選煤廠智能快速裝車系統設計

劉劍紅

（山西焦煤能源集團股份有限公司西銘礦選煤廠，山西 太原 030053）

西銘礦選煤廠隸屬于山西焦煤集團西山煤電集團公司，地處太原市西端的西銘礦斜坡下工業區，是與西銘礦配套的礦井型現代化選煤廠。該選煤廠于2007 年12 月正式投產，廠區占地面積12 萬平方米，設計入選能力2.10 Mt/a，主要產品為電精煤。選煤廠有兩條鐵牛裝車線，裝車線動力采用一臺45 kW -8 極雙速電機完成驅動，裝車過程以人工控制為主。

裝車系統存在的問題主要有： ①人工操作為主，勞動強度大，存在事故安全隱患。②裝車速度不能自適應調整，降低了裝車效率。③設備未實現集中管理，未實現工藝聯鎖、閉鎖，發生事故不能及時響應。針對上述三個問題，設計選煤廠智能快速裝車系統，達到裝車系統能夠實現自動控制、變頻調速、閉鎖聯動的目的。

1 系統設計

西銘礦選煤廠智能快速裝車系統設計框圖如圖1 所示，以主站控制器、從站控制器為核心，實現智能型快速裝車系統。主站控制器以TCP/IP 通信模式接收人機監控平臺參數和控制指令，并控制給煤機、帶式輸送機、緩沖倉、定量倉、裝車溜槽等設備自動控制[1-2]。同時，主站控制器需傳感器類數據、故障類數據等進行分析、處理和判斷。分站控制器用于實現給煤機、帶式輸送機以及儲煤倉的控制。主站控制器與分站控制器間以TCP/IP 通訊完成數據交互。

圖1 智能快速裝車系統設計框圖

2 硬件設計

選煤廠智能快速裝車系統的核心硬件包括控制器、變頻器、稱重傳感器、速度傳感器、料位傳感器等。

1）PLC 主站控制器、PLC 分站控制器均采用艾默生的PACSystems IC695CPE302 控制器及其擴展模塊。該控制器配備有1GHz 雙核微處理器，內置2M 程序存儲器以及一個獨立的高速TCP/IP接口；支持所有RX3i I/O 模塊，最多可達32K I/O點；支持即插即用的PROFINET 通訊，吞吐量大，不易出現信息瓶頸。根據裝車系統接入以及輸出的數字量、模擬量個數，擴展32 點24V 開關量輸入模塊IC694MDL660 9 臺；16 點24V 開關量輸出模塊IC694MDL740 6 臺；8 點模擬量輸入模塊IC695ALG608 3 臺；8 點模擬量輸出模塊IC695ALG708 3 臺[3-4]。另外還需擴展以太網模塊IC695ETM001 2 臺，用于與人機監控平臺、從站控制器通訊。PLC 主站控制器、PLC 從站控制器的供電電源模塊為兩臺IC695PSA040，支持DC12-24V寬電壓供電。

2）變頻器選用的型號為EMERSON-Ⅱ，支持有速度矢量控制（控制精度為±0.05%，控制范圍為1∶1 000）、無速度矢量控制（控制精度為±0.5%，控制范圍為1∶100）、V/F 控制，逆變采用智能功率模塊IPM，集驅動、保護、功率變換于一體[5-6]，支持差動/ 推挽/ 集電極開路編碼器脈沖輸入，滿足選煤廠裝車系統變頻調速工況要求。

3）稱重傳感器的型號為STC-500，額定載荷(R.C)為500 kg，額定輸出為2±0.005 0 mv/v，安全過載為150% R.C，極限過載為300%R.C，防護等級為IP66，供電電壓為DC12-24V，支持RS485/RS232 通訊。

4）速度傳感器的型號為GSC3000，為礦用隔爆型速度傳感器，基于磁電感應原理，采用非接觸式測量方式對帶式輸送機的轉速進行測量，采用一體化結構設計，具有抗振動、抗沖擊、結構簡單可靠的特點。

5）料位傳感器的型號為GUL30，為礦用隔爆型料位傳感器，基于脈沖雷達物料測量原理，最小測量料位高度為50 mm，最大測量料位高度為30 m，輸出為4～20 mA 電流信號，供電電源為18V～24V DC，用于測量緩沖倉、定量倉倉位，現場顯示并產生電流信號，達到及時準確判定和控制倉位的目的。

