煤礦井下皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙強(qiáng)

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

目前通常都是使用遠(yuǎn)距離皮帶輸送機(jī)來滿足煤炭運(yùn)輸?shù)姆敝厝蝿?wù)。但是近年來國內(nèi)外許多研究人員對帶式輸送機(jī)技術(shù)進(jìn)行研究，使得皮帶運(yùn)輸機(jī)更新速度快。皮帶運(yùn)輸機(jī)的操作需要嚴(yán)格滿足啟動(dòng)功率和運(yùn)行功率等方面的要求，并且在控制過程中的操作極其困難，尤其是在高荷載的條件下更為復(fù)雜。設(shè)備在操作階段，支撐輥會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，從而會(huì)帶來材料上的浪費(fèi)，增加清理工作的難度，需要投入更高的人工成本。因此，應(yīng)當(dāng)在皮帶的設(shè)置上提出一些更有針對性的改進(jìn)設(shè)計(jì)[1]。

1 煤礦強(qiáng)力皮帶機(jī)控制系統(tǒng)組成

煤礦強(qiáng)力皮帶機(jī)控制系統(tǒng)，主要由集中控制操作臺，就地綜保控制箱，遠(yuǎn)程分站箱，溫度監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、自動(dòng)灑水、防打滑、跑偏、堆煤、撕裂保護(hù)等保護(hù)裝置，電流電壓監(jiān)測裝置，軟啟動(dòng)器組成。其中集中控制操作臺主機(jī)集成了PLC、變送器、耦合器、通訊裝置等，就地控制臺安裝了各類儀表、顯示屏、繼電器、就地啟停按鈕等[2]。

2 煤礦井下皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求

第一，安裝各類設(shè)備來進(jìn)行信息的傳感，可以促進(jìn)電流使用的安全性和整體環(huán)境的安全保障，對一些工作設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)任何狀況，相關(guān)人員都會(huì)對其進(jìn)行及時(shí)的處理，從而保障工程順利完成；第二，應(yīng)用生動(dòng)形象的表達(dá)方式來展現(xiàn)工程的工作流程，還可以實(shí)現(xiàn)多重信息之間的互換。

3 煤礦井下皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 煤流運(yùn)輸監(jiān)測

采用機(jī)器視覺檢測技術(shù)，布置防爆攝像頭對帶式輸送機(jī)煤流運(yùn)輸進(jìn)行圖像采集，并分析所采集圖像特征，根據(jù)圖像的紋理數(shù)據(jù)可計(jì)算出空載時(shí)輸送帶圖像上2 個(gè)像素點(diǎn)間的真實(shí)距離，通過多張圖像的特征分析對比及空間視覺技術(shù)，并結(jié)合輸送帶內(nèi)弧形槽的橫截面積、煤流的分散度、輸送帶的運(yùn)行速度可得出帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸煤量?；跈C(jī)器視覺檢測技術(shù)的帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具備帶式輸送機(jī)變速箱智能調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)帶式輸送機(jī)煤量運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)變化而觸發(fā)煤量運(yùn)輸檢測裝置，根據(jù)煤量變化發(fā)出相應(yīng)的信號控制變速箱進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的節(jié)能降耗[3]。

3.2 變頻調(diào)速

運(yùn)輸機(jī)在開動(dòng)時(shí)，膠帶會(huì)被拉伸，進(jìn)而會(huì)增加膠帶的張力，使傳送帶產(chǎn)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。同時(shí)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)起來，傳送帶子動(dòng)態(tài)張力的不斷增加，會(huì)在傳送帶的表面與它下面的滾筒間產(chǎn)生很大的摩擦，不僅產(chǎn)生阻力，還會(huì)發(fā)熱，進(jìn)而導(dǎo)致傳送速率和安全性受到很大的影響。變頻調(diào)速技術(shù)可以調(diào)節(jié)輸入到機(jī)械中的電源的頻率，使電機(jī)部件開動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)得到控制，提前對機(jī)器開動(dòng)時(shí)間的上下限范圍進(jìn)行計(jì)算后，啟動(dòng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)由零逐漸增加到額定值的，這個(gè)過程不會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)荷，并且啟動(dòng)過程平穩(wěn)，減小了傳統(tǒng)方式所產(chǎn)生的阻力，增加了系統(tǒng)的使用壽命。應(yīng)用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)帶來了巨大的環(huán)境和社會(huì)效益的價(jià)值：①變頻調(diào)節(jié)技術(shù)相關(guān)的新產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)，對設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)來說，是一個(gè)新的創(chuàng)收長點(diǎn)，再加上礦山企業(yè)對該系統(tǒng)的需求量較大，這也將帶動(dòng)礦山設(shè)備制造企業(yè)的生產(chǎn)活力和創(chuàng)新發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新與突破。②通過對變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和研究，驗(yàn)證了其在實(shí)際生產(chǎn)中的效果，進(jìn)而也增加了相關(guān)行業(yè)的自主創(chuàng)新能力。③新技術(shù)的應(yīng)用，最直接就表現(xiàn)解放了人力，也改善了工作環(huán)境，提升了工作效率。④變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)我國礦井的現(xiàn)代化建設(shè)的目標(biāo)提供了強(qiáng)大助力[4]。

