皮帶機集中控制變頻改造在官地煤礦的應用

閻保燦

（西山煤電（集團）有限責任公司官地煤礦安監處， 山西 太原 030022）

引言

近年來我國煤炭行業自動化程度越來越高，現代大型高效礦井原煤從井下的綜采工作面一直到地面裝車站，全程由礦用帶式輸送機完成運輸，除了對帶式輸送機自身的可靠性提出更高的要求外，也對帶式輸送機的控制方式提出了新的要求。現在最新的皮帶機控制技術是將傳統的皮帶機綜保系統、生產視頻監控等全部集成在一起，形成完整的監控網絡[1-2]，能夠在地面對井下的多臺皮帶機實現實時在線監控、自動程控運行、故障報警記錄等功能，能夠大大提高生產效率、降低噸煤電耗、提高系統可用率，從而提升整個礦井的自動化程度，帶來可觀的經濟效益[3]。

1 皮帶機設備概況

官地煤礦井下共有三臺皮帶機，各皮帶機均由工人就地操作，且三臺皮帶“各自為戰”，互相之間沒有通信，更談不上連鎖保護，沒有一個統一的操作平臺，現場工人勞動強度大、勞動環境差，整個系統自動化水平低、故障率較高。三條主運皮帶規格型號和相關參數如下表1所示：

3條皮帶機“八大保護”俱全：堆煤傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器、急停開關、撕裂傳感器、超溫自動灑水裝置。

表1 井下3條皮帶機規格參數

2 改造方案

通過對官地煤礦進行調研，結合自身實際需求，本次皮帶集中控制系統升級改造擬實現以下功能：在地面集中控制室設置兩臺工程師站，互為備用，在電子間設置一臺主控PLC柜，現場三條皮帶的所有運行數據和控制信號進入對應的控制箱中，三個控制箱通過Profibus-DP總線協議進行光電轉換后，通過光線和主控PLC進行通訊，智能上位機中的監控平臺完成三條皮帶的監視、保護和控制，同時將現有的工業電視監控系統集成到控制系統中，以便更好、更方便地觀察設備的工作狀態；同時根據已投產礦井實際使用情況反饋，在井下皮帶機機頭和機尾各設置一套聲光報警設備，在皮帶機運行前或故障中，進行聲光告警，提示遠離，確保生產安全；同步對三臺皮帶機進行變頻驅動改造，并將變頻器納入控制平臺監控范圍，達到節能高效的目標。

2.1 變頻改造方案

變頻器是本次改造價值最高的設備，國產產品和進口產品價格相差很大，公司組織專家組外出對多家已實施技改單位進行調研，認為核心部件采用進口設備的國產產品，在可靠性上也能滿足要求，且價格僅為進口產品的70%，性價比高。故本次改造560 kW電機選用BPJ-630/1140礦用隔爆兼本質安全型交流變頻器，該產品核心部件采用原裝進口設備，可靠性高，不管是在輕載還是在重載工況下，均能有效控制皮帶機柔性負載的軟啟動/軟停車動態過程，實現皮帶機軟啟動、軟制動及各驅動電機之間的功率平衡、速度同步，有效降低了直接啟動/快速停車過程對機械和電氣系統的沖擊，避免撒料與疊帶，有效抑制皮帶機動態張力波可能對膠帶和機械設備造成的危害，進而延長皮帶機的使用壽命。

2.2 集控系統改造方案

由于躍進礦控制系統選用的是西門子系列PLC產品，為了保證控制設備的統一，本次改造也選用西門子公司產品，六條皮帶附近各設置一臺就地防爆控制箱，現場控制分站則采用Siemens的ET200分站，電子設備間的主控PLC則采用Siemens 300 PLC產品，它們之間通過DP總線和光纖進行通信。就地防爆控制箱采用KXJ-232-1/1140礦用隔爆兼本質安全型可編程控制箱來完成，箱內裝有通訊模塊、西門子PLC功能模塊、本質安全型電源、開關電源、繼電器和隔離柵等，如圖1所示。

圖1 KXJ-232-1/1140礦用隔爆兼本安型就地控制箱

2.3 聲光報警功能的實現

采用礦用防爆KXB-127型聲光報警器，廠家提前把預置好的語音信息保存進去，同時在主控 PLC柜內增加相應的語音模塊，將對應的語音解碼后傳輸至現場各個語音報警器進行播報。同時采用本安型KTC113型礦用閉鎖式擴音電話，用于語音通訊和對設備進行閉鎖和停機，以保證設備和人身安全。

