帶式輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)的應用研究

朱文清

（潞安化工集團五陽煤礦，山西 長治 046200）

1 概況

煤礦主運帶式輸送機是煤礦物料運輸?shù)暮诵脑O備，其控制系統(tǒng)的控制邏輯直接決定了輸送機系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性及可靠性。五陽煤礦是一座年產(chǎn)能達到千萬噸以上的現(xiàn)代化礦井，主運輸送機采用了STJ1200/2×400 型，輸送能力為1200 t/h，額定運行帶速為4.33 m/s，驅動電機型號為YBSS-400-4，工作時的額定功率為400 kW，輸送機的工作傾角在0～9°，輸送帶帶寬為1200 mm，采用了KPZ-1200/2×200 盤式制動裝置，張緊方式為尾部液壓自動張緊。目前該輸送機系統(tǒng)主要采用了定帶速運行的模式，根據(jù)最大落煤量，設置輸送機運行時按4.1 m/s 的帶速運行。但在實際工作中由于綜采效率的變化，輸送機很難達到滿載狀態(tài)，多數(shù)情況下均處在半載情況運行，長期的高帶速導致了輸送機磨損加劇和輸送機運行能耗居高不下，嚴重影響了物料運輸?shù)慕?jīng)濟性。

為了提高五陽煤礦輸送機運行經(jīng)濟性和可靠性，技術攻關小組提出了一種新的帶式輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)，以輸送機煤流監(jiān)測、輸送機變頻調速控制及運行狀態(tài)自動監(jiān)測為核心[1]，對輸送機運行時的狀態(tài)進行動態(tài)調整，實現(xiàn)了帶速-運量的匹配控制，有效提升了輸送機系統(tǒng)在運行時的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

2 智能聯(lián)動運行控制系統(tǒng)

輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)的核心是能夠對各個輸送帶上的煤量進行自動監(jiān)測，根據(jù)輸送帶上煤量及上下游輸送機的煤量、帶速情況進行自動調整，對各個輸送機的運行情況進行控制，滿足物料輸送安全和經(jīng)濟性的需求。結合煤礦上輸送機的布置情況，本文所提出的輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)整體結構如圖1。

圖1 輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)結構示意圖

由圖1 可知，該控制系統(tǒng)主要包括了地面控制部分和井下控制部分，地面控制部分主要包括了環(huán)網(wǎng)交換機、礦井調度中心，井下控制部分主要是各類環(huán)網(wǎng)交換機[2]，滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制需求。在每個分輸送機上都設置有煤流量檢測儀和帶速監(jiān)測儀，系統(tǒng)實時采集各輸送機的運行狀態(tài)信息，完成統(tǒng)一計算分析后根據(jù)運算結果，向不同輸送機的PLC 控制箱輸出帶速調節(jié)信號，實現(xiàn)對輸送機運行帶速的靈活調整。該系統(tǒng)采用了模塊化的設計思路，能夠根據(jù)輸送機的不同布置形式，靈活地調整，提高了該控制系統(tǒng)的應用靈活性和可靠性，能夠顯著地降低輸送機在輕載和空載情況下的運行率，降低輸送帶磨損，提高使用壽命。

3 輸送機煤流量監(jiān)測控制

為了滿足對整個輸送機系統(tǒng)精確調整的需求，該煤流量監(jiān)測控制系統(tǒng)需要能夠精確判斷輸送機運行時的工作點及煤流量分布[3]情況，并通過PLC控制箱來實現(xiàn)基于工作點的帶速調節(jié)[4]。同時，為了保證輸送機系統(tǒng)在不同工況下運行的安全性，需要根據(jù)上游刮板輸送機的出煤量及輸送機上的煤量分布情況來優(yōu)化輸送機系統(tǒng)的啟停時間，優(yōu)化運行協(xié)同調速，減少輸送機輕載和控制的運輸率。輸送機在運行過程中可能會出現(xiàn)帶載啟動的情況，為了提高在該工況下的運行穩(wěn)定性，系統(tǒng)能夠根據(jù)測算的輸送機上的煤量分布情況，選擇是順煤流啟動還是逆煤流啟動。例如，當輸送機為空載或者輕載狀況時，輸送機可按工作巷輸送機-西翼大巷輸送機-主斜井輸送機-上倉輸送機-上倉刮板輸送機進行順序啟動。若主斜井輸送機和上倉輸送機上沒有煤炭分布但巷尾的輸送機有煤時，系統(tǒng)則首先啟動工作巷的輸送機，然后根據(jù)停機時煤流的位置，計算正常開機狀態(tài)下煤流到達工作巷端部的時間，如果時間小于系統(tǒng)設定的安全時間，則可以按照主斜井-上倉輸送機-上倉刮板輸送機的順序啟動。輸送機的煤流量監(jiān)測控制邏輯流程如圖2[5]。

