礦用刮板輸送設備動力部冷卻水控制系統設計

張風嬌， 王金平， 渠婷婷

（1.寧夏天地奔牛實業集團有限公司， 寧夏 銀川 753001；2.煤礦綜采輸送設備智能制造技術國家地方聯合工程實驗室， 寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

礦用刮板輸送設備主要包括工作面刮板輸送機、順槽轉載機和破碎機， 其動力部主要部件有電機和減速器等，為防止因過高溫度導致主要部件故障影響正常生產，采用冷卻水降溫冷卻處理，實現保護。

目前礦用刮板輸送設備冷卻保護系統現狀：

整個采煤工作面設備的冷卻水由人工操作泵站統一控制，刮板輸送設備停機后常常冷卻水依然持續打開，造成水資源的浪費。

刮板輸送設備的冷卻采用開放式、 直接排入工作面現場，不必要的排水會加劇工作面巷道積水，由此還能引發開采出來的煤炭含水量多，對運輸、篩選等后續工序及其不利。

對冷卻水控制的自動化水平低， 沒有形成閉環系統控制。如果長時間的冷卻水流量偏小或水壓偏低，無疑會影響冷卻效果， 導致動力部主要部件絕緣性能和密封性能下降，甚至有燒壞的危險。

針對驅動形式為“雙速電機+彈性聯軸器+減速器”刮板輸送設備，設計礦用刮板輸送設備動力部冷卻水控制系統，（以下簡稱“系統”）實現刮板輸送設備各動力部的冷卻水回路的本地獨立自動控制：刮板輸送設備各動力部電機開機前冷卻水自動打開，電機停機后冷卻水溫度降低至合適溫度后，冷卻水閥自動關閉。 同時整個冷卻過程中對冷卻水流量和壓力進行實時在線檢測和故障報警提示，避免冷卻水供水回路故障導致冷卻失效造成財產損失。

1 設計思路

設計礦用刮板輸送設備動力部冷卻水控制系統，由PLC 控制器、冷卻水閥、冷卻水流量、壓力、溫度傳感器組成。 PLC 控制器接收到電機啟動信號后，控制冷卻水閥打開，實現刮板輸送設備冷卻水回路的自動供水。 在冷卻水回路進水口加裝流量傳感器和壓力傳感器， 實現對冷卻水流量和壓力的監測， 并在PLC 控制器上實時顯示冷卻水流量和壓力數值，當入水口冷卻水流量和壓力正常時，PLC 控制器給集控系統反饋健康信號可以開機。 當入水口冷卻水流量和壓力小于設定值時， 在顯示屏上閃爍黃燈以報警提示工作人員檢查冷卻水回路是否有故障，人工檢查完畢需手動復位后，PLC 控制器給集控系統反饋健康信號才可以開機。

在冷卻水回路出水口安裝三通，接入冷卻水溫度傳感器實現對冷卻水溫度的監測。當PLC 控制器接收到電機停機信號后，先檢測冷卻水出水溫度，至水溫降至合適溫度后PLC 控制器控制冷卻水閥關斷，實現刮板輸送設備冷卻水回路的自動關閉控制。

2 重點難點分析

獲取各動力部電機開、停機信號，最直接簡單的辦法是獲取控制個動力部電機啟動的接觸器的常開輔助觸點信號，反饋到PLC 控制器上。但是控制工作面輸送設備電機啟停的組合開關一般布置在距離工作面幾百米遠處的集控中心， 如果是遠距離供電的情況距離工作面可能達到上千米遠。 要實現刮板輸送設備各動力部的冷卻水回路的本地獨立自動控制， 在每個動力部就近位置布置一臺PLC 控制器，獲取各動力部電機開、停機信號是整個控制系統的難點。

一種思路是布置在集控中心的PLC 控制器從工作面集控讀取各動力部電機的開、停機信號，通過通訊方式傳輸給布置在各個動力部附近的PLC 控制器。 另一種思路是在各電機接線盒中加裝電流傳感器， 通過識別A/B/C任意相電流判斷各動力部電機開、停機狀態。將這兩者結合起來利用實現的效果將更好。

3 關鍵組成部件設計選型

3.1 PLC 控制器

PLC 控制器為礦用隔爆兼本質安全型， 額定工作電壓：AC127V，主要由隔爆箱體、電源模塊、中央處理器、模擬量輸入模塊、數字量輸出模塊、安全隔離柵、通訊模塊、操作面板、顯示單元等部分組成。控制器主要元器件選型及主要功能：

CPU：西門子1212C，緊湊型CPU，AC/DC/繼電器，自帶8 路DI 24V DC 、6 路2A 繼電器數字輸出、2 路AI（0-10）VDC 模擬量輸入、1 路以太網接口、最多擴展3 個通信模塊； 是整個控制器的核心， 可完成系統所需的控制、檢測和診斷。

