周 暢，馬 兵，趙 龍，張 鵬

(內(nèi)蒙古智能煤炭麻地梁煤礦選煤廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

0 引言

2021年度，國家能源局對煤礦安全隱患進(jìn)行從新界定，皮帶機(jī)堆煤、速度、超溫、煙霧等保護(hù)不起作用，屬于重大安全隱患。原有的皮帶機(jī)的保清掃器系統(tǒng)均需人工檢查，造成皮帶機(jī)帶面粘煤現(xiàn)象嚴(yán)重，清理工作大。同時皮帶機(jī)系統(tǒng)安裝的灰粉儀、電子秤、保護(hù)系統(tǒng)等相關(guān)數(shù)據(jù)互相不能共享。基于以上原因，設(shè)計一套基于 S7-200smart為控制單元的智能清掃器系統(tǒng)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)皮帶運(yùn)行、煙霧、超溫、風(fēng)水、粉塵五者聯(lián)動功能，智能清掃根據(jù)煤量壓力自動可調(diào)，延長了皮帶的使用壽命，杜絕了人工漏檢查，減少了清理人員，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

1 設(shè)計背景

1.1 現(xiàn)有清掃器存在的問題

因皮帶輸送運(yùn)力大、運(yùn)行平穩(wěn)、檢修方便、運(yùn)距長和特點，廣泛運(yùn)用在煤礦、電廠、港口等工作場所，皮帶輸送的粘著物料、粉塵會粘在皮帶，隨著皮帶的運(yùn)行，形成飛揚(yáng)的粉塵或粘在托輥上，飛揚(yáng)的粉塵會造成環(huán)境污染，增加托輥、皮帶等設(shè)備磨損，嚴(yán)重的造成煤塵爆炸[1]。

為杜絕帶式輸送機(jī)輸送物料的粘著煤粉，常利用聚氨酯刮板和滾筒之間的弧度結(jié)合面清掃運(yùn)輸皮帶表面的附著物，以保持皮帶工作面清潔度。

根據(jù)常用聚氨酯刮板和滾筒之間的弧度、安裝位置、皮帶寬度的要求，設(shè)計的清掃器有一道犁式清掃器、二道聚氨酯刮煤器、三角機(jī)尾刮煤器、平段刮煤器等不同規(guī)格的機(jī)械式刮煤器。

隨著設(shè)備運(yùn)行和刀片的磨損，機(jī)械式刮煤器與皮帶滾筒貼合度不夠，如果不能及時進(jìn)行檢查和調(diào)整，造成細(xì)小粉塵不能清掃掉，達(dá)不到清掃的效果[2]。

1.2 麻地梁煤礦選煤廠皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中設(shè)備布置

麻地梁煤礦選煤廠皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中共有6條皮帶，108、854皮帶設(shè)計運(yùn)行能力3000噸/h，最大速度4 m/s，采用變頻控制，實現(xiàn)遠(yuǎn)程、近控兩種控制模式。

系統(tǒng)中設(shè)置有CTC電子秤一臺對原煤系統(tǒng)原煤流量進(jìn)行觀測，同時對皮帶機(jī)的運(yùn)行時間和運(yùn)載時間顯示、記錄煤礦輸送系統(tǒng)負(fù)荷、累計產(chǎn)量情況，運(yùn)行情況，通訊故障狀態(tài)，異常報警，實時對煤流量進(jìn)行監(jiān)控。

2 設(shè)計思路與控制策略

采用S7-200smart PLC作為控制中心單元，把機(jī)械與電氣集成到一體的手動、自動一體化的智能清掃器，智能掃清由三道刀片、傳動軸、電動執(zhí)行器、扭矩傳感器、一路風(fēng)電動閥、一路水電動閥，無動力內(nèi)噴霧滾刷、電控箱等構(gòu)成。

