煤礦帶式輸送機智能控制系統設計與應用研究

王 瑜，王溫棟

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

隨著人們生活水平的不斷提高，資源消耗量不斷增加，煤炭需求量不斷增大，煤炭掘進工作越來越繁重[1]。據統計，2019年，全國煤炭產量達到了40億t左右，對煤礦的消耗及依賴程度也相對更大，與其他能源相比，煤礦資源占據了重要地位。帶式輸送機作為煤炭生產的關鍵輸送設備，其工作的穩定性直接關系井下作業人員的安全及煤炭企業的產能，現已引起了煤炭行業的關注[2]。今年來，智能制造技術發展迅速，為煤炭帶式輸送機控制系統的改造升級提供了重要的技術支持[3]。針對某煤礦企業帶式輸送機運行效率低、安全性能差、電能損耗嚴重的問題，開展礦用帶式輸送機上智能控制系統設計與應用研究，并對系統進行了實際應用驗證，此系統的應用提高了設備的智能化程度，對于提高煤礦企業的安全性、產能和效率等具有重要的意義。

1 現有控制系統現在分析

帶式輸送機作為煤炭掘進工作的重要輸送設備，逐漸向多元化發展，應用范圍越來越廣，具有連續輸送、自動控制、載重量大等優點。國外的帶式輸送機在技術上越來越先進，尤其是先進的控制技術，運行可靠性很好。

國內的帶式輸送機在自動化控制方面也取得了較好的發展，較多的自動化控制方式及遠程控制方式被應用到煤礦的發展中。但在實際運行中存在較多問題，主要有以下幾個缺點：①帶式輸送機中雖升級設計了自動化控制系統，但系統的控制功能較為單一，部分只能實現對設備的自動化啟動控制，當設備出現較大外界載荷沖擊、超大功率運行、膠帶磨損發熱等異常現象時，大部分設備上的控制系統無法實現對設備的自動化報警及保護設置[4]；②設備運行時經常出現異常振動現象，控制系統無法實時對設備的振動情況進行檢測，一旦振動劇烈，將使得設備無法正常運行；③設備中的控制系統一般只采用了以太網進行通信，通信網絡單一，信號的速度也相對較慢，在信號傳輸過程中也極容易受到外部信號的干擾，嚴重影響著設備的運行效果及控制精度[5]；④當前控制系統的數據處理能力相對較差，配置較低，控制中心存在運行速度較慢、信息處理量較低等問題，針對當前設備運行時的較多檢測信號，處理器已無法滿足較大數據量的處理能力[6]。綜上分析，為了縮小國內帶式輸送機與國外相同產品的差距，提高帶式輸送機的整體控制性能及精度，有必要開展帶式輸送機智能化控制系統的升級設計與應用研究。

2 控制系統方案

基于某煤炭企業控制系統現狀，完成了安全、高效、節能控制系統方案的設計，如圖1所示。由圖1可以看出，控制系統方案的主要模式為上位機、控制主站、控制分站相結合，采用工業以太網實現井下各個帶式輸送機的互通互聯。控制系統中涉及地面集控室、傳輸網絡、控制裝置等，關鍵位置配置視頻監控，設置帶式輸送機的安全閉鎖啟停功能[7]。上位機設計在地面集控中心，以太網通信實現井下帶式輸送機的集中監視與遠程控制。為了保證控制系統數據傳輸的可靠性和準確性，對井下分站的電器元件提出了更高的要求，均采用礦用隔爆兼本安型元器件(包括可編程控制器等)，配合相應的傳感器實現帶式輸送機的控制[8]。通過數據傳輸控制各個分站之間的邏輯關系，實現各個帶式輸送機之間按煤流方向閉鎖運行。整個控制方案屬于開放體系結構，具有很好的可擴展性，便于維護維修等后續工作的開展。

圖1 控制系統方案Fig.1 Control system scheme

3 硬件分系統設計

帶式輸送機控制系統硬件設計主要工作是完成井下控制分站及各個監測傳感器的選型工作，以實現井下帶式輸送機的集中監視與遠程控制目的。

3.1 PLC控制器匹配設計

依據煤礦井下帶式輸送機工作情況，確定了井下PLC控制器的型號。此處選擇SIMATIC S7系列的PLC控制器。控制系統涉及9個PLC控制器，水平主膠帶帶式輸送機采用S7-300 PLC系列控制器，其余的均使用S7-200 PLC系列控制器[9]。S7-300 PLC 控制器實物如圖2所示。

圖2 S7-300 PLC 控制器實物Fig.2 Physical drawing of S7-300 PLC controller

S7-300 PLC系列控制器應用較多，得到了各界的廣泛認可，充分體現了控制器結構緊湊、模塊無插槽等模塊化設計思想，配置了數據處理能力較強的CPU模塊，足以滿足煤礦井下帶式輸送機集中控制系統的設計要求。與此同時，S7-300 PLC系列控制器具有運算速度快、抗干擾能力強、兼容性好等優勢，能夠很好地適應井下帶式輸送機控制系統惡劣的服役環境，保證控制系統的安全可靠工作。

