帶式輸送機智能控制系統的設計及應用分析

袁 野

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

帶式輸送機以其大容量、長距離、高效率而成為目前礦井中最普遍的運輸工具。目前，由于變頻調速技術的廣泛應用，目前帶式輸送機主要由變頻器來實現，而大部分煤礦只把它當作軟起動的工具，并沒有真正地實現它的節能和降低能耗。近年來，煤礦在不斷的加強智能化建設，推動了帶式輸送機智能控制的發展。本文對山西某礦山3500運輸大巷采用皮帶輸送機的實際使用狀況進行調查發現，發現系統存在安全隱患、且工作效率不高等問題。本文以其作為研究對象，進行了智能控制的設計和應用，旨在為煤礦采煤作業的效率提升進行提供參考。

1 3500運輸大巷帶式輸送機控制系統分析

本文研究的智能控制系統應用于山西某煤礦中，該煤礦為現代化礦井，可實現500×104t/a的產能。該礦井可以開采的煤層有2#、3-1#、5#及11#等，目前正在采集的煤層為5#。該煤層厚度為6.27m，開采難度小。3500運輸大巷為3采區5#煤層主要運輸巷道，巷道設計長度為1887m，現階段巷道內布置的帶式輸送機機長L=2032m、每小時可以實現1100t 的運量，輸送機傳送帶的寬度為1600mm、傳輸速度為5.6m/s，阻燃鋼絲繩芯輸送帶ST/56300。在輸送機機頭位置有2個滾筒，分別用額定電壓1140V，功率800kW 的電機驅動。帶式輸送機結構見圖1。

圖1 帶式輸送機結構示意圖

在煤礦運輸作業中，帶式輸送機是最核心的裝置。近年來，相關部門對煤炭安全生產提出了更高的要求，礦下的帶式輸送機普遍開始采用自動化控制，并加裝了監控設備。但是由于井下工作環境復雜，輸送機需要在較長的區域內布置，工作負載變化范圍大等特點，導致帶式輸送機的自動化控制及監測難度較大，具體體現為：

（1）皮帶輸送機的自動控制裝置，只有一個功能，通常只用于皮帶輸送機的遙控，如果皮帶輸送機在運行中發生了超負荷運轉、外部沖擊、皮帶磨損等故障，自動化系統就不能實時了解現場的情況。在皮帶輸送機的工作中，如果發生了異常的振動和其它不正常的狀況，那么，自動控制系統就不能對現場的情況進行實時監控。

（2）由于系統中使用的是以太網，其通信效率較低，通信形式單一，容易受到外界的干擾，對皮帶輸送機的操作和控制造成了不利的影響，處理數據的速度較慢，無法保證運行效率。

（3）無法實現對皮帶打滑的實時監測且監測精度較低。帶式輸送機裝置在工作時，由于傳動滾筒與傳動帶的摩擦而產生驅動力，在滾筒與膠帶間的接觸松動時，很容易造成膠帶的滑動。在使用過程中，由于皮帶的滑動，會引起局部的溫度上升，嚴重的話還會引起燃燒。目前，對帶式輸送機的滑動監測存在精度低、監測不及時等問題，無法對其進行溫度監測，對其運行的安全性造成了一定的限制。

（4）監控系統關鍵模塊未能及時更新。目前礦井帶式輸送機的安全監測模塊仍然沿用以前的功能模塊，但隨著使用年限的增長和監測技術的不斷完善，原有的安全監測模塊逐漸顯現出了一定的弊端，例如響應速度變慢、功能不夠完善、線路老化等問題，不能很好地滿足皮帶輸送機的安全監測要求。長期使用監測系統會造成故障誤報等錯誤，嚴重的還會造成皮帶輸送機的緊急停機，從而影響到皮帶輸送機的正常運轉。

（5）目前的監控系統人機交互接口單一，監測指標的顯示和故障預警等都有缺陷，主要的監測指標不能完全顯示，只能在突發事件時進行報警。無法根據監測到的故障的緊迫性和故障可能造成的危害來進行預警。

本文就目前煤礦生產過程中出現的問題進行了剖析，并指出了采用智能技術進行帶式輸送機的作業管理，從而提升煤礦開采運輸的效率和安全性。

2 智能控制方案

結合煤礦生產實際，給出了一種基于網絡的皮帶輸送機智能化控制系統，該控制系統由上位機、控制分站、控制主機組成。系統中各個模塊間信息傳遞的方式為以太網。見圖2。

4.美國。美國的所得稅優惠主要包括稅收抵免和稅額扣除兩個方面。在美國境內發生的符合規定的研發費用可以享受不超過應納稅25%的稅收抵免，當年未抵扣完的部分可以追溯上一年并向后順延20年。為了促進中小企業發展，符合申請資格的小型企業可以向聯邦政府申請最高不超過25萬美元的工資稅抵免。美國的另外一項優惠政策是稅額扣除，美國聯邦政府和大多數州政府都允許扣除研發費用，并規定符合條件的研發費用可以100%免稅，并允許追溯稅額扣除前三年的研發支出。