3 軟件設計

3.1 智能裝車設計

選煤廠智能快速裝車系統工藝流程為： 車輛進入裝車站的門崗時，由安裝在門崗處的攝像頭自動識別車牌號，并將該車輛的信息存入裝車信息管理系統，形成識別該車輛信息的唯一虛擬IC卡。隨后，車輛進入裝車通道，裝車通道口的遠程讀卡單元讀取該車輛信息，并將獲取的信息傳送至裝車系統人機監控平臺。人機監控平臺獲取車輛信息后，即可得知此次裝車所需車型、煤料配比、精確載重，進而控制給煤機、帶式輸送機、緩沖倉、定量倉按指定參數自動裝車，軟件流程如圖2所示。

圖2 智能快速裝車系統軟件流程

圖3 變頻調速設計原理

3.2 變頻調速設計

選煤廠智能快速裝車系統中的變頻調速設計的目的為控制帶式輸送機運行速度。分站控制器根據原料煤的配煤參數，建立數學模型并求解出最優配煤參數以及帶式輸送機參考運行速度。同時，分站控制器對獲取的稱重信號、速度信號、煤質監測信號等進行分析、處理，綜合參考運行速度后求解最優變頻運行頻率。由變頻器驅動帶式輸送機電機按照最優運行頻率運行，實現按需調速，滿足配煤質量。

3.3 閉鎖、聯動設計

選煤廠智能快速裝車系統中的閉鎖、聯動設計有給煤機與帶式輸送機、給煤機與緩沖倉、緩沖倉閘門與定量倉閘門、定量倉閘門與裝車溜槽組成，在進行閉鎖聯動設計時，利用定時器+ 控制信號實現。

（1）定義帶式輸送機啟動信號為BCstar、給煤機啟動信號為CFstar，且信號為0 表示啟動，信號為-1 表示未啟動，則給煤機與帶式輸送機間的閉鎖關系為：啟動過程時，BCstar為0 且延時T1s 后給煤機才可以啟動；停止過程時，CFstar為-1 且延時T2s后，帶式輸送機才可以停止。

（2）定義緩沖倉料位最高信號為BSCmax，且信號為0 表示料位最高。當BSCmax為0 時，禁止啟動給煤機。

（3）定義緩沖倉閘門信號為BGstar，且信號為0表示閘門開啟，信號為-1 表示閘門關閉。定義定量倉閘門信號為QGclose，且信號為0 表示閘門開啟，信號為-1 表示閘門關閉。當QGstar為0 時，緩沖倉閘門才可開啟。

（4）定義定量倉閘門開啟信號為QGstar，且信號為0 表示閘門開啟。定義裝車溜槽達到信號為LCreach，且信號為0 表示裝車溜槽達到指定位置。當LCreach為非0 時，禁止啟動定量閘門。

將（1）～（4）描述的過程及信號經TCP/IP 通訊上傳至人機監控平臺，進行集中管理。

4 應用分析

將設計的智能快速裝車系統在山西焦煤能源集團股份有限公司西銘礦選煤廠進行為期6 個月的應用實踐，該系統實現了7×24 h 安全、高效、穩定運行，總裝煤量為1.724 6 Mt，較改造前增加130 441 t；總裝車數為71 317 輛，較改造前增加5 716 輛；平均裝車時間為91.2 秒，誤差率保持在0.32%以內，實現了智能快速裝車。

表1 智能快速裝車數據統計（6 個月）

該智能快速裝車系統在西銘礦選煤廠的應用，改變了傳統地銷裝運方式，解決了生產隊組人員緊張的問題，降低了勞動強度；也從根本上杜絕了原裝車系統存在的漏洞，保證選煤廠利益不受損失，同時也節約了管理成本。另外，該智能快速裝車系統裝車精度高、裝載均衡、故障率低，改善了裝車工作環境并減少了空氣污染，提升了選煤廠智能化水平。

5 結語

通過設計主從控制結構，實現了選煤廠裝車系統的自動控制以及閉鎖聯動控制。通過設計變頻調速系統，實現了帶式輸送機按需調速，保證了配煤質量。經實際應用證實，智能快速裝車系統實現了裝車過程的安全、穩定、高效運行，平均裝車時間減少至91.2 秒，誤差率保持在0.32%以內。該裝車系統滿足設計要求，提升了選煤廠裝車系統的智能化水平，提升了裝車系統的安全系數和運行效率。