井下皮帶機集中控制系統的設計及應用

張利強

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 古交 030299）

引言

皮帶機為綜采工作面的主要運輸設備，其主要承擔物料、原煤以及矸石的運輸任務。隨著工作面開采距離的不斷深入，皮帶機朝著大運量、高運速以及大功率方向發展。經統計，皮帶機耗能在工作面所有設備的耗能中占比較高，實現皮帶機的節能運輸尤為重要。目前，綜采工作面皮帶機運行控制遵循逆煤流啟動、順煤流停車的控制原則，導致皮帶機啟動時間過長，處于空轉狀態時間也較長，進而導致無功能耗增加，效率低下[1]。為解決上述問題，本文擬基于皮帶機集中控制系統實現對其集中控制和監測管理，達到提升設備可靠性、減小能耗、提高運輸效率的目的。

1 井下皮帶機控制系統現狀分析

張家峁煤礦的生產能力設計為100 萬t/年，皮帶機的運輸距離為4.89 km。目前，工作面的原煤運輸系統包括有104/105 配倉的輸送機、101 上倉的皮帶機、工作面巷道的主皮帶機以及5-2 煤大巷的膠帶機。工作面所有的皮帶機控制方式采用逆煤流啟動、順煤流停車的原則控制。

目前，工作面所配置的破碎機系統與皮帶機相對獨立，二者的運行狀態不能實時共享。對于皮帶機而言，5-2 煤大巷的膠帶機與其他皮帶機處于隔絕狀態，僅能夠通過井下電話了解其運行狀態，并缺乏保護措施；雖然其他皮帶機操作系統共同集成于上位機，但是所集成的功能僅僅包括皮帶機的聯機啟動和停車[2]。

結合井下皮帶機的配置及相互關系，經分析和實踐總結，可將井下皮帶機控制系統所面臨的問題歸納如下：

1）主要依靠人工啟動，對應的啟動時間過長，繼而導致無功能耗嚴重。

目前，井下皮帶機系統的啟動順序為104/105 配倉的輸送機—101 上倉的皮帶機—工作面巷道的主皮帶機再到5-2 煤大巷的膠帶機。由于5-2 煤大巷膠帶機與其他皮帶機處于隔絕狀態，僅能夠通過電話指揮現場人員通過人工方式完成5-2 煤大巷膠帶機的啟動。據統計，當前工作面的所有皮帶系統完全啟動耗時為30 min，皮帶機空轉時間較長，從而加劇了皮帶電機及傳動部件的磨損。

2）井下皮帶機控制系統未達到集中控制的目標，各設備的運行狀態無法實時共享。

由于井下皮帶機控制系統無法實時共享各自的運行狀態，導致其中一臺皮帶機出現故障時其他設備無法及時得出對應性的控制指令，導致井下運輸的安全性降低，故障無法快速準確地定位提升維護周期和成本。

2 井下皮帶機集中控制系統的設計

本文擬通過搭建皮帶機的集中控制系統解決當前啟動過長、信息不能實時共享的問題。同時，逆煤流啟動方式極易導致上層皮帶機出現空載運行的情況，進而導致無功損耗的增加。鑒于此，本文所設計皮帶集中控制系統基于順煤流啟動原則進行控制[3]。井下皮帶機集中控制系統的工作原理如下：采用現場傳感器對皮帶機的工作狀態（包括撕裂、跑偏、堆煤、電機溫度以及運行速度等）進行監測；將所監測的數據基于工業總線技術上傳至PLC 控制器得出相應的控制指令。同時，所監測的數據基于工業以太網上傳至上位機顯示、記錄并報警等。

