煤礦開采中煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)研究與應(yīng)用

武 威

0 前言

煤礦開采中，以往進(jìn)行裝車操作過程多采用人工控制的方式完成操作，作業(yè)人員根據(jù)電子軌道衡的讀數(shù)值手動(dòng)控制給煤機(jī)、皮帶運(yùn)輸設(shè)備以及絞車等，從而達(dá)到定量裝煤的目的。因?yàn)樵谘b煤時(shí)采用的是人為控制方法，因此在裝車過程中存在著相對嚴(yán)重的超載或者虧載問題，而且裝車的速度較慢，整個(gè)操作流程較為復(fù)雜，人工作業(yè)強(qiáng)度較大，作業(yè)環(huán)境也較為惡劣，這樣不僅會(huì)使得煤礦企業(yè)面臨一定的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)嚴(yán)重影響到作業(yè)人員身體健康[1]。所以，煤礦裝車系統(tǒng)的自動(dòng)化程度會(huì)對煤炭裝車工作效率以及精度造成嚴(yán)重影響，同時(shí)也會(huì)對煤礦生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)效益帶來較大影響。因此，非常必要針對煤礦裝車系統(tǒng)加以控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝車作業(yè)，對煤炭裝車加以監(jiān)控，確保裝車的精度以及效率均得以有效提升，為企業(yè)創(chuàng)造更多的效益，也推動(dòng)企業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展[2]。

1 煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)的原理以及功能

煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)包含有煤倉裝置、給煤機(jī)設(shè)備、皮帶設(shè)備、絞車設(shè)備以及皮帶秤裝置等，具體組成見圖1。

圖1 煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)各部分組成

在煤炭裝車過程中，車廂按照特定順序依次運(yùn)行至煤倉的下方，當(dāng)車廂停到了軌道衡之上，系統(tǒng)便會(huì)輸出相應(yīng)的控制命令，將輸送設(shè)備以及給煤設(shè)備開啟，并且利用膠帶秤對煤流的流量加以檢測。在車廂裝煤達(dá)到特定數(shù)量之后，此時(shí)便會(huì)發(fā)出指令，轉(zhuǎn)變溜煤槽的擋板方向，確保煤炭能夠進(jìn)入至后續(xù)車廂之中，確保煤炭能夠順利通過車廂間的車節(jié)部位，再啟動(dòng)絞車，完成后續(xù)車廂的裝煤工作[3]。在對最后車廂進(jìn)行裝煤作業(yè)時(shí)，采取定重或者定時(shí)的方式關(guān)閉輸送設(shè)備以及給煤設(shè)備，同時(shí)將溜煤槽裝置收回。煤炭自動(dòng)化裝煤系統(tǒng)運(yùn)行流程示意圖如圖2所示。

圖2 煤炭自動(dòng)化裝煤系統(tǒng)運(yùn)行流程示意圖

自動(dòng)裝車系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)下列功能：

要能夠全面的監(jiān)測輸送設(shè)備、煤倉裝置以及給煤設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)，為系統(tǒng)的有效控制以及調(diào)度提供可靠依據(jù)。對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控以及調(diào)度時(shí)，都要能夠在集控室之中完成，確保系統(tǒng)的管控一體化。加裝視頻監(jiān)控裝置，對整個(gè)裝車過程進(jìn)行直接的監(jiān)控，確保裝車的安全性。系統(tǒng)之中不同設(shè)備應(yīng)擁有連鎖關(guān)系，也就是要保證系統(tǒng)在啟動(dòng)、停運(yùn)以及發(fā)生故障情況下急停均要依據(jù)相應(yīng)流程完成。所有現(xiàn)場設(shè)備均應(yīng)當(dāng)可以實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，即可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、手動(dòng)控制以及就地控制。

