王 瑜，王溫棟

(西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089)

隨著人們生活水平的不斷提高，資源消耗量不斷增加，煤炭需求量不斷增大，煤炭掘進工作越來越繁重[1]。據統(tǒng)計，2019年，全國煤炭產量達到了40億t左右，對煤礦的消耗及依賴程度也相對更大，與其他能源相比，煤礦資源占據了重要地位。帶式輸送機作為煤炭生產的關鍵輸送設備，其工作的穩(wěn)定性直接關系井下作業(yè)人員的安全及煤炭企業(yè)的產能，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的關注[2]。今年來，智能制造技術發(fā)展迅速，為煤炭帶式輸送機控制系統(tǒng)的改造升級提供了重要的技術支持[3]。針對某煤礦企業(yè)帶式輸送機運行效率低、安全性能差、電能損耗嚴重的問題，開展礦用帶式輸送機上智能控制系統(tǒng)設計與應用研究，并對系統(tǒng)進行了實際應用驗證，此系統(tǒng)的應用提高了設備的智能化程度，對于提高煤礦企業(yè)的安全性、產能和效率等具有重要的意義。

1 現(xiàn)有控制系統(tǒng)現(xiàn)在分析

帶式輸送機作為煤炭掘進工作的重要輸送設備，逐漸向多元化發(fā)展，應用范圍越來越廣，具有連續(xù)輸送、自動控制、載重量大等優(yōu)點。國外的帶式輸送機在技術上越來越先進，尤其是先進的控制技術，運行可靠性很好。

國內的帶式輸送機在自動化控制方面也取得了較好的發(fā)展，較多的自動化控制方式及遠程控制方式被應用到煤礦的發(fā)展中。但在實際運行中存在較多問題，主要有以下幾個缺點：①帶式輸送機中雖升級設計了自動化控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)的控制功能較為單一，部分只能實現(xiàn)對設備的自動化啟動控制，當設備出現(xiàn)較大外界載荷沖擊、超大功率運行、膠帶磨損發(fā)熱等異常現(xiàn)象時，大部分設備上的控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)對設備的自動化報警及保護設置[4]；②設備運行時經常出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，控制系統(tǒng)無法實時對設備的振動情況進行檢測，一旦振動劇烈，將使得設備無法正常運行；③設備中的控制系統(tǒng)一般只采用了以太網進行通信，通信網絡單一，信號的速度也相對較慢，在信號傳輸過程中也極容易受到外部信號的干擾，嚴重影響著設備的運行效果及控制精度[5]；④當前控制系統(tǒng)的數(shù)據處理能力相對較差，配置較低，控制中心存在運行速度較慢、信息處理量較低等問題，針對當前設備運行時的較多檢測信號，處理器已無法滿足較大數(shù)據量的處理能力[6]。綜上分析，為了縮小國內帶式輸送機與國外相同產品的差距，提高帶式輸送機的整體控制性能及精度，有必要開展帶式輸送機智能化控制系統(tǒng)的升級設計與應用研究。

2 控制系統(tǒng)方案

基于某煤炭企業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，完成了安全、高效、節(jié)能控制系統(tǒng)方案的設計，如圖1所示。由圖1可以看出，控制系統(tǒng)方案的主要模式為上位機、控制主站、控制分站相結合，采用工業(yè)以太網實現(xiàn)井下各個帶式輸送機的互通互聯(lián)。控制系統(tǒng)中涉及地面集控室、傳輸網絡、控制裝置等，關鍵位置配置視頻監(jiān)控，設置帶式輸送機的安全閉鎖啟停功能[7]。上位機設計在地面集控中心，以太網通信實現(xiàn)井下帶式輸送機的集中監(jiān)視與遠程控制。為了保證控制系統(tǒng)數(shù)據傳輸?shù)目煽啃院蜏蚀_性，對井下分站的電器元件提出了更高的要求，均采用礦用隔爆兼本安型元器件(包括可編程控制器等)，配合相應的傳感器實現(xiàn)帶式輸送機的控制[8]。通過數(shù)據傳輸控制各個分站之間的邏輯關系，實現(xiàn)各個帶式輸送機之間按煤流方向閉鎖運行。整個控制方案屬于開放體系結構，具有很好的可擴展性，便于維護維修等后續(xù)工作的開展。