2.1 井下皮帶集中控制系統的硬件設計

結合井下皮帶機的組成及工作需求，設計如下頁圖1 所示的井下皮帶機集中控制系統。

圖1 井下皮帶機集中控制系統結構示意圖

如圖1 所示，根據運輸需求現場需配置6 臺PLC 控制站包括5-2 煤大巷CST-PLC 控制站、皮帶稱重PLC 控制站、順槽皮帶PLC 控制站、破碎機PLC 控制站、1 號和2 號PLC 控制主站和從站。同時，根據不同區域皮帶機的運輸需求對應采取不同的控制方式，具體如下：

1）104/105 配倉的輸送機采用高壓柜的直接啟動方式進行控制；

2）101 上倉的皮帶機采用變頻啟動方式進行控制；

3）工作面巷道的主皮帶機采用ABB 的變頻啟動方式進行控制；

4）5-2 煤大巷的膠帶機采用CST 的啟動方式進行控制。

整個井下皮帶機集中控制系統的網絡及硬件結構如圖2 所示。

圖2 井下皮帶機集中控制系統網絡結構及硬件框圖

如圖2 所示，集中控制系統網絡中基于以太網、RS485 以及Profibus 等不同的通信協議完成，為此為其配置1756-ENBT 的通訊模塊；整個系統的所有PLC 控制器均選擇S7-300 系列的產品，并為期配置1756-L63 的CPU 控制器；結合所配置的通訊模塊，為其配置相互匹配的1756-A13PLC 機架，并且對應的供電模塊為1756-PA75。除此之外，為集中控制系統配置相應功能的檢測傳感器對皮帶機及其電機的運行狀態進行檢測。

2.2 井下皮帶機集中控制系統的軟件設計

在上述硬件的基礎上，為保證井下皮帶機集中控制系統各項功能的順利完成，還需根據控制需求完成相應的軟件設計。在對當前井下皮帶機控制策略調研的基礎上，基于井下皮帶機集中控制系統重點實現井下皮帶機的一鍵順煤流啟停控制和故障發生后各皮帶機的互鎖功能。

2.2.1 井下皮帶機一鍵順煤流啟停控制程序

基于一鍵順煤流原則實現對皮帶機的啟動和停止的控制，主要是解決逆煤流啟動時設備空轉及無功損耗較大的問題。基于不同區域皮帶機的啟動方式，結合破碎機PLC 控制站、皮帶稱重PLC 控制站設計剩煤監測系統，進而實現了現場采煤機、破碎機、各區域皮帶機的集中控制，對應的軟件流程如圖3 所示。

圖3 一鍵順煤流啟停軟件流程圖

2.2.2 皮帶機故障聯動急停策略

在現場所配置監測傳感器的作用下對各區域皮帶機的運行狀態進行監測，并對超出閾值范圍的皮帶機進行停機報警處理。與此同時，為保證整個運輸系統的安全性和效率，需結合聯動急停策略對除故障皮帶機以外的其他皮帶機采取有效的控制策略[4]。

1）當5-2 煤大巷皮帶機出現故障并急停時，破碎機也必須停機，其他區域的皮帶機正常運行；

2）當主皮帶機出現故障并急停時，對應的破碎機和5-2 煤大巷皮帶機必須停機，其他區域的皮帶機正常運行；

3）當101 上倉皮帶機出現故障并急停時，對應的破碎機、主皮帶機和5-2 煤大巷皮帶機必須停機，其他區域的皮帶機正常運行；

4）當104 和105 配倉皮帶機出現故障急停時，整個運輸系統的各區域皮帶機和破碎機均需聯動停機。

3 結語

為解決井下皮帶機運輸系統逆煤流啟動方式設備空轉現象嚴重導致的無功損耗增加，各區域皮帶機及相關設備運行狀態無法實時共享的問題，本文基于PLC 控制器設計了井下皮帶集中控制系統。

經實踐表明，所設計的井下皮帶機集中控制系統的一鍵順煤流啟停方式可將運輸系統的啟動時間縮短20 min；當其中某個皮帶機出現故障時基于聯動急停策略保證整個運輸系統的安全性并快速準確地對故障進行定位。