井下皮帶地面集中控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

郭利國

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西晉中 030600）

0 引言

隨著社會對能源需求量的不斷增加，煤礦工業(yè)越來越壯大。皮帶機(jī)作為煤礦業(yè)發(fā)展的重要工具，能實(shí)現(xiàn)煤礦的連續(xù)遠(yuǎn)距離輸送，且具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、工作阻力小、使用壽命長等特點(diǎn)[1]，可適應(yīng)比較惡劣的工作環(huán)境，在煤礦工業(yè)中有著舉足輕重的作用。

為了讓皮帶機(jī)更加高效安全地運(yùn)行，需對皮帶機(jī)進(jìn)行地面集中控制，主要對其設(shè)備的起停功能及互鎖功能進(jìn)行控制，這樣既可以減少井下工作人員數(shù)量，降低員工的勞動強(qiáng)度，也可以提高員工的自身安全性，切實(shí)達(dá)到了減員增效的目的，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備生產(chǎn)效率的提高。

1 井下皮帶機(jī)常見故障

井下皮帶機(jī)常見故障主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）皮帶機(jī)產(chǎn)生異常噪聲。由于井下環(huán)境比較惡劣，噪聲不容易被識別，有可能會造成嚴(yán)重的停車事故，影響人身財(cái)產(chǎn)安全[2]。

（2）皮帶跑偏故障。皮帶跑偏是一種比較常見的事故，由于煤礦物料主要采用人工方式進(jìn)行卸載投放，難免會有不均勻的情況，因此會造成皮帶跑偏，發(fā)現(xiàn)不及時會嚴(yán)重影響設(shè)備的生產(chǎn)效率[3]。

（3）皮帶斷帶或打滑等事故。由于皮帶長時間高負(fù)荷的工作，導(dǎo)致皮帶張力有限，有可能會出現(xiàn)疲勞斷裂或打滑現(xiàn)象，輕則影響產(chǎn)量，重則危害人身安全[4]。

因此，針對這些故障，加大對皮帶機(jī)的集中控制功能成為當(dāng)下的重點(diǎn)任務(wù)。

2 井下皮帶地面集中控制系統(tǒng)工作原理

地面集中控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及各類傳感器系統(tǒng)組成。其中，PLC控制系統(tǒng)通過通訊電纜與操控臺進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的地面集中遠(yuǎn)程檢測和控制[5]。PLC控制系統(tǒng)通過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后通過光纖路線傳輸，使用智能分站、光纖收發(fā)器接入工業(yè)交換機(jī)，并與地下設(shè)備進(jìn)行連接，建立了兩者之間的連接接口。該系統(tǒng)在完成對所有接口和設(shè)備進(jìn)行編程和對點(diǎn)之后，向每個客戶端發(fā)出信號，客戶端便可實(shí)現(xiàn)地面對井下設(shè)備的遠(yuǎn)程地面集中控制。

3 控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對皮帶機(jī)起停、互鎖等基本功能的控制，還可以在控制面板上顯示信號，實(shí)現(xiàn)跑偏保護(hù)、撕裂保護(hù)、機(jī)頭堆煤保護(hù)等功能，而且還實(shí)現(xiàn)了保護(hù)過程中帶有語言預(yù)警功能，可以更加直觀和方便地達(dá)到監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)存儲等目的。

3.1 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

首先在皮帶機(jī)機(jī)頭安裝一個控制器，由于控制器本身帶有繼電器的輸出點(diǎn)和輸入點(diǎn)，這樣該控制器就可以接收到如跑偏、斷裂、打滑、堆煤等轉(zhuǎn)換的輸入信號，并進(jìn)行信號的輸出、控制開關(guān)的閉合和打開等操作，從而完成皮帶機(jī)的起停操作。同時在整個皮帶沿線安裝多個組合擴(kuò)音電話，在終端通過信息耦合方法將信號通過語音預(yù)警的方式傳出，從而實(shí)現(xiàn)地面的集中控制。

3.2 井下皮帶地面集中控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

3.2.1 關(guān)鍵傳感器設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中涉及的傳感器種類比較繁多，其中，至關(guān)重要的4種傳感器包括壓力傳感器、堆煤傳感器、跑偏傳感器、速度傳感器，因此，對該4種傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（1）壓力傳感器

壓力傳感器選用了DG1205型號，主要用于檢測皮帶是否出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。其檢測過程為：首先對皮帶設(shè)置張力的上限和下限，如果壓力超出該極限范圍，傳感器將會把信號傳輸給地面控制系統(tǒng)，從而重新調(diào)整皮帶張緊力[6]。張緊力設(shè)定如圖1所示。

圖1 張緊力設(shè)定范圍

（2）堆煤傳感器

堆煤傳感器選用了GUD330-D型號，主要安裝在皮帶搭接的地方，當(dāng)機(jī)頭出現(xiàn)了堆煤或者皮帶堆煤不均勻等現(xiàn)象時，該設(shè)備就會發(fā)出報警信號，通知控制系統(tǒng)執(zhí)行故障處理或者停車操作。