圖2 皮帶輸送機智能控制系統結構示意圖

2.1 系統硬件結構

該系統硬件的功能是實現對帶式輸送機運行狀態的實時監控和遠程控制。具體系統硬件結構包括有PLC控制器、控制分站、監測傳感器、視頻監控系統等。

2.1.1 PLC控制器

對礦山帶式輸送機的實際環境進行分析，結合其它礦山同類監控設備PLC 的選用，選用S7-300 PLC 作為PLC 控制器。該控制器具有較高的計算性能，穩定性好，數據處理速度快，適用于各種復雜環境下的應用。

2.1.2 井下監控分站設計

為滿足帶式輸送機的持續作業要求，并與智能化控制系統的功能相配合，有必要進行相應的主站和子站的設計。該智能控制主站負責對井下各個監測站的數據進行接收和處理，并將處理后的數據傳送到中央控制器，中央控制器對傳輸過來的數據進行解析并顯示在上位機上。子站的功能是實現帶式輸送車的控制，分站上的傳感器采集信號傳輸到總站，總站對信息進行收集和處理后向子站發出控制指令，由子站進行帶式輸送機的速度調節，系統工作原理圖如圖3所示。依靠子站上布置的傳感器，系統能夠及時獲得溫度、速度、電流、煤流量等多種參數。

圖3 皮帶輸送機監控分站結構示意圖

2.1.3 監測傳感器

在帶式輸送機上設置各種傳感器，是監測和遠程控制運行參數的基礎，傳感器的選擇、安裝位置等都會對監測精度產生一定的影響。本文結合前人的試驗結果，結合傳感器安裝的實踐，對傳感器的型號和安裝位置進行了分析。本文選用的速度傳感器為GSC6-SC，安裝位置在皮帶回撤側。速度傳感器用于檢測皮帶的運轉速度，并將監控轉速與滾筒運轉線的轉速進行比較，通過滑移率計算判斷有無打滑現象。選用的溫度傳感器為KUW200H，安裝位置在距離滾筒200mm的輸送機架上。其功能是監測滾筒、皮帶、電機等位置的溫度，避免由于溫度過高而造成設備安全的隱患。采用的煙霧報警器為UQL0.1型感應器，安裝位置在滾筒的下風口，其功能是檢測工作區域的煙霧濃度。選用的傳送機為GEJ-15，沿輸送機線路的各個部位放置了多個跑偏監控傳感器。

2.1.4 視頻監控

2.2 軟件結構

2.2.1 控制主程序

本系統的主要工作內容有故障診斷、初始化、主程序運行等，保證了系統的安全、平穩運行，并利用主程序對皮帶輸送機的運行狀態進行了實時監控。通過對各個子程序的調用，保證了控制系統能夠進行數據的采集，并向監控中心發送有關的監控參數。通過對帶式輸送機的監控，有關的控制人員可以根據監控的情況下達相應的控制命令，從而達到對帶式輸送機的遙控。見圖4。

圖4 皮帶輸送機智能控制系統主程序流程圖

2.2.2 運行速度控制程序

帶式運輸機的轉速控制方案在設計時，充分考慮了皮帶負載不均衡、負載大等各種復雜的工況，并根據步進式調速的基本原理來實現，依據不同的負載來實現帶式輸送機的轉速控制。圖5給出了帶式輸送機的轉速控制流程。

圖5 運行速度控制程序流程圖

在工作狀態下，對帶式輸送機進行負載測量，根據帶式輸送機的負載情況，計算出帶式輸送機的轉速范圍。在設定工作轉速后，對變頻調速器的輸出電流進行調節，以達到調節帶轉速的目的。

3 應用效果分析

為了檢驗本文提出的帶式輸送機智能化控制在實際使用中的有效性，并對其在實際操作中的運行情況和操作的可能性做了初步的探討。經實際使用證明，該智能控制體系具有良好的工作性能，能夠對礦井下帶式輸送機進行智能的控制。通過對帶式輸送機的使用，使其在使用過程中的平穩性能和總體的可靠性得到提高，其運行消耗的能量比使用之前減少12%左右。帶式輸送機可以由遠程控制，由監測中心對帶式輸送機的工作狀況進行實時監測，只需要在工地上派維修工人進行巡視，不需要專門的值班人員。

4 總結

帶式輸送機是礦井下的重要交通工具，它的運行可靠性和效率直接影響著礦井的運行效率。隨著井下煤礦作業智能化的提升，傳統的控制系統弊端逐漸顯現，存在能耗高、效率低等一些列問題。因此，本文將智能控制技術引入帶式輸送機的生產過程。根據礦井的具體條件，從整體框架、硬件結構、軟件結構等方面進行了系統的設計和實現。實踐證明，本文提出的帶式輸送機智能化控制體系功能完善，可靠性高，能夠實現帶式輸送機的遙控操作。帶式輸送機在運轉期只需派人進行巡視，大量減少了現場需要的工作人員，與以前相比，帶式輸送機的工作能量消耗減少了12%左右。