2 煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)的硬件組成

2.1 PLC裝置的選型

PLC裝置在煤礦自動(dòng)化控制之中應(yīng)用非常廣，將其作為自動(dòng)裝車系統(tǒng)的主控裝置，可以確保系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能需求。煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)的性能以及任務(wù)基本上都是通過對開關(guān)量的控制實(shí)現(xiàn)的，也有部分是通過模擬量控制實(shí)現(xiàn)的，所以，在選用PLC裝置的過程中，要確保PLC裝置應(yīng)當(dāng)具備A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊，同時(shí)還要具備D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，此次所選用的PLC裝置型號為S7-300型PLC裝置[4]。S7-300型PLC裝置具有較易擴(kuò)展的性能，而且其通信能力相對強(qiáng)，可以更加容易達(dá)到分布式結(jié)構(gòu)的要求。在選擇CPU時(shí)，經(jīng)過全面的考察，采用對于二進(jìn)制以及浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算擁有相對強(qiáng)處理能力的CPU315-2DP型，該類型CPU具備PROFBUSDP主站以及從站接口，并且適宜應(yīng)用在一些較大規(guī)模的I/O配置系統(tǒng)之中。

2.2 I/O模塊設(shè)計(jì)

在煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)之中，需要監(jiān)控的參數(shù)包含有：借助于料位計(jì)針對不同煤倉之中煤量加以監(jiān)控，同時(shí)也對給煤設(shè)備加以監(jiān)控，對給煤機(jī)電機(jī)裝置繞組溫度值、定子溫度值以及軸承溫度值加以監(jiān)測。電機(jī)配電系統(tǒng)還需要實(shí)時(shí)的監(jiān)測主回路電壓值、控制回路電壓值以及工作電流值等，同時(shí)要求要把檢測所得數(shù)據(jù)利用RS-485接口輸送到PLC裝置之中。能夠借助于集控系統(tǒng)之中電信號全面的對給煤設(shè)備、皮帶設(shè)備以及絞車裝置等加以監(jiān)控。確保軌道衡以及皮帶秤可以精準(zhǔn)的對煤炭進(jìn)行稱量，同時(shí)利用傳感裝置以及PLC裝置等完成各種數(shù)據(jù)信息的快速、精準(zhǔn)傳輸[5]。

3 PLC控制柜工作原理

3.1 PLC對給煤機(jī)的控制

給煤機(jī)裝置包含有機(jī)架結(jié)構(gòu)、給煤槽部件、漏斗閘門部件以及托輥部件等。在給煤機(jī)的電動(dòng)機(jī)裝置啟動(dòng)之后，會(huì)通過聯(lián)軸器裝置、減速器裝置以及曲柄連桿裝置對底板進(jìn)行拖動(dòng)，確保底板能夠在托輥之上完成直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而可以確保把煤炭能夠更加均勻的裝卸至輸送設(shè)備之中。給煤機(jī)設(shè)備之中通常會(huì)有兩種形式，一種攜帶有調(diào)節(jié)閥門，另一種則未攜帶調(diào)節(jié)閥門。PLC控制柜可以借助于數(shù)字量輸入模塊，全面采集給煤機(jī)設(shè)備各種參數(shù)數(shù)據(jù)，然后通過特定的程序運(yùn)算之后，相應(yīng)的控制命令對采煤機(jī)各項(xiàng)操作進(jìn)行控制。

3.2 PLC對裝車閘門和制定器裝置控制

該系統(tǒng)之中的裝車閘門為電動(dòng)閘門，對閘門的轉(zhuǎn)動(dòng)信號、電氣保護(hù)信號以及限位限號收集之后，將信號輸送到PLC裝置之中，此時(shí)PLC裝置便能夠結(jié)合信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過特定運(yùn)算處理之后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果輸出控制命令，對閘門的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及制動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[6]。

3.3 PLC對輸送設(shè)備的控制

在煤炭裝車系統(tǒng)之中，輸送設(shè)備是非常重要的設(shè)備，輸送設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及原理也相對復(fù)雜，在收集輸送信號的過程中也較為困難以及復(fù)雜，不僅要求要收集輸送設(shè)備的電機(jī)運(yùn)行速率信號、溫度信號等信號，同時(shí)還要求要對一級跑偏故障、二級跑偏故障、打滑故障、堆煤故障以及斷路器信號等多種信號進(jìn)行收集與處理，在完成數(shù)據(jù)收集之后，利用數(shù)字量輸入模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)信息輸入至CPU裝置之中，PLC控制裝置依照相應(yīng)的結(jié)果輸出控制指令，實(shí)現(xiàn)對輸送設(shè)備的有效控制。

