多參數融合下智能刮煤器在麻地梁選煤廠的設計與應用

周 暢，馬 兵，趙 龍，張 鵬

(內蒙古智能煤炭麻地梁煤礦選煤廠，內蒙古 鄂爾多斯 017100)

0 引言

2021年度，國家能源局對煤礦安全隱患進行從新界定，皮帶機堆煤、速度、超溫、煙霧等保護不起作用，屬于重大安全隱患。原有的皮帶機的保清掃器系統均需人工檢查，造成皮帶機帶面粘煤現象嚴重，清理工作大。同時皮帶機系統安裝的灰粉儀、電子秤、保護系統等相關數據互相不能共享。基于以上原因，設計一套基于 S7-200smart為控制單元的智能清掃器系統，采集相關數據，實現皮帶運行、煙霧、超溫、風水、粉塵五者聯動功能，智能清掃根據煤量壓力自動可調，延長了皮帶的使用壽命，杜絕了人工漏檢查，減少了清理人員，實現了數據共享。

1 設計背景

1.1 現有清掃器存在的問題

因皮帶輸送運力大、運行平穩、檢修方便、運距長和特點，廣泛運用在煤礦、電廠、港口等工作場所，皮帶輸送的粘著物料、粉塵會粘在皮帶，隨著皮帶的運行，形成飛揚的粉塵或粘在托輥上，飛揚的粉塵會造成環境污染，增加托輥、皮帶等設備磨損，嚴重的造成煤塵爆炸[1]。

為杜絕帶式輸送機輸送物料的粘著煤粉，常利用聚氨酯刮板和滾筒之間的弧度結合面清掃運輸皮帶表面的附著物，以保持皮帶工作面清潔度。

根據常用聚氨酯刮板和滾筒之間的弧度、安裝位置、皮帶寬度的要求，設計的清掃器有一道犁式清掃器、二道聚氨酯刮煤器、三角機尾刮煤器、平段刮煤器等不同規格的機械式刮煤器。

隨著設備運行和刀片的磨損，機械式刮煤器與皮帶滾筒貼合度不夠，如果不能及時進行檢查和調整，造成細小粉塵不能清掃掉，達不到清掃的效果[2]。

1.2 麻地梁煤礦選煤廠皮帶運輸系統中設備布置

麻地梁煤礦選煤廠皮帶運輸系統中共有6條皮帶，108、854皮帶設計運行能力3000噸/h，最大速度4 m/s，采用變頻控制，實現遠程、近控兩種控制模式。

系統中設置有CTC電子秤一臺對原煤系統原煤流量進行觀測，同時對皮帶機的運行時間和運載時間顯示、記錄煤礦輸送系統負荷、累計產量情況，運行情況，通訊故障狀態，異常報警，實時對煤流量進行監控。

2 設計思路與控制策略

采用S7-200smart PLC作為控制中心單元，把機械與電氣集成到一體的手動、自動一體化的智能清掃器，智能掃清由三道刀片、傳動軸、電動執行器、扭矩傳感器、一路風電動閥、一路水電動閥，無動力內噴霧滾刷、電控箱等構成。

智能清掃器工作原理主要由執行器驅動刀片旋轉，扭矩傳感器檢測傳動軸的扭矩，扭矩與刀片壓力成正比，進而把刀片壓力反饋到PLC，與設定的扭矩比較，由PLC判斷應該加壓還是減壓，再驅動執行器相應的動作，控制刀片與皮帶的壓力在設定的范圍內，保證刀片與皮帶始終以恒定的壓力緊密接觸[3]。

當皮帶不運行時，清掃器與皮帶不貼合，一道刀片扭矩設計到緊貼帶面工作力距的95%，二、三道刀片不起作用。風、水電動閥均不動作，無動力內噴霧滾刷不旋轉。

當皮帶運行無煤時，一道刀片扭矩達到工作力距，二、三道刀片不起作用，水電動閥打開10 S，對皮帶進行潤濕，風電動閥不動作。

當皮帶運行有煤時，一道刀片扭矩達到工作力距，二、三道刀片起作用，風、水電動閥每300 S打開一次，水電動閥對皮帶進行潤濕，風電動閥動作，對噴在皮帶上水進行風干。

當檢測到機巷內的粉塵達到一定程度或沿線皮帶有煙霧報警時，機巷內所有噴霧打開，并進行報警。

智能清掃器采用 PLC和觸摸屏進行壓力檢測、顯示、設置與控制；各道清掃器采用執行器內部的角度傳感器檢測刀片磨損程度，發出報警信號，刀片壓力可以通過觸摸屏在允許的范圍內任意設置[4]。