圖1 控制系統(tǒng)方案Fig.1 Control system scheme

3 硬件分系統(tǒng)設計

帶式輸送機控制系統(tǒng)硬件設計主要工作是完成井下控制分站及各個監(jiān)測傳感器的選型工作，以實現(xiàn)井下帶式輸送機的集中監(jiān)視與遠程控制目的。

3.1 PLC控制器匹配設計

依據煤礦井下帶式輸送機工作情況，確定了井下PLC控制器的型號。此處選擇SIMATIC S7系列的PLC控制器?？刂葡到y(tǒng)涉及9個PLC控制器，水平主膠帶帶式輸送機采用S7-300 PLC系列控制器，其余的均使用S7-200 PLC系列控制器[9]。S7-300 PLC 控制器實物如圖2所示。

圖2 S7-300 PLC 控制器實物Fig.2 Physical drawing of S7-300 PLC controller

S7-300 PLC系列控制器應用較多，得到了各界的廣泛認可，充分體現(xiàn)了控制器結構緊湊、模塊無插槽等模塊化設計思想，配置了數(shù)據處理能力較強的CPU模塊，足以滿足煤礦井下帶式輸送機集中控制系統(tǒng)的設計要求。與此同時，S7-300 PLC系列控制器具有運算速度快、抗干擾能力強、兼容性好等優(yōu)勢，能夠很好地適應井下帶式輸送機控制系統(tǒng)惡劣的服役環(huán)境，保證控制系統(tǒng)的安全可靠工作。

3.2 井下控制分站設計

為了適應煤礦井下帶式輸送機連續(xù)生產作業(yè)的要求，實現(xiàn)地面集中控制井下帶式輸送機的目的，需要對主站和分站進行功能劃分?？刂葡到y(tǒng)中的主站用于接收、處理和協(xié)調來自井下各個分站的數(shù)據，經過數(shù)據分析處理之后傳輸至地面集控中心的上位機進行實時顯示，供監(jiān)控人員及時掌握井下帶式輸送機的運行狀態(tài)參數(shù)。井下各個帶式輸送機的控制分站均具備各自獨立控制功能，經控制分站發(fā)出控制指令即可實現(xiàn)帶式輸送機數(shù)據的采集與控制等功能[10]。綜合保護用的各類傳感器，主要的作用是實時采集井下帶式輸送機工作環(huán)境設備運行狀態(tài)參數(shù)，如運行電流、電壓、載荷質量、速度、振動、溫度、煙霧、跑偏等。具體的井下控制分站結構如圖3所示。

圖3 控制分站結構組成Fig.3 Structural composition of control substation

3.3 關鍵傳感器選型設計

控制系統(tǒng)涉及的監(jiān)測參數(shù)包括：煤倉倉位、輸送帶速、驅動裝置振動、帶式輸送機運行溫度、輸送帶張力、煙霧濃度、跑偏量等，需要根據上述檢測要求選擇合適的傳感器[11]。其中用于煤倉倉位檢測的料位傳感器型號為GUL70，輸送帶旋轉速度傳感器型號為GSG-5，振動傳感器型號為GDB20，帶式輸送機用溫度傳感器型號為GWP200，張力傳感器型號為GAD200，煙霧傳感器型號為GQQ5，跑偏傳感器型號為GEJ35/45。其中，GWP200型溫度監(jiān)測儀實物如圖4所示。上述各種傳感器選擇是控制系統(tǒng)獲取帶式輸送機運行參數(shù)的基礎，滿足帶式輸送機運行狀態(tài)參數(shù)采集的要求，確?？刂葡到y(tǒng)能夠及時獲取輸送帶的運行參數(shù)實際值，通過數(shù)據分析處理發(fā)出正確的控制指令，實現(xiàn)輸送機的智能控制。