2.4 視頻監控系統

井下三條皮帶在2015年的改造中就已經安裝了視頻監控，且所有畫面均可在集控室大屏幕監視，直接利用原有系統即可。

3 集中控制系統詳細設計

本次改造控制統采取一個可編程邏輯控制器控制單臺皮帶機，此系統中共有三條皮帶機，故采用三個小型從站，分別控制三條皮帶機。由于三條皮帶機在啟動和停止的順序上根據工藝要求和故障處理的策略會發生變化，故再采用一臺皮帶機作為主機，實現對三條皮帶機的協調控制。從站的任務包括：對現場數據的采集、故障處理、人機接口。對各傳感器采集的信號進行處理，判別是否發生故障，若發生故障如何采取有效措施處理故障，同時上位機與主機連接，通過上位機監控界面來實時監視現場的工作情況，并有故障報警信號、故障歷史記錄、電機電流曲線、各種報表文件、控制按鈕實現對現場的控制等，方便對系統的集中控制和管理。

3.1 集控平臺主要功能

1）實時監測和采集電機的三相電流、繞組溫度、軸承溫度以及皮帶機的速度等相關參數，主要檢測參數存入數據庫，并具備歷史數據查詢和報表打印功能。

2）在操作界面上動態模擬各設備的運行情況并顯示相關參數，正常、報警、故障用不同的顏色表示。

3）系統具有三種控制模式并采用操作臺的轉換開關切換：分別是“集控”“就地”“檢修”，其中系統運行在“檢修”方式下，各設備之間連鎖保護切除，各設備可以進行單機試運轉。“檢修”模式需輸入口令后才能啟用，避免誤操作。

4）自動保護，即主電機過流、欠壓以及軸承或繞組超溫時，高值報警，高高值停機。

5）自動運行，即PLC按照預先設定好的程序按照各設備連鎖關系，依次將各設備啟動或停止，在啟停過程中，如果檢測到報警信號或者無相應的反饋信號，順控程序暫停并發出聲光報警，需人工復位。

3.2 系統IO點計算

單臺皮帶機IO點如表2所示：

表2 單條皮帶IO點表

單條皮帶共計IO點14個，3條共42個，考慮15%備用，IO點按50個計算。

3.3 皮帶啟動程序設計

皮帶機啟動方式遵循逆煤流啟動的原則，避免順煤流啟動帶來的堆煤情況。

皮帶機的三種啟動方式如下：

1）全線啟動：按下全線啟動按鈕，首先判斷電機是否發生故障，發生故障則等待，電機正常則延時后啟動，接下來按同樣的方式處理電機和屯機，最終三條皮帶都啟動運行。

2）自動啟動：皮帶機按照延時電機啟動的順序啟動皮帶。

3）手動啟動：手動啟動直接用繼電器控制電路啟動電機，不需要執行小程序來控制。

皮帶機停機順序遵循順煤流停車的原則，避免由于后面的皮帶先停機，前面的皮帶還在運轉，從而在兩條皮帶的交接處出現煤堆積的情況。

3.4 本安操作臺

采用TH6-24S本安操作臺，具有就地、集控、手動、檢修等多種操作方式。操作臺上配備的按鈕及開關有：功能選擇、設備的起停、速度給定等等；參數顯示由PB8-24礦用隔爆顯示屏及相應的儀表完成，主要顯示設備的運行狀態和運行參數，并與可編程控制箱進行數據交換。

3.5 軟件部分主要功能及特點

1）監控主畫面組態軟件：軟件采用國內昆侖通態MCGS系列組態軟件，支持全中文、面向窗口、可視化的開發界面，界面明了簡潔，使監控工作變得靈活多變、簡單直觀，如圖2所示。

2）人機交互界面：人機交互界面使操作人員對現場運行設備有了一個更直觀、準確的觀察與判斷，是系統遠程監控中的重要部分，良好的界面可以為操作人員掌握系統數據、預判系統故障（見圖3）、排查故障原因提供有效的幫助。

4 應用效果

4.1 變頻節能情況

改造后皮帶機節能計算：三條皮帶機現在每天工作兩班，全年工作時間約為270 d，2017年一季度耗電1 804 723.20 kWh，改造后2018年一季度耗電992 597.76 kWh，本礦工業用電的電價為0.75元/kWh，改造后平均每年可節約成本0.75×812 125.44×4=243.64萬元。

4.2 檢修費用節省情況

除了顯著降低電耗外，變頻時皮帶機的轉速也隨著下降，大大減輕了整個系統的磨損：

1）未改造前每年皮帶運行距離=270 d×16 h/d×3 600 m/s×4.4 m/s÷1 000=68 428.8 km；

2）變頻改造后每年皮帶每班平均帶速=3.5 m/s，運行距離=270 d×16 h/d×3 600×3.5 m/s÷1 000=54 432 km；

圖2 主監控畫面

圖3 故障信息顯示畫面

3）皮帶和托輥每年少運行里程為13 996 km，按照公司以往數據推算，預計可節約檢修費用10萬元。

5 結論

1）提高了井下皮帶機的自動化程度，減輕工人的勞動強度，提高了設備可用率和安全性，獲得了井下一線工人的一致認可。

2）降低了設備電耗，同時節省了皮帶機檢修費用。