礦井多級帶式輸送機自動運行控制系統的設計應用

陳 峰

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

在煤炭的井下開采中，帶式輸送機作為重要的輸送設備，其輸送距離長、運量大，具有廣泛的應用，同時，由于礦井的整體布置使得輸送線較長[1]，需要多臺帶式輸送機協同作業，構成多級帶式輸送機系統，完成煤炭的輸送作業。在使用過程中，多采用單臺輸送機進行控制運行的方式，對多級帶式輸送機的整體運行控制缺少研究，造成礦井整體的能耗較大，不利于礦井的節能持續發展。針對這一問題，采用PLC 分布式控制的方式對多級帶式輸送機的自動運行控制進行研究，建立多級自動運行控制系統，實現礦井的整體節能運行[2]，提高礦井的經濟效益。

1 多級帶式輸送機自動運行控制系統整體方案設計

在煤礦等礦井的開采中，需要使用多級帶式輸送機進行煤炭等物料的輸送，并要求各帶式輸送機之間的速度相互匹配，實現系統整體的節能自動運行。多級帶式輸送機自動運行控制系統的整體結構如圖1 所示[3]，主要包括PLC 控制器、變頻器、電機及傳感裝置，整體對多臺帶式輸送機進行控制。系統采用超聲波傳感器對帶式輸送機運載的煤量進行多點測量監測，測量裝置的安裝簡單，且計算的精度較高[4]，適合于煤炭的運量監測。

圖1 多級帶式輸送機自動運行控制方案

整個控制系統的傳感模塊進行煤炭數據的實時采集，并將數據上傳至控制器中，PLC 與智能控制系統組成中央控制模塊，依據傳感器傳輸的數據進行分析及處理，并將控制指令下發到變頻器及驅動電機組成的執行模塊，進行帶式輸送機整體的速度同步調整。在監測過程中，采用第一級帶式輸送機運載的煤量作為系統的輸入，進行模糊控制[5]，依據運載的煤量及帶速進行匹配計算，確定帶式輸送機的運行速度，并對各級帶式輸送機的速度進行同步調整，最終實現對多級帶式輸送機的整體自動運行控制。

2 多級帶式輸送機自動運行控制系統主要模塊設計

2.1 傳感模塊設計

依據多級帶式輸送機自動運行控制系統的整體方案，對帶式輸送機進行整體的控制，在對運載煤量進行監測的同時，還要對帶式輸送機的運行狀況進行監測[6]，避免出現運行故障。帶式輸送機的安全監護主要包括打滑監測、跑偏監測、煙霧監測和溫度監測。

當輸送帶監測的帶速低于給定值時，則判定為輸送帶打滑，向PLC 發出信號，系統接收到響應的指令進行停機操作，避免打滑造成危險。采用接觸開關作為跑偏檢測的傳感器，安裝在輸送帶的兩側，當觸發跑偏信號時，則發出報警信號，當偏轉角度持續增加時，則系統緊急停機，避免造成進一步的故障。輸送帶在使用過程中，由于摩擦容易產生煙霧，設置采用煙霧傳感器進行安全監測，當有煙霧產生時進行報警停機操作，由操作人員進行故障的恢復后才能進行系統的運行。溫度監測與煙霧監測類似，輸送帶在長期工作過程中溫度較高，避免溫度的持續上升造成火災，對輸送帶的溫度進行監測。

對輸送帶的載煤量及速度進行控制，還要采用速度傳感器及超聲波傳感器進行速度及載煤量的監測[7]，速度傳感器緊貼輸送帶，與輸送帶同步運行，實時監測速度的大小；超聲波傳感器進行載煤量的測量計算，載煤量不同時，煤炭的堆積形狀有所區別，對超聲波傳感器的數據測量不會產生影響。傳感模塊作為系統的感知模塊，是監控系統最關鍵的部分，單臺輸送機的傳感器安裝布局如圖2 所示，通過傳感器進行數據的采集，輸入PLC 中進行控制決策。

圖2 單臺傳感器布置

2.2 控制模塊設計

采用PLC 對系統進行控制，PLC 要能滿足井下使用的惡劣條件，并具有一定數量的I/O 接口，采用西門子S7-2000 型PLC 作為控制器，并采用雙電源供電的模式[8]，保證系統的穩定工作。PLC 控制模塊的連接如圖3 所示。

圖3 PLC 控制連接圖

2.3 上位機模塊設計

上位機模塊依據傳輸的信號進行系統的監控，掌握帶式輸送機的運行狀態。上位機通過組態軟件IFIX 及MATLAB 軟件組成，上位機與PLC 之間的連接如圖4 所示。系統啟動后，IFIX 對各傳感器進行數據采集監控系統狀態，速度及超聲波傳感器進行載煤量及帶速信號的采集經PLC 傳輸至上位機，MATLAB 對信號進行處理，將實時狀態顯示在上位機中，PLC 依據控制要求控制變頻器的頻率輸出，從而調節電機轉速。

圖4 上位機模塊連接圖

3 控制系統應用及總結

對多級帶式輸送機進行系統運行的整體控制，可以使不同的輸送機之間保持速度的匹配，并和載煤量保持最佳的匹配關系，依據系統的安全監護，保證輸送機的穩定運行，并實現節能降耗。以某煤礦系統運行過程中監測7 d 的電能消耗為參考，在完成相同的運輸任務時，自動運行控制系統相對傳統的恒定速度可節約20%的電能，具有較好的節能效果。

針對煤礦多級帶式輸送機運行中的問題，設計多級帶式輸送機自動運行控制系統，利用傳感器模塊、PLC、變頻器及電機進行控制系統的硬件連接，采用組態軟件IFIX 及MATLAB 軟件進行上位機的運行控制，實現對多級帶式輸送機自動運行的控制，實現了煤礦的節能降耗，提高了煤礦的經濟效益。