3 硬件設計

3.1 機械部分

傳動部分由電動伺服執行器—扭力傳感器—聯軸器—清掃器。

3.2 清掃器阻力的計算

皮帶寬度1 600 m，共計四道刮煤器，其特殊阻力：

A為清掃器和輸送帶接觸面積，m2，見表1，P為清掃器和輸送帶間的壓力；N/m2，一般取為3 × 104～10× 104N/m2；μ3是清掃器和輸送帶間的摩擦系數，一般取為0.5～0.7；k2是刮板系數，一般取為1500 N/m。

表1 導料槽欄板內寬、刮板與輸送帶接觸面積Tab.1 the inner width of the guide trough fence and the contact area between the scraper and the conveyor belt

查表 1得，A=0.006m2，取p=10×104N/m2，取3μ=0.6，將數據帶入式F=A*P*U3。

則Fr=0.006×10×104×0.6=360N

3.3 清掃器相關設備基本參數

表2 電動執行器選型參數表Tab.2 Selection parameter list of electric actuator

4 電路設計與數據整合

4.1 電路設計

根據設備參數和采集的數據，選用S7-200smar plc作為主控單元，選用相應的模擬量采集模塊采集皮帶振動信號、通過485通訊采集現有電子秤數據、扭距傳感器的扭力、扭角量程[5]。

4.2 數據融合

系統采用S7-200SMART系列PLC作為主控單元，根據需要，加有模擬量輸出、輸入單元。利用S7-200SMART系列PLC自帶的485接口采集電子秤的瞬時流量、扭距傳感器扭距值，擴展的模擬量輸入模塊采集振動傳感器的變化量，以太網接口與礦控制中心完成數據傳輸。

5 軟件設計

5.1 輸出輸入點統計表

表3 智能清掃器S7-200smart控制點統計表Tab.3 Statistics of control points of the smart cleaner S7-200smart

5.2 程序設計流程圖

程序采集模塊化設計，設計有電控箱控制、數據采集塊、刀片角度、刀片磨損、刀片壓力、報警信號等，實現刮煤器的自動控制。

6 人機界面

為方便數據觀察、參數設置，現場設置觸摸屏進行操作，觸摸屏設置主畫面、參數設置、當前報警、扭距趨勢、遠程控制、I/O 畫面、動畫演示相關畫面，完成現場操作的功能。

7 應用效果及取得效益

7.1 采用自動控制清掃器，清潔了原煤運輸系統

本裝置設有手動和自動兩種控制方式，“手動”操作模式只用在調試設備有故障時。在正常工作情況下，都是在“自動”工作模式下，減少人為檢修不及時原因造成的皮帶粘粉塵現象，減少了皮帶“帶回頭”現象，減少了煤的清理工作，減少清理人員。

7.2 采集煤流量控制刀片壓力，延長了刀片和皮帶使用壽命

裝置采集系統性中現有電子秤了參數，作為三道刀片工作壓力控制信號。當皮帶上沒有煤量時，一道刮煤器刀片壓力只達到設計壓力的95%，其它二道壓力為0 MPA。當皮帶上有煤時，三道路刮煤器在5 S內達到工作壓力，同時刀片能夠根據設置的扭矩范圍，自動控制刀片的扭矩恒定在設置范圍內，使刀片與皮帶的壓力恒定，保證清掃效果好且穩定。有效減小了由于壓力忽大忽小不穩定造成的刀片和皮帶磨損程度，延長了刀片和皮帶使用壽命，降低生產成本[6]。

7.3 與礦網絡互通，實現數據共享

智能刮煤器配置的通訊功能，數據通過以太網并入礦環網，實現數據共享。集中監控中心人員根據文字和聲光報警，及時掌握設備狀態。當有故障時，及時通知相關人員，到現場進行維護調整，并有提高了工作效率。

7.4 控制噴霧系統，起到降塵效果

裝置采集皮帶系統其它設備的參數作為智能清掃器的控制參數，實現了數據的整合，采集設備振動信號，做為噴霧裝置的一次啟動信號，起到設備降塵效果。運用PLC的邏輯控制功能，采用調整時間，使噴霧裝置實現間斷性噴淋，實現了原煤系統無塵化清潔運輸[7]。

8 結論

智能清掃器通過 PRIFINET/485通訊模塊采集相關設備模塊，實現皮帶運行、煙霧、超溫、風水、粉塵五者聯動功能，通過粉塵量實時監測，實時啟動噴霧系統，實現的清潔運輸，皮帶運輸系統清理工作量基本為零。通過數據共享，一套水系統用于整個皮帶系統，減少設備投資 20萬元。智能清掃器壓力根據煤量實時可調，實現了有煤貼合皮帶，無煤與皮帶分離目的，延長了皮帶和清掃器刀片的使用壽命，杜絕檢查人員漏檢，保證了皮帶安全運行。