井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張利強(qiáng)

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 山西 古交 030299）

引言

皮帶機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其主要承擔(dān)物料、原煤以及矸石的運(yùn)輸任務(wù)。隨著工作面開采距離的不斷深入，皮帶機(jī)朝著大運(yùn)量、高運(yùn)速以及大功率方向發(fā)展。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，皮帶機(jī)耗能在工作面所有設(shè)備的耗能中占比較高，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的節(jié)能運(yùn)輸尤為重要。目前，綜采工作面皮帶機(jī)運(yùn)行控制遵循逆煤流啟動(dòng)、順煤流停車的控制原則，導(dǎo)致皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)間也較長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)功能耗增加，效率低下[1]。為解決上述問(wèn)題，本文擬基于皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其集中控制和監(jiān)測(cè)管理，達(dá)到提升設(shè)備可靠性、減小能耗、提高運(yùn)輸效率的目的。

1 井下皮帶機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

張家峁煤礦的生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)為100 萬(wàn)t/年，皮帶機(jī)的運(yùn)輸距離為4.89 km。目前，工作面的原煤運(yùn)輸系統(tǒng)包括有104/105 配倉(cāng)的輸送機(jī)、101 上倉(cāng)的皮帶機(jī)、工作面巷道的主皮帶機(jī)以及5-2 煤大巷的膠帶機(jī)。工作面所有的皮帶機(jī)控制方式采用逆煤流啟動(dòng)、順煤流停車的原則控制。

目前，工作面所配置的破碎機(jī)系統(tǒng)與皮帶機(jī)相對(duì)獨(dú)立，二者的運(yùn)行狀態(tài)不能實(shí)時(shí)共享。對(duì)于皮帶機(jī)而言，5-2 煤大巷的膠帶機(jī)與其他皮帶機(jī)處于隔絕狀態(tài)，僅能夠通過(guò)井下電話了解其運(yùn)行狀態(tài)，并缺乏保護(hù)措施；雖然其他皮帶機(jī)操作系統(tǒng)共同集成于上位機(jī)，但是所集成的功能僅僅包括皮帶機(jī)的聯(lián)機(jī)啟動(dòng)和停車[2]。

結(jié)合井下皮帶機(jī)的配置及相互關(guān)系，經(jīng)分析和實(shí)踐總結(jié)，可將井下皮帶機(jī)控制系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題歸納如下：

1）主要依靠人工啟動(dòng)，對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，繼而導(dǎo)致無(wú)功能耗嚴(yán)重。

目前，井下皮帶機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)順序?yàn)?04/105 配倉(cāng)的輸送機(jī)—101 上倉(cāng)的皮帶機(jī)—工作面巷道的主皮帶機(jī)再到5-2 煤大巷的膠帶機(jī)。由于5-2 煤大巷膠帶機(jī)與其他皮帶機(jī)處于隔絕狀態(tài)，僅能夠通過(guò)電話指揮現(xiàn)場(chǎng)人員通過(guò)人工方式完成5-2 煤大巷膠帶機(jī)的啟動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前工作面的所有皮帶系統(tǒng)完全啟動(dòng)耗時(shí)為30 min，皮帶機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，從而加劇了皮帶電機(jī)及傳動(dòng)部件的磨損。

2）井下皮帶機(jī)控制系統(tǒng)未達(dá)到集中控制的目標(biāo)，各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)無(wú)法實(shí)時(shí)共享。

由于井下皮帶機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)共享各自的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致其中一臺(tái)皮帶機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)其他設(shè)備無(wú)法及時(shí)得出對(duì)應(yīng)性的控制指令，導(dǎo)致井下運(yùn)輸?shù)陌踩越档停收蠠o(wú)法快速準(zhǔn)確地定位提升維護(hù)周期和成本。

2 井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文擬通過(guò)搭建皮帶機(jī)的集中控制系統(tǒng)解決當(dāng)前啟動(dòng)過(guò)長(zhǎng)、信息不能實(shí)時(shí)共享的問(wèn)題。同時(shí)，逆煤流啟動(dòng)方式極易導(dǎo)致上層皮帶機(jī)出現(xiàn)空載運(yùn)行的情況，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)功損耗的增加。鑒于此，本文所設(shè)計(jì)皮帶集中控制系統(tǒng)基于順煤流啟動(dòng)原則進(jìn)行控制[3]。井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的工作原理如下：采用現(xiàn)場(chǎng)傳感器對(duì)皮帶機(jī)的工作狀態(tài)（包括撕裂、跑偏、堆煤、電機(jī)溫度以及運(yùn)行速度等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)；將所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)基于工業(yè)總線技術(shù)上傳至PLC 控制器得出相應(yīng)的控制指令。同時(shí)，所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)基于工業(yè)以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)顯示、記錄并報(bào)警等。

2.1 井下皮帶集中控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合井下皮帶機(jī)的組成及工作需求，設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖1 所示的井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)。