3.2 井下控制分站設計

為了適應煤礦井下帶式輸送機連續生產作業的要求，實現地面集中控制井下帶式輸送機的目的，需要對主站和分站進行功能劃分。控制系統中的主站用于接收、處理和協調來自井下各個分站的數據，經過數據分析處理之后傳輸至地面集控中心的上位機進行實時顯示，供監控人員及時掌握井下帶式輸送機的運行狀態參數。井下各個帶式輸送機的控制分站均具備各自獨立控制功能，經控制分站發出控制指令即可實現帶式輸送機數據的采集與控制等功能[10]。綜合保護用的各類傳感器，主要的作用是實時采集井下帶式輸送機工作環境設備運行狀態參數，如運行電流、電壓、載荷質量、速度、振動、溫度、煙霧、跑偏等。具體的井下控制分站結構如圖3所示。

圖3 控制分站結構組成Fig.3 Structural composition of control substation

3.3 關鍵傳感器選型設計

控制系統涉及的監測參數包括：煤倉倉位、輸送帶速、驅動裝置振動、帶式輸送機運行溫度、輸送帶張力、煙霧濃度、跑偏量等，需要根據上述檢測要求選擇合適的傳感器[11]。其中用于煤倉倉位檢測的料位傳感器型號為GUL70，輸送帶旋轉速度傳感器型號為GSG-5，振動傳感器型號為GDB20，帶式輸送機用溫度傳感器型號為GWP200，張力傳感器型號為GAD200，煙霧傳感器型號為GQQ5，跑偏傳感器型號為GEJ35/45。其中，GWP200型溫度監測儀實物如圖4所示。上述各種傳感器選擇是控制系統獲取帶式輸送機運行參數的基礎，滿足帶式輸送機運行狀態參數采集的要求，確保控制系統能夠及時獲取輸送帶的運行參數實際值，通過數據分析處理發出正確的控制指令，實現輸送機的智能控制。

圖4 GWP200型溫度監測儀實物Fig.4 Physical drawing of GWP200 temperature monitor

3.4 視頻監控模塊設計

由于井下環境惡劣，為進一步提升帶式輸送機的智能化程度，在該控制系統中增設了一套視頻監控模塊，通過此模塊，操作人員可在控制室中對設備進行自動化遠程監控，實時掌握設備的運行狀態及異常情況。此模塊采用了市場上成熟的KBA116A型防爆攝像儀作為監控設備，具有結構體積小、質量小、防潮等特點。在該模塊中，設置了異常情況識別報警功能，通過此功能，可實現對膠帶上煤石、錨桿等雜物進行監測，當發現有卡阻現象時，能及時發出停車信號，防止設備發生堵倉、堆煤現象[12]。同時，設置了煤料堆積監測功能，當監測到膠帶上的堆積物超過一定量且超過設置的實際后，將會給控制系統的上機位系統發出報警停車指令；另外，也設置了圖形聯動功能，能將系統發生的異常故障現象傳輸至上機位系統中，操作人員將根據故障信息采取相應的故障處理操作，待故障解除后，控制系統將發出恢復命令，保證設備的正常運行。

4 軟件程序設計

4.1 系統主程序

帶式輸送機控制系統運行主程序采用的是PLC編程語言完成，是控制系統軟件設計的基礎，帶式輸送機控制系統的主程序流程如圖5所示。由圖5可以看出，控制系統運行時PLC的主要功能包括系統的初始化、故障的自診斷、主控制程序的運行等，以便實現整個控制系統的安全可靠運行，實現井下帶式輸送機的實時監測與遠程控制。控制系統主控制程序包含多個子程序，如輸入信號處理子程序、控制模式選擇子程序、啟動控制子程序、速度控制子程序、故障保護控制子程序等。主程序主要負責調用各個子程序順序運行，保證控制系統能夠及時完成數據的采集并傳輸至井上集控中心進行實時顯示；與此同時，監控人員也可以根據帶式輸送機的運行參數實測值發出參數調整與控制指令，實現井下帶式輸送機的遠程控制功能。

圖5 控制系統主控制流程Fig.5 Main control flow chart of control system

4.2 軟啟動控制程序設計

帶式輸送機由于運行時受到較大的外界載荷，啟動瞬間由于膠帶上承載著較多重力，導致設備啟動時將受到較大沖擊作用。因此，在整套控制系統中，對設備的啟動環節進行了軟啟動保護程序設計，以此來保護設備中電機不被燒壞，延長設備使用壽命。在該程序控制中，首先啟動控制指令，在完成預警保護功能自檢、制動閥自檢、膠帶張力自檢等運行正常后，啟動系統中的變頻器程序，通過控制電機中的運行頻率，使電機按照S型進行曲線啟動控制，當檢測到膠帶的運行速度達到額定速度時，可停止整個控制程序，實現對整個電機啟動過程的實時保護，同時也大大降低了設備啟動瞬間的能源消耗。系統軟啟動控制流程如圖6所示。

