基于PLC的塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔德明，　劉同岡，　徐昌盛，　趙志強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116； 2.邯鄲礦業(yè)集團(tuán) 郭二莊礦， 河北 邯鄲　056002)

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基于PLC的塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔德明1，劉同岡1，徐昌盛2，趙志強(qiáng)1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州221116； 2.邯鄲礦業(yè)集團(tuán) 郭二莊礦， 河北 邯鄲056002)

摘要：針對(duì)選煤廠塊煤運(yùn)輸過(guò)程中因轉(zhuǎn)載點(diǎn)落差大而導(dǎo)致塊煤易破碎的問(wèn)題，提出了一種基于PLC的塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的工作原理及其PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用超聲波料位計(jì)檢測(cè)煤位信號(hào)，并由PLC根據(jù)煤位信號(hào)控制變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)撥輪的轉(zhuǎn)速，使塊煤緩慢輸出，從而達(dá)到減小塊煤破碎量的效果。

關(guān)鍵詞：選煤廠； 塊煤轉(zhuǎn)載； 防破碎； 煤位檢測(cè)； PLC控制系統(tǒng)

0引言

塊煤在選煤廠[1-2]運(yùn)輸轉(zhuǎn)載過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生破碎，使塊煤的價(jià)值降低，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。目前，在塊煤轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)常用的防破碎方法有膠帶緩沖式防破碎法[6]、弧形溜槽防破碎法[7-8]等。這2種方法對(duì)于小落差轉(zhuǎn)載點(diǎn)具有顯著的防破碎效果，但在大落差轉(zhuǎn)載情況下效果較差。隨著防破碎技術(shù)的逐漸成熟，企業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)載防破碎裝置的要求不斷提高[3]。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)。該系統(tǒng)在大落差轉(zhuǎn)載情況下防破碎效果明顯，自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定可靠，同時(shí)具有防堵塞功能。

1塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1工況分析

選煤廠作業(yè)流程中，塊煤需經(jīng)過(guò)多個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)。各轉(zhuǎn)載點(diǎn)落差不盡相同，在落差較大時(shí)易發(fā)生塊煤破碎現(xiàn)象。塊煤破碎機(jī)理：塊煤間的多次碰撞使其獲得瞬間沖擊力，當(dāng)沖擊力大于其內(nèi)聚力時(shí)發(fā)生破碎，分解為體積更小的塊煤[9]。

根據(jù)沖量定理，對(duì)碰撞前后的單個(gè)塊煤進(jìn)行沖量分析：

(1)

式中：F為塊煤碰撞的接觸力，N；t為塊煤碰撞的接觸時(shí)間，s；m為單個(gè)塊煤的質(zhì)量，kg；vt為塊煤碰撞后的速度，m/s；v0為塊煤碰撞前的速度，m/s；

由式(1)可知，可通過(guò)2種途徑來(lái)減少塊煤碰撞的接觸力：① 降低塊煤碰撞后的速度，減小在發(fā)生碰撞瞬間的動(dòng)量變化值；② 在動(dòng)量變化值一定的情況下延長(zhǎng)塊煤碰撞的接觸時(shí)間。

1.2系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)式(1)，塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)采用撥輪式緩沖防破碎方案，如圖1所示，使塊煤的落差由來(lái)煤帶式輸送機(jī)與輸出帶式輸送機(jī)之間的垂直距離降低為來(lái)煤帶式輸送機(jī)到入料斗間的距離，從而減少塊煤的破碎量。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括入料斗、溜槽、煤位傳感器、電動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)撥輪等。入料斗采用廣口設(shè)計(jì)，用于承接來(lái)煤帶式輸送機(jī)的落煤；溜槽采用分段設(shè)計(jì)，用于緩沖塊煤下落動(dòng)能；煤位傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)入料斗中煤位高度；電動(dòng)閥門(mén)作為輔助工具，用于輸出電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)堵塞的塊煤；電動(dòng)撥輪主要由電動(dòng)機(jī)、減速器和撥輪組成，如圖1中虛線框內(nèi)所示，其中電動(dòng)機(jī)選用異步電動(dòng)機(jī)，減速器選用蝸輪蝸桿減速器，拔輪采用與溜槽壁緊密接觸的耐磨橡膠板，用于塊煤的連續(xù)輸出。