智能清掃器工作原理主要由執(zhí)行器驅(qū)動刀片旋轉(zhuǎn)，扭矩傳感器檢測傳動軸的扭矩，扭矩與刀片壓力成正比，進(jìn)而把刀片壓力反饋到PLC，與設(shè)定的扭矩比較，由PLC判斷應(yīng)該加壓還是減壓，再驅(qū)動執(zhí)行器相應(yīng)的動作，控制刀片與皮帶的壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)，保證刀片與皮帶始終以恒定的壓力緊密接觸[3]。

當(dāng)皮帶不運(yùn)行時，清掃器與皮帶不貼合，一道刀片扭矩設(shè)計到緊貼帶面工作力距的95%，二、三道刀片不起作用。風(fēng)、水電動閥均不動作，無動力內(nèi)噴霧滾刷不旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)皮帶運(yùn)行無煤時，一道刀片扭矩達(dá)到工作力距，二、三道刀片不起作用，水電動閥打開10 S，對皮帶進(jìn)行潤濕，風(fēng)電動閥不動作。

當(dāng)皮帶運(yùn)行有煤時，一道刀片扭矩達(dá)到工作力距，二、三道刀片起作用，風(fēng)、水電動閥每300 S打開一次，水電動閥對皮帶進(jìn)行潤濕，風(fēng)電動閥動作，對噴在皮帶上水進(jìn)行風(fēng)干。

當(dāng)檢測到機(jī)巷內(nèi)的粉塵達(dá)到一定程度或沿線皮帶有煙霧報警時，機(jī)巷內(nèi)所有噴霧打開，并進(jìn)行報警。

智能清掃器采用 PLC和觸摸屏進(jìn)行壓力檢測、顯示、設(shè)置與控制；各道清掃器采用執(zhí)行器內(nèi)部的角度傳感器檢測刀片磨損程度，發(fā)出報警信號，刀片壓力可以通過觸摸屏在允許的范圍內(nèi)任意設(shè)置[4]。

3 硬件設(shè)計

3.1 機(jī)械部分

傳動部分由電動伺服執(zhí)行器—扭力傳感器—聯(lián)軸器—清掃器。

3.2 清掃器阻力的計算

皮帶寬度1 600 m，共計四道刮煤器，其特殊阻力：

A為清掃器和輸送帶接觸面積，m2，見表1，P為清掃器和輸送帶間的壓力；N/m2，一般取為3 × 104～10× 104N/m2；μ3是清掃器和輸送帶間的摩擦系數(shù)，一般取為0.5～0.7；k2是刮板系數(shù)，一般取為1500 N/m。

表1 導(dǎo)料槽欄板內(nèi)寬、刮板與輸送帶接觸面積Tab.1 the inner width of the guide trough fence and the contact area between the scraper and the conveyor belt

查表 1得，A=0.006m2，取p=10×104N/m2，取3μ=0.6，將數(shù)據(jù)帶入式F=A*P*U3。

則Fr=0.006×10×104×0.6=360N

3.3 清掃器相關(guān)設(shè)備基本參數(shù)

表2 電動執(zhí)行器選型參數(shù)表Tab.2 Selection parameter list of electric actuator

4 電路設(shè)計與數(shù)據(jù)整合

4.1 電路設(shè)計

根據(jù)設(shè)備參數(shù)和采集的數(shù)據(jù)，選用S7-200smar plc作為主控單元，選用相應(yīng)的模擬量采集模塊采集皮帶振動信號、通過485通訊采集現(xiàn)有電子秤數(shù)據(jù)、扭距傳感器的扭力、扭角量程[5]。

4.2 數(shù)據(jù)融合

系統(tǒng)采用S7-200SMART系列PLC作為主控單元，根據(jù)需要，加有模擬量輸出、輸入單元。利用S7-200SMART系列PLC自帶的485接口采集電子秤的瞬時流量、扭距傳感器扭距值，擴(kuò)展的模擬量輸入模塊采集振動傳感器的變化量，以太網(wǎng)接口與礦控制中心完成數(shù)據(jù)傳輸。