圖6 系統軟啟動控制流程Fig.6 System soft start control flow chart

4.3 速度控制程序設計

速度控制程序設計的依據為井下帶式輸送機工作的節拍，將帶式輸送機載荷不均勻性考慮進去，將其劃分為若干載荷區間，對各個區間設置對應的輸送帶轉速。基于上述控制原理設計的速度控制流程如圖7所示。

圖7 速度控制流程Fig.7 Speed control flow chart

工作時先采集輸送帶載重量，依據系統采集得到的載重量確定其落入的重量區間，通過數據分析確定匹配的輸送帶速度。帶速確定之后速度動態控制模型采集驅動電機的電流，采用多電機功率平衡策略判斷驅動電機的功率是否達到平衡狀態，當帶式輸送機依據上述速度控制流程使帶速與運量達到動態契合時控制系統結束工作。

4.4 綜合保護系統

輸送帶綜合保護系統如圖8所示，主要功能是確保整個控制系統安全可靠工作，實現井下輸送帶的實時監測與遠程控制。輸送帶運行過程中出現過流、過壓、速度偏離、煙霧、跑偏等問題時，PLC控制器能夠根據傳感器信號發出故障告警，嚴重的情況會自動停車。綜合保護系統開始運行時，由上位機進行輸送帶實時運行參數的采集，采集得到的電壓數值超限時發出過壓報警信號、采集得到的電流數值超限時發出過流報警信號、采集得到的煙霧濃度數值超限時發出煙霧報警信號，采集得到的溫度數值超限時發出過溫報警信號，與此同時，啟動灑水裝置進行降溫處理、采集得到的數據顯示輸送帶存在撕裂故障時發出撕裂報警信號、采集得到的膠帶堆煤量數值超限時發出堆煤報警信號、采集得到的輸送機膠帶運行出現跑偏時，如果出現的是一級跑偏，則系統發出跑偏報警信號，若進一步演變成二級跑偏情況，則直接進行停機保護，除此之外，其他報警信號發出時系統均會進行停機保護，綜合系統工作結束。

圖8 綜合保護系統流程Fig.8 Flow chart of integrated protection system

4.5 上位機系統

帶式輸送機控制系統上位機系統軟件開發基于iFIX開發平臺完成，上位機系統結構如圖9所示，主要涉及系統管理模塊、人機交互界面、數據分析模塊等3部分，上述模塊之間相互關聯，數據共享，是一個統一協調的整體。系統管理模塊主要負責系統配置設置與權限管理功能，包括系統需要采集的參數信號，監控人員的登錄、查看等權限的設置等；人機交互界面主要包括監控主界面、故障彈窗、登錄記錄查詢、開停記錄查詢、故障記錄查詢、歷史曲線查詢等模塊，具備帶式輸送機運行狀態的實時監測、遠程控制、故障顯示、歷史數據查詢等功能；數據分析模塊主要負責數據庫操作和報表的輸出打印，如數據庫存儲數據的類型、數據庫內存的大小、數據報表的打印等。

圖9 上位機系統結構Fig.9 Upper computer system structure

5 應用效果評價

基于某煤礦帶式輸送機對應控制系統改造設計的需求，完成了設備中控制系統總體方案、硬件、軟件的設計。為進一步驗證控制系統的可行性和效果，將其應用于服役中的帶式輸送機中進行試運行，并跟蹤記錄系統運行效果。結果表明，控制系統運行穩定可靠，實現了井下帶式輸送機集中控制與遠程控制功能。統計結果顯示，該控制系統的投入使用，提高了帶式輸送機運行的穩定性，速度調節功能的引入，減少了帶式輸送機近12%的能源消耗，設備啟動過程相對平衡，整個過程可通過遠程方式進行設備啟動控制，節約了2～3名帶式輸送機運維人員，降低了煤炭掘進的成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100萬元/a，取得了較好的應用效果。

6 結論

帶式輸送機作為煤炭企業必不可少的輸送設備，其工作的安全性和效率直接關系煤炭企業的產能和效率，現已引起了煤炭行業的廣泛關注。針對某煤礦企業帶式輸送機運行效率低、安全性能差、電能損耗嚴重的問題，開展了智能控制系統設計工作，結果表明，系統控制系統運行穩定可靠，實現了井下帶式輸送機集中控制與遠程控制功能。應用該控制系統之后減少了帶式輸送機近12%的能源消耗，減少了帶式輸送機的運維人員，降低了煤炭掘進的成本，為煤炭企業創造了更多的經濟效益。此研究也對提升設備的智能化程度具有重要意義。