圖1　塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.3系統(tǒng)工作原理

塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)工作原理如圖2所示。在系統(tǒng)工作初期，電動(dòng)撥輪靜止，溜槽處于截止?fàn)顟B(tài)，來(lái)煤帶式輸送機(jī)輸送的塊煤在溜槽內(nèi)堆積，煤位不斷升高，如圖2(a)所示。當(dāng)煤位傳感器檢測(cè)到入料斗內(nèi)塊煤的堆積高度達(dá)到預(yù)設(shè)煤位A時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)撥輪以低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)輸出塊煤，如圖2(b)所示。如果來(lái)煤量少于撥輪輸出量，入料斗內(nèi)的煤位會(huì)緩慢降低，當(dāng)?shù)陀诿何籄時(shí)，通過(guò)PLC控制電動(dòng)撥輪自動(dòng)停止；如果來(lái)煤量大于撥輪輸出量，則煤位將繼續(xù)升高，當(dāng)超過(guò)B時(shí)，通過(guò)變頻器提高電動(dòng)撥輪轉(zhuǎn)速，以中轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)輸出塊煤，若此時(shí)仍不能及時(shí)將來(lái)煤輸出，煤位將繼續(xù)升至C，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)撥輪至最高轉(zhuǎn)速，如圖2(c)所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，塊煤無(wú)法輸出而堵塞溜槽時(shí)，塊煤堆積高度將繼續(xù)升高至D，如圖2(d)所示。為了避免發(fā)生事故，通過(guò)PLC控制報(bào)警裝置報(bào)警并打開(kāi)電動(dòng)閥門(mén)，使溜槽內(nèi)的塊煤不經(jīng)過(guò)電動(dòng)撥輪而直接落到輸出帶式輸送機(jī)上，待排除故障后再恢復(fù)正常工作。

(a) 系統(tǒng)工作初期

(b) 煤位達(dá)到A

(c) 煤位達(dá)到C

(d) 煤位達(dá)到D

2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、設(shè)備控制層和狀態(tài)監(jiān)控層，如圖3所示。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要包括煤位傳感器、物位顯示儀、變頻器、電動(dòng)撥輪、電動(dòng)閥門(mén)等，其中煤位傳感器檢測(cè)溜槽內(nèi)的煤位，物位顯示儀顯示煤位高度，變頻器控制電動(dòng)撥輪轉(zhuǎn)速。設(shè)備控制層主要為PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)信號(hào)與模擬信號(hào)的檢測(cè)和反饋控制。狀態(tài)監(jiān)控層用于對(duì)各監(jiān)測(cè)信號(hào)及塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中顯示。

圖3　PLC控制系統(tǒng)組成

2.2PLC控制電路設(shè)計(jì)

采用S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)處理、開(kāi)關(guān)量邏輯控制及電動(dòng)機(jī)控制。S7-200包括CPU模塊、2個(gè)輸入/輸出模塊。CPU模塊接線如圖4所示，其中輸入模塊連接物位顯示儀、接觸器、按鈕開(kāi)關(guān)和24 V直流電源；輸出模塊連接變頻器、電動(dòng)閥門(mén)、蜂鳴器及報(bào)警燈。S7-200 PLC端口地址分配見(jiàn)表1。

圖4　S7-200 CPU模塊接線

輸入/輸出端口控制元件I0.0電動(dòng)機(jī)(手動(dòng))控制接觸器I0.1電動(dòng)機(jī)(自動(dòng))控制接觸器I0.2手動(dòng)加速按鈕I0.3手動(dòng)減速按鈕I0.4物位顯示儀(煤位A)I0.5物位顯示儀(煤位B)I0.6物位顯示儀(煤位C)I0.7物位顯示儀(煤位D)Q0.0變頻器(低速)Q0.1變頻器(中速)Q0.2變頻器(高速)Q0.3變頻器啟動(dòng)與停止Q0.4電動(dòng)閥門(mén)、報(bào)警裝置(倉(cāng)滿(mǎn))