4 煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

4.1 裝車效果分析

依照煤礦裝車的具體效果，根據(jù)煤炭在不同車廂之中具體的堆形畫出相應(yīng)曲線，來表現(xiàn)不同裝車方式下的均勻度。其中人工操作系統(tǒng)裝車效果和自動(dòng)裝車系統(tǒng)裝車效果如圖3與圖4所示。通過圖3之中的曲線可以得出，采用人工裝車系統(tǒng)情況下，作業(yè)人員往往為了確保煤炭能夠完全裝入車廂之中，習(xí)慣在裝車初始階段盡量多裝煤炭，導(dǎo)致了裝車的不均勻性，以“前多后少”問題較為常見[7]。通過圖4能夠得出，采用自動(dòng)裝車系統(tǒng)情況下，裝車曲線相對較為平滑，而且整個(gè)裝載過程也相對均勻，并且通過現(xiàn)場的觀察，巨大多數(shù)車廂均觀察不到起伏現(xiàn)象。

圖3 手動(dòng)裝車堆形曲線示意圖

圖4 自動(dòng)裝車堆形曲線示意圖

在利用自動(dòng)裝車系統(tǒng)完成煤炭裝車作業(yè)的過程中，不僅確保車廂裝載的更為均勻，并且車廂的裝載數(shù)量同樣也可以被控制在要求范圍之內(nèi)，確保不同車廂一般情況下欠載50 kg～100 kg左右，而且不會(huì)出現(xiàn)超載問題，也不會(huì)出現(xiàn)車廂未裝滿而提前下軌道衡的問題，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)主要就是依靠的精準(zhǔn)裝載以及定位功能。對某次車廂裝煤的具體裝載量進(jìn)行了測試，裝載量的設(shè)定值為49 992 kg，裝載完成后測量總的裝載量為49 909 kg，欠載量為83 kg，這也說明了采用自動(dòng)化裝車系統(tǒng)之后裝載精度相對較高。具體測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 車廂裝載量測量數(shù)據(jù)

從表1可看出，采用自動(dòng)化裝車系統(tǒng)之后，在裝煤過程中，出現(xiàn)的誤差均較小，而且從車廂整體誤差來看，誤差更低，這也說明了自動(dòng)化裝車系統(tǒng)擁有較高的精準(zhǔn)性。

4.2 裝車效率對比

采用煤炭自動(dòng)化裝車系統(tǒng)之后，不僅裝車的重量能夠得到有效控制，確保不會(huì)出現(xiàn)超載問題，使得裝車更為均勻。另外，采用煤炭自動(dòng)化裝車系統(tǒng)還能夠有效的節(jié)省裝車時(shí)間，減少裝車人員的數(shù)量，增加裝車量，可以顯著提升裝車效率[8]。煤炭自動(dòng)化裝車系統(tǒng)應(yīng)用前后的裝車效率對比如表2所示。

表2 煤炭自動(dòng)化裝車系統(tǒng)應(yīng)用前后的裝車效率對比

5 結(jié)語

通過傳統(tǒng)煤炭裝車方式和煤炭自動(dòng)化的對比分析可知，采用煤炭自動(dòng)化裝車系統(tǒng)之后，更加凸顯了自動(dòng)化裝車作業(yè)的便捷性，確保了裝車數(shù)量更為精準(zhǔn)，還能夠顯著提升裝車效率。而且，在煤炭自動(dòng)裝車系統(tǒng)之中，PLC裝置不僅可全面地對裝車系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，確保系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)上位機(jī)裝置還可自動(dòng)生成報(bào)表，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控信息，為煤礦實(shí)現(xiàn)信息化管理奠定了良好的基礎(chǔ)保障。