3.3 傳感器選型

在進(jìn)行傳感器的選擇時(shí)，首先要確定輸送機(jī)保護(hù)主機(jī)，即KHP128-Z，其次再對各種類型的傳感器進(jìn)行選擇，主要包含以下七個(gè)類型: 第一，速度傳感器。該設(shè)備的主要作用是速度檢測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況都要進(jìn)行及時(shí)的數(shù)據(jù)導(dǎo)回；第二，溫度傳感器。該設(shè)備的主要作用是溫度檢查，有著一定的保護(hù)作用，如果溫度超過一般水平，將會(huì)開啟自動(dòng)灑水裝置的開關(guān)；第三，煙霧傳感器。該設(shè)備的主要作用就是為了確保工作環(huán)境煙霧達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并對不平衡現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整；第四，跑偏傳感器。該設(shè)備的主要監(jiān)測對象為輸送帶，一旦發(fā)生任何扭曲現(xiàn)象，該傳感器將會(huì)發(fā)出跑偏信息；第五，堆煤傳感器，主要對煤炭做出保護(hù)工作；第六，撕裂傳感器。該傳感器主要是通過電阻輸出值的大小變化來發(fā)揮作用，一旦撕裂信號發(fā)出，整個(gè)設(shè)備將會(huì)暫停兩秒，之后再正常運(yùn)行；第七，急停傳感器。一旦該設(shè)備發(fā)現(xiàn)任何事物現(xiàn)象，都可以對主機(jī)傳遞急停的信號，從而暫停整個(gè)工程，只有人工調(diào)節(jié)之后，才能開啟正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)

控制對象參數(shù)檢測單元，主要指帶速傳感器和煤量傳感器（皮帶秤），帶速傳感器將皮帶速度轉(zhuǎn)換為電流信號，煤量傳感器將煤量轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后輸入給PLC 節(jié)能控制裝置；控制單元，PLC 節(jié)能控制裝置主要指的是PLC 控制器，PLC 控制器接收到帶速傳感器和煤量傳感器傳回的速度和煤量信息后，經(jīng)過程序處理，實(shí)現(xiàn)輸送帶帶速控制，根據(jù)預(yù)定的控制算法，煤量多時(shí)輸送帶加速，煤量少時(shí)輸送帶減速，除此之外還能實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、剎車和功率平衡等功能；執(zhí)行單元，主要指變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置和帶式輸送機(jī)，變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置就是變頻器，變頻器接收PLC 的控制信號，改變其輸出電壓的頻率，拖動(dòng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行的電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之改變。在以上控制硬件的基礎(chǔ)上，帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能有：皮帶機(jī)操作人員可在現(xiàn)場直接設(shè)定變頻器的頻率，即直接給定皮帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之保持勻速運(yùn)行，這是帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的基本功能；操作人員可通過PLC 控制器對變頻器實(shí)現(xiàn)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；PLC 控制器能夠與調(diào)度上位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制；操作人員可通過登錄網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲得操作權(quán)限，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)通信控制。

4 結(jié)語

在生產(chǎn)實(shí)踐中設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)有關(guān)保護(hù)需要應(yīng)用各種傳感器，引入了S7-300PLC，確定使用的PLC 的型號與功能模塊，在此基礎(chǔ)上，還對控制流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過PLC 語言進(jìn)行了自動(dòng)控制程序編寫。此外，還配置了inTouch 來負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)顯示功能，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化操控。