5 軟件設(shè)計

5.1 輸出輸入點統(tǒng)計表

表3 智能清掃器S7-200smart控制點統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of control points of the smart cleaner S7-200smart

5.2 程序設(shè)計流程圖

程序采集模塊化設(shè)計，設(shè)計有電控箱控制、數(shù)據(jù)采集塊、刀片角度、刀片磨損、刀片壓力、報警信號等，實現(xiàn)刮煤器的自動控制。

6 人機(jī)界面

為方便數(shù)據(jù)觀察、參數(shù)設(shè)置，現(xiàn)場設(shè)置觸摸屏進(jìn)行操作，觸摸屏設(shè)置主畫面、參數(shù)設(shè)置、當(dāng)前報警、扭距趨勢、遠(yuǎn)程控制、I/O 畫面、動畫演示相關(guān)畫面，完成現(xiàn)場操作的功能。

7 應(yīng)用效果及取得效益

7.1 采用自動控制清掃器，清潔了原煤運(yùn)輸系統(tǒng)

本裝置設(shè)有手動和自動兩種控制方式，“手動”操作模式只用在調(diào)試設(shè)備有故障時。在正常工作情況下，都是在“自動”工作模式下，減少人為檢修不及時原因造成的皮帶粘粉塵現(xiàn)象，減少了皮帶“帶回頭”現(xiàn)象，減少了煤的清理工作，減少清理人員。

7.2 采集煤流量控制刀片壓力，延長了刀片和皮帶使用壽命

裝置采集系統(tǒng)性中現(xiàn)有電子秤了參數(shù)，作為三道刀片工作壓力控制信號。當(dāng)皮帶上沒有煤量時，一道刮煤器刀片壓力只達(dá)到設(shè)計壓力的95%，其它二道壓力為0 MPA。當(dāng)皮帶上有煤時，三道路刮煤器在5 S內(nèi)達(dá)到工作壓力，同時刀片能夠根據(jù)設(shè)置的扭矩范圍，自動控制刀片的扭矩恒定在設(shè)置范圍內(nèi)，使刀片與皮帶的壓力恒定，保證清掃效果好且穩(wěn)定。有效減小了由于壓力忽大忽小不穩(wěn)定造成的刀片和皮帶磨損程度，延長了刀片和皮帶使用壽命，降低生產(chǎn)成本[6]。

7.3 與礦網(wǎng)絡(luò)互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

智能刮煤器配置的通訊功能，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)并入礦環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。集中監(jiān)控中心人員根據(jù)文字和聲光報警，及時掌握設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)有故障時，及時通知相關(guān)人員，到現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)調(diào)整，并有提高了工作效率。

7.4 控制噴霧系統(tǒng)，起到降塵效果

裝置采集皮帶系統(tǒng)其它設(shè)備的參數(shù)作為智能清掃器的控制參數(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的整合，采集設(shè)備振動信號，做為噴霧裝置的一次啟動信號，起到設(shè)備降塵效果。運(yùn)用PLC的邏輯控制功能，采用調(diào)整時間，使噴霧裝置實現(xiàn)間斷性噴淋，實現(xiàn)了原煤系統(tǒng)無塵化清潔運(yùn)輸[7]。

8 結(jié)論

智能清掃器通過 PRIFINET/485通訊模塊采集相關(guān)設(shè)備模塊，實現(xiàn)皮帶運(yùn)行、煙霧、超溫、風(fēng)水、粉塵五者聯(lián)動功能，通過粉塵量實時監(jiān)測，實時啟動噴霧系統(tǒng)，實現(xiàn)的清潔運(yùn)輸，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)清理工作量基本為零。通過數(shù)據(jù)共享，一套水系統(tǒng)用于整個皮帶系統(tǒng)，減少設(shè)備投資 20萬元。智能清掃器壓力根據(jù)煤量實時可調(diào)，實現(xiàn)了有煤貼合皮帶，無煤與皮帶分離目的，延長了皮帶和清掃器刀片的使用壽命，杜絕檢查人員漏檢，保證了皮帶安全運(yùn)行。