圖2 煤流量監(jiān)測控制示意圖

4 變頻調速控制系統(tǒng)選型

輸送機系統(tǒng)完成對煤流量監(jiān)測和分析后，將數(shù)據(jù)傳輸給變頻控制器，由變頻器輸出變頻調節(jié)信號給驅動電機，實現(xiàn)對輸送機運行帶速的靈活調整，因此要求變頻控制器具有較高的穩(wěn)定性和調節(jié)精確性。目前常用的變頻器主要有西門子的低壓級聯(lián)結構變頻器[6]，其采用了單向導通結構，能耗低；一種是ABB 公司的ACS5000 型，采用了交流-直流-交流的模式，單管耐壓達到了5000 V。

通過綜合對比發(fā)現(xiàn)，ACS5000 型每相具有兩個IGGT 功率元件，而西門子的低壓級聯(lián)結構變頻器每相功率元件數(shù)量達到了5 個，可靠性較低，而且調節(jié)靈敏性低于ACS5000 型，最終在該輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)上選用了ACS5000 型變頻器[7]。

由于輸送機系統(tǒng)在運行中會出現(xiàn)過負荷的情況，因此為了提高控制安全性，變頻器的輸出電流需要大于輸送機驅動電機的額定電流，并且要具備在2 倍額定電流工作情況下連續(xù)60 s、每隔600 s可重復一次的過載能力，提高在不同工況下啟動可靠性的需求。

5 高低壓配電系統(tǒng)選型

為了滿足不同工況下控制可靠性的需求，在輸送機智能調控系統(tǒng)中設置了10 臺KYN28-12 型高壓開關柜，柜子內配備了真空斷路器、微機綜合保護器等，同時具有高速以太網(wǎng)接口及閉鎖裝置[8]。變頻器主回路的分閘指令需要由變頻器發(fā)出，而不能通過輸送機智能調速系統(tǒng)發(fā)出，避免信號受到干擾。當系統(tǒng)內的斷路器在工作時，變頻裝置必須具有閉合斷路器的主動控制權，在斷路器內需要配備欠壓脫扣線圈，若輸送機出現(xiàn)緊急停機故障時，變頻器在輸出分閘節(jié)點之外還需要輸出故障跳閘節(jié)點，滿足變頻器保護的需求。該輸送機智能控制系統(tǒng)的高低壓合分閘回路如圖3[9]。

圖3 高低壓合分閘回路示意圖

6 應用情況分析

目前該帶式輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)已經(jīng)在五陽煤礦進行了應用，對優(yōu)化前后輸送機系統(tǒng)的運行狀況進行了對比分析，根據(jù)從2021 年6 月—2021 年12 月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，優(yōu)化后輸送機系統(tǒng)運行的平均帶速由目前的4.1 m/s 降低到了2.98 m/s，平均帶速降低了27.4%，輸送機運行能耗平均降低了19.3%，極大地提升了五陽礦輸送機系統(tǒng)的運輸穩(wěn)定性和可靠性。輸送機系統(tǒng)監(jiān)測終端如圖4。

圖4 五陽煤礦監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

7 結論

為了解決五陽煤礦井下帶式輸送機系統(tǒng)不具備帶速-運量匹配特性、變頻調速性能差的不足，提出了一種新的帶式輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)結構、控制原理、煤流量監(jiān)測系統(tǒng)、智能變頻系統(tǒng)選型及實際應用情況進行了分析，實際應用表明：

（1）輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)采用模塊化設計思路，能夠根據(jù)輸送機的不同布置形式靈活調整，提高了該控制系統(tǒng)的應用靈活性和可靠性，能夠顯著地降低輸送機在輕載和空載情況下的運行率；

（2）煤流量監(jiān)測控制系統(tǒng)需要能夠精確判斷輸送機運行時的工作點及煤流量分布情況，并通過PLC 控制箱來實現(xiàn)基于工作點的帶速調節(jié)；

（3）ACS5000 型變頻器可靠性高、能耗低；

（4）輸送機智能聯(lián)動控制系統(tǒng)能夠將輸送機運行的平均帶速降低27.4%，將輸送機運行能耗降低19.3%，極大地提升了五陽煤礦輸送機系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。