圖1 井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，根據(jù)運(yùn)輸需求現(xiàn)場(chǎng)需配置6 臺(tái)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(jī)PLC 控制站、1 號(hào)和2 號(hào)PLC 控制主站和從站。同時(shí)，根據(jù)不同區(qū)域皮帶機(jī)的運(yùn)輸需求對(duì)應(yīng)采取不同的控制方式，具體如下：

1）104/105 配倉(cāng)的輸送機(jī)采用高壓柜的直接啟動(dòng)方式進(jìn)行控制；

2）101 上倉(cāng)的皮帶機(jī)采用變頻啟動(dòng)方式進(jìn)行控制；

3）工作面巷道的主皮帶機(jī)采用ABB 的變頻啟動(dòng)方式進(jìn)行控制；

4）5-2 煤大巷的膠帶機(jī)采用CST 的啟動(dòng)方式進(jìn)行控制。

整個(gè)井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)及硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及硬件框圖

如圖2 所示，集中控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中基于以太網(wǎng)、RS485 以及Profibus 等不同的通信協(xié)議完成，為此為其配置1756-ENBT 的通訊模塊；整個(gè)系統(tǒng)的所有PLC 控制器均選擇S7-300 系列的產(chǎn)品，并為期配置1756-L63 的CPU 控制器；結(jié)合所配置的通訊模塊，為其配置相互匹配的1756-A13PLC 機(jī)架，并且對(duì)應(yīng)的供電模塊為1756-PA75。除此之外，為集中控制系統(tǒng)配置相應(yīng)功能的檢測(cè)傳感器對(duì)皮帶機(jī)及其電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在上述硬件的基礎(chǔ)上，為保證井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能的順利完成，還需根據(jù)控制需求完成相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。在對(duì)當(dāng)前井下皮帶機(jī)控制策略調(diào)研的基礎(chǔ)上，基于井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)井下皮帶機(jī)的一鍵順煤流啟停控制和故障發(fā)生后各皮帶機(jī)的互鎖功能。

2.2.1 井下皮帶機(jī)一鍵順煤流啟停控制程序

基于一鍵順煤流原則實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)的啟動(dòng)和停止的控制，主要是解決逆煤流啟動(dòng)時(shí)設(shè)備空轉(zhuǎn)及無(wú)功損耗較大的問(wèn)題。基于不同區(qū)域皮帶機(jī)的啟動(dòng)方式，結(jié)合破碎機(jī)PLC 控制站、皮帶稱重PLC 控制站設(shè)計(jì)剩煤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)采煤機(jī)、破碎機(jī)、各區(qū)域皮帶機(jī)的集中控制，對(duì)應(yīng)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(jī)故障聯(lián)動(dòng)急停策略

在現(xiàn)場(chǎng)所配置監(jiān)測(cè)傳感器的作用下對(duì)各區(qū)域皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)超出閾值范圍的皮帶機(jī)進(jìn)行停機(jī)報(bào)警處理。與此同時(shí)，為保證整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性和效率，需結(jié)合聯(lián)動(dòng)急停策略對(duì)除故障皮帶機(jī)以外的其他皮帶機(jī)采取有效的控制策略[4]。

1）當(dāng)5-2 煤大巷皮帶機(jī)出現(xiàn)故障并急停時(shí)，破碎機(jī)也必須停機(jī)，其他區(qū)域的皮帶機(jī)正常運(yùn)行；

2）當(dāng)主皮帶機(jī)出現(xiàn)故障并急停時(shí)，對(duì)應(yīng)的破碎機(jī)和5-2 煤大巷皮帶機(jī)必須停機(jī)，其他區(qū)域的皮帶機(jī)正常運(yùn)行；

3）當(dāng)101 上倉(cāng)皮帶機(jī)出現(xiàn)故障并急停時(shí)，對(duì)應(yīng)的破碎機(jī)、主皮帶機(jī)和5-2 煤大巷皮帶機(jī)必須停機(jī)，其他區(qū)域的皮帶機(jī)正常運(yùn)行；

4）當(dāng)104 和105 配倉(cāng)皮帶機(jī)出現(xiàn)故障急停時(shí)，整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的各區(qū)域皮帶機(jī)和破碎機(jī)均需聯(lián)動(dòng)停機(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

為解決井下皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)逆煤流啟動(dòng)方式設(shè)備空轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重導(dǎo)致的無(wú)功損耗增加，各區(qū)域皮帶機(jī)及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)無(wú)法實(shí)時(shí)共享的問(wèn)題，本文基于PLC 控制器設(shè)計(jì)了井下皮帶集中控制系統(tǒng)。

經(jīng)實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的井下皮帶機(jī)集中控制系統(tǒng)的一鍵順煤流啟停方式可將運(yùn)輸系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間縮短20 min；當(dāng)其中某個(gè)皮帶機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)基于聯(lián)動(dòng)急停策略保證整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性并快速準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行定位。