帶式輸送機是連續(xù)運行的高功率設備,保證帶式輸送機可靠運行對提高煤礦生產(chǎn)安全具有重要意義。文中提出的帶式輸送機運行速度控制系統(tǒng)通過帶式輸送機沿線布置的各類安全監(jiān)測傳感器實現(xiàn)帶式輸送機綜合保護。在帶式輸送機運行出現(xiàn)故障時,安全監(jiān)測傳感器便會向PLC控制器輸送監(jiān)測型號,并依據(jù)故障類型自動確定發(fā)出故障警報或者緊急停機信號,確保帶式輸送機可安全運行,并為后續(xù)維護、維修提供指導。
1.2.2 上位機程序
上位機通過以太網(wǎng)以PLC控制器進行通信,并通過上位機操作界面作業(yè)人員可遠程實現(xiàn)帶式輸送機運行控制。上位機程序結構包括有監(jiān)控界面、數(shù)控管理以及系統(tǒng)管理等。
山西某礦3200運輸斜巷使用的帶式輸送機型號為DTL120/120/3×280,運輸長度1 689 m、運輸傾角15°,提升高度共計45 m,輸送帶為ST/S1600,帶寬1 200 m,額定運行速度3.15 m/s、額定運量1 200 t/h。將帶式輸送機運行速度控制系統(tǒng)現(xiàn)場應用后,為掌握運行速度控制系統(tǒng)實際運行情況,對恒速(額定運行速度)以及運行速度調節(jié)兩種模式下的能耗、速度等監(jiān)測,具體結果見表1。
從表1中看出,帶式輸送機按照原控制方式(額定運行速度)、運行速度控制方式下,1周內的煤炭運輸量基本保持一致,而額定運行速度控制方式下帶式輸送機運行1周總能耗為90 884 kW·h、運行速度控制系統(tǒng)使用后運行1周總能耗為75 441 kW·h。采用運行速度控制系統(tǒng)后帶式輸送機能耗整體降幅可達到17%,同時煤炭運輸量基本保持一致,表明文中所提的運行速度控制系統(tǒng)具有較好的應用效果。
表1 帶式輸送機不同控制方式下能耗統(tǒng)計結果
隨著礦井采掘范圍增加以及大功率、自動化采掘設備應用推廣,采煤工作面回采推進距離、斜長等均有所增加,單面煤炭產(chǎn)量也明顯提升。目前,雖然帶式輸送機鋪設長度、運輸載荷等均有所增大,但是現(xiàn)階段帶式輸送機雖采用變頻器實現(xiàn)軟啟動,功能未全部發(fā)揮。
文中就依據(jù)礦井煤炭運輸現(xiàn)狀,提出使用運行速度控制系統(tǒng)控制帶式輸送機運行,并對輸送機帶運行速度進行調節(jié)。根據(jù)運行速度控制系統(tǒng)功能需要,對系統(tǒng)硬件、軟件結構進行設計。現(xiàn)場工程應用表明,該控制系統(tǒng)可滿足礦井煤炭運輸需求,同時帶式輸送機能耗較額定運行速度模式降低約17%,取得較好應用成果。