（3）跑偏傳感器

皮帶跑偏傳感器選用了GEJ-15-P型號，當(dāng)皮帶一旦出現(xiàn)跑偏的情況時，皮帶就會觸碰到傳感器的壓力感應(yīng)器，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號和聲音信號，通過控制系統(tǒng)傳輸?shù)降孛妫ㄖ刂葡到y(tǒng)執(zhí)行停車命令。

圖2 皮帶運(yùn)行速度控制結(jié)構(gòu)圖

（4）速度傳感器

皮帶在運(yùn)行過程中要嚴(yán)格控制其速度，因?yàn)槠У乃俣戎苯雨P(guān)系到齒輪的嚙合情況，這樣可以更好地監(jiān)控皮帶的運(yùn)行狀態(tài)[7]。因此，選用了GSC-200/1000-SC型速度傳感器，通過調(diào)整傳感器與齒輪之間的間隙S值來實(shí)現(xiàn)皮帶速度的控制。皮帶運(yùn)行速度控制過程的結(jié)構(gòu)組成圖如圖2所示。

當(dāng)齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中，間隙S值會出現(xiàn)有規(guī)律的變化，并在傳感器前端進(jìn)行不斷地掃掠變化，由此產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通過感應(yīng)電壓來控制皮帶速度。感應(yīng)電動勢的頻率[8]為：

式中：f為信號頻率，Hz；vd為輸送帶速度，m/s；z為齒輪齒數(shù)；d為傳感器測量桿直徑，m。

3.2.2 PLC電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

皮帶機(jī)地面控制系統(tǒng)的核心是PLC控制系統(tǒng)，PLC程序具有修改簡單、結(jié)構(gòu)清晰的特點(diǎn)[6]，主要由組織塊（OB）、功能塊（FB/FC）、數(shù)據(jù)塊（DB）等構(gòu)成。其中，組織塊（OB）主要是輸出端口，每一個組織塊對應(yīng)一種功能；功能塊（FB/FC）對應(yīng)用戶的子程序，用來存儲或者記憶組織塊中的數(shù)據(jù)信息，該模塊與組織塊直接連接使用，沒有保存功能；數(shù)據(jù)塊（DB）是完成存儲數(shù)據(jù)的模塊。PLC程序調(diào)用過程如圖3所示。

該系統(tǒng)中增加了一個液壓無源常開點(diǎn)，通過液壓張緊系統(tǒng)控制信號來控制系統(tǒng)的起停，如果信號延遲，那么設(shè)備將不能啟動。同時為了保證各種保護(hù)功能的正常運(yùn)行，在PLC箱中加入急停開關(guān)的接入點(diǎn)，通過傳感器實(shí)現(xiàn)接入點(diǎn)與保護(hù)功能的直接對接。

圖3 PLC程序調(diào)用過程

4 改進(jìn)后效果分析

本文對目前皮帶機(jī)存在的問題，有針對性地對地面集中控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，并制定了切合實(shí)際的優(yōu)化方案，從而提高了井下皮帶機(jī)地面集中控制系統(tǒng)的自動化程度。

改進(jìn)后的控制系統(tǒng)在北翼煤礦應(yīng)用過程中效果良好，功能正常，提高了皮帶機(jī)的生產(chǎn)效率，在應(yīng)用改進(jìn)系統(tǒng)的一年過程中，提高了煤礦25%的生產(chǎn)率，取得了良好的效益。同時，皮帶機(jī)的故障發(fā)生率降低了20%左右，減少了企業(yè)因皮帶機(jī)故障而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用支出。

5 結(jié)束語

通過對井下皮帶地面集中控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級研究，對基于PLC控制的皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，實(shí)現(xiàn)了更加自動化的地面集中控制功能，從而提高了礦井的安全性和高效性，切實(shí)做到了減員增效。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)具有如下效果。

（1）實(shí)現(xiàn)了井下皮帶機(jī)地面集中監(jiān)控，并可以語音預(yù)警，在整個皮帶沿線安裝多個組合擴(kuò)音電話，實(shí)現(xiàn)了地面集中監(jiān)控，更加智能自動化。

（2）實(shí)現(xiàn)了跑偏保護(hù)、撕裂保護(hù)、機(jī)頭堆煤保護(hù)等重要功能，由于在控制系統(tǒng)中嵌入更多傳感器，可以實(shí)現(xiàn)信息的耦合，在皮帶機(jī)存在風(fēng)險時可以進(jìn)行報警保護(hù)。

（3）實(shí)現(xiàn)了各個中端的分布式控制，可完成在各個不同的端口進(jìn)行分布式管理，提高了管理水平和自動化程度。

（4）該研究對提高中國礦井皮帶機(jī)集中控制方面有一定的借鑒價值。