煤位傳感器選用超聲波料位計(jì)[10]，可測(cè)量5 m內(nèi)的煤位高度，誤差較小，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；選用SWP C80物位顯示儀，除可顯示實(shí)時(shí)煤位高度外，還具有繼電器輸出功能(即煤位到達(dá)設(shè)定高度輸出信號(hào))，可簡(jiǎn)化PLC數(shù)據(jù)處理。

2.3PLC控制系統(tǒng)工作方式

PLC控制系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制方式。

手動(dòng)控制方式可設(shè)置電動(dòng)撥輪低、中、高速。通過(guò)操作面板上的加減速按鈕手動(dòng)控制電動(dòng)撥輪的轉(zhuǎn)速，檢測(cè)不同轉(zhuǎn)速下輸出塊煤的破碎率，根據(jù)測(cè)試結(jié)果選取合適的撥輪轉(zhuǎn)速。該控制方式也可用于塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)的安裝調(diào)試及檢修。在正常工作狀態(tài)下一般采用自動(dòng)控制方式。

系統(tǒng)采用自動(dòng)控制方式時(shí)工作流程如圖5所示。煤位傳感器探頭檢測(cè)入料斗中塊煤的堆積高度，并將煤位信號(hào)傳輸給物位顯示儀，物位顯示儀顯示煤位高度并將信號(hào)輸出給PLC。PLC根據(jù)煤位信號(hào)，通過(guò)控制變頻器來(lái)改變電動(dòng)撥輪轉(zhuǎn)速，使塊煤的落差保持在設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)煤位到達(dá)D時(shí)，PLC控制報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，同時(shí)控制電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)啟。

圖5　系統(tǒng)自動(dòng)工作流程

3結(jié)語(yǔ)

塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)通過(guò)PLC控制變頻器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)撥輪的轉(zhuǎn)速，使溜槽內(nèi)的塊煤穩(wěn)定、緩慢地輸出，有效降低了塊煤的破碎率；采用電動(dòng)閥門(mén)避免了電動(dòng)機(jī)故障可能引發(fā)的事故，提高了系統(tǒng)的安全可靠性；通過(guò)物位顯示儀顯示煤位及狀態(tài)信息，可使工作人員及時(shí)、準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。與現(xiàn)有塊煤防破碎方法相比，該系統(tǒng)工作可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、防塵效果好。

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Design of lump coal transshipping anti-fracturing system based on PLC

GONG Deming1,LIU Tonggang1,XU Changsheng2,ZHAO Zhiqiang1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.Guoerzhuang Coal Mine, Handan Coal Mining Group, Handan 056002, China)

Abstract:For a problem that lump coal fractures easily because of large drop of transshipping point during lump coal transport in coal preparation plant, a lump coal transshipping anti-fracturing system based on PLC was proposed. Working principle of the system and a design scheme of PLC control system were introduced. The system detects coal level signals by use of ultrasonic level-meter，and uses PLC to control frequency converter to adjust speed of electric spin wheel according to the coal level signals for outputting lump coal slowly, so as to reduce lump coal fracturing.

Key words:coal preparation plant; lump coal transshipping; anti-fracturing; coal level detection; PLC control system

中圖分類(lèi)號(hào)：TD948.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-07 15:11

作者簡(jiǎn)介：龔德明(1992-)，男，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V山機(jī)械故障診斷與保護(hù)，E-mail: nano@cumt.edu.cn。

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20131114)。

收稿日期：2015-11-04；修回日期：2016-01-15；責(zé)任編輯：李明。

文章編號(hào)：1671-251X(2016)03-0012-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.003

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1511.003.html

龔德明，劉同岡，徐昌盛，等.基于PLC的塊煤轉(zhuǎn)載防破碎系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(3)：12-15.