通信模塊：CM 1241 通信模塊；用于完成系統內部的RS485 主從通訊，同時具備對外數據上傳的接口及功能。

AI 模塊：SM 1231 AI8 模擬量輸入模塊；主要完成8 通道模擬量信號的輸入采集功能。

接入傳感器安全隔離模塊：1 個NPEXA-C4D11 電壓輸入安全柵，1 個NPEXA-CM3D11 電流檢測端安全柵、1個NPEXA-C2D11 熱電阻輸入安全柵，將危險區的電壓、電流、電阻信號，經隔離轉換為（4-20）mA 電流信號輸出給到SM 1231 AI8 模塊。

顯示屏幕：研華WOP-107K-NEA7 寸液晶顯示屏；用于監測信息、故障報警等顯示；

矩陣鍵盤：本安型操作面板（通信鍵盤）；用于顯示屏幕畫面切換、水閥本地操作控制等；

電源模塊：SDR-120-24 為控制器內的PLC 模塊及顯示器等供電。

3.2 電流傳感器

以400kW/3300V 刮板輸送機用電機為例， 額定電流為90A。 考慮電機啟動電流為額定電流的（6～8）倍，電流傳感器量程為AC（0-800）A。 選用CS32-800A C5 型電流傳感器，輸出（0-5）V，無需外接電源。 傳感器固定安裝在電機防爆接線盒內， 選擇電機A/B/C 任意一項動力電纜由P1→P2 方向穿過傳感器，傳感器與電機接線柱頭部預留至少40mm 安全電氣間隙。

電流傳感器輸出信號線經電機接線盒接線端子從喇叭嘴引出，從PLC 控制器的喇叭嘴引入后，經過NPEXAC4D11 電壓輸入安全柵，將危險區的電壓信號，經隔離轉換為 （4～20）mA 電流信號輸出到PLC 控制器SM 1231 AI8 模擬量輸入模塊。 PLC 控制器程序根據監測到的電流判斷出動力部開、停機狀態。

3.3 礦用電動截止閥

選用KXB-20/24F 型礦用電動截止閥， 該閥為礦用隔爆型，由電控器和球形截止閥兩部分組成，通過連接板安裝在各動力部附近，安裝時球形截止閥在下，電控器在上。電控器接收到PLC 控制器的控制信號后，打開球形截止閥；PLC 控制器的控制信號撤銷后， 關斷球形截止閥。額定工作電壓：DC24V，工作電源由PLC 控制器提供。 表1 為電動截止閥對外端口定義。

3.4 礦用傳感器

根據動力部冷卻水壓力≤3MPa 的要求，結合工況實際，選擇測量范圍（0～5）MPa、型號為GYD60-Y2（A）礦用本安型壓力傳感器，安裝在每個動力部進水口，檢測動力部冷卻水進水壓力，傳感器電源電壓DC24V，輸出（4～20）mA 電流信號， 與PLC 控制器之間通過LCYVB4 型鋼絲編織橡膠護套連接器快插連接。

根據動力部冷卻水流量≥30L/min 的要求，結合工況實際，選擇測量范圍（0.6～10）m3/h、型號GLW15/3.6 礦用本安型流量變送器，安裝在每個動力部進水口，檢測動力部冷卻水進水流量，傳感器電源電壓DC24V，輸出（4～20）mA電流信號，與PLC 控制器之間通過LCYVB4 型鋼絲編織橡膠護套連接器快插連接。

根據動力部冷卻水出水溫度≤50℃的要求， 結合工況實際，選擇測量范圍（0～200）℃、型號GWP200 型礦用本質安全型溫度變送器，安裝在每個動力部出水口，檢測動力部出水冷卻水溫度，傳感器輸出PT100 電阻信號，與PLC 控制器之間通過LCYVB4 型鋼絲編織橡膠護套連接器快插連接。

4 程序設計

系統采用PORTAL V15 軟件編程， 對硬件地址及軟件地址進行分配，對傳感器采集的數據信號進行整理，通過軟件編程設計得到最終程序；經離線調試符合要求后，下載到PLC 控制器的CPU 中，最后經模擬檢驗完全達到設計目的。 程序設計流程圖如圖1 所示。

圖1 程序設計流程圖

5 系統存在的問題

一是通過通訊方式從工作面集控讀取各動力部電機的開、停機信號，很容易受到煤礦井下惡劣工況的影響，造成通訊不穩定。 二是在電機防爆接線盒內加裝電流傳感器，除了考慮設計改造傳感器的安裝固定底座，還要考慮與接線柱的安全電氣間隙， 以及電流傳感器信號線的安全布線等等問題。要求在電機配套設計的初期，考慮適量加大接線盒空間。

6 結束語

礦用刮板輸送設備動力部冷卻水控制系統實現了刮板輸送設備各動力部的冷卻水回路的本地獨立自動控制，解決了目前礦用刮板輸送設備冷卻保護系統亟需解決的問題，符合煤礦數字礦山、智慧礦山、綠色礦山的理念，值得推廣。目前全國各地區煤礦智能化建設、驗收等相關標準已經要求刮板輸送設備具備運行狀態監測功能， 若礦方已配置了工況監測系統， 本系統PLC 控制器可復用礦方已配置的礦用動力部工況監測系統的PLC 控制器實現功能，一舉多得。