圖4 GWP200型溫度監(jiān)測儀實物Fig.4 Physical drawing of GWP200 temperature monitor

3.4 視頻監(jiān)控模塊設計

由于井下環(huán)境惡劣，為進一步提升帶式輸送機的智能化程度，在該控制系統(tǒng)中增設了一套視頻監(jiān)控模塊，通過此模塊，操作人員可在控制室中對設備進行自動化遠程監(jiān)控，實時掌握設備的運行狀態(tài)及異常情況。此模塊采用了市場上成熟的KBA116A型防爆攝像儀作為監(jiān)控設備，具有結構體積小、質量小、防潮等特點。在該模塊中，設置了異常情況識別報警功能，通過此功能，可實現(xiàn)對膠帶上煤石、錨桿等雜物進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)有卡阻現(xiàn)象時，能及時發(fā)出停車信號，防止設備發(fā)生堵倉、堆煤現(xiàn)象[12]。同時，設置了煤料堆積監(jiān)測功能，當監(jiān)測到膠帶上的堆積物超過一定量且超過設置的實際后，將會給控制系統(tǒng)的上機位系統(tǒng)發(fā)出報警停車指令；另外，也設置了圖形聯(lián)動功能，能將系統(tǒng)發(fā)生的異常故障現(xiàn)象傳輸至上機位系統(tǒng)中，操作人員將根據故障信息采取相應的故障處理操作，待故障解除后，控制系統(tǒng)將發(fā)出恢復命令，保證設備的正常運行。

4 軟件程序設計

4.1 系統(tǒng)主程序

帶式輸送機控制系統(tǒng)運行主程序采用的是PLC編程語言完成，是控制系統(tǒng)軟件設計的基礎，帶式輸送機控制系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。由圖5可以看出，控制系統(tǒng)運行時PLC的主要功能包括系統(tǒng)的初始化、故障的自診斷、主控制程序的運行等，以便實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的安全可靠運行，實現(xiàn)井下帶式輸送機的實時監(jiān)測與遠程控制?？刂葡到y(tǒng)主控制程序包含多個子程序，如輸入信號處理子程序、控制模式選擇子程序、啟動控制子程序、速度控制子程序、故障保護控制子程序等。主程序主要負責調用各個子程序順序運行，保證控制系統(tǒng)能夠及時完成數(shù)據的采集并傳輸至井上集控中心進行實時顯示；與此同時，監(jiān)控人員也可以根據帶式輸送機的運行參數(shù)實測值發(fā)出參數(shù)調整與控制指令，實現(xiàn)井下帶式輸送機的遠程控制功能。

圖5 控制系統(tǒng)主控制流程Fig.5 Main control flow chart of control system

4.2 軟啟動控制程序設計

帶式輸送機由于運行時受到較大的外界載荷，啟動瞬間由于膠帶上承載著較多重力，導致設備啟動時將受到較大沖擊作用。因此，在整套控制系統(tǒng)中，對設備的啟動環(huán)節(jié)進行了軟啟動保護程序設計，以此來保護設備中電機不被燒壞，延長設備使用壽命。在該程序控制中，首先啟動控制指令，在完成預警保護功能自檢、制動閥自檢、膠帶張力自檢等運行正常后，啟動系統(tǒng)中的變頻器程序，通過控制電機中的運行頻率，使電機按照S型進行曲線啟動控制，當檢測到膠帶的運行速度達到額定速度時，可停止整個控制程序，實現(xiàn)對整個電機啟動過程的實時保護，同時也大大降低了設備啟動瞬間的能源消耗。系統(tǒng)軟啟動控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟啟動控制流程Fig.6 System soft start control flow chart

4.3 速度控制程序設計

速度控制程序設計的依據為井下帶式輸送機工作的節(jié)拍，將帶式輸送機載荷不均勻性考慮進去，將其劃分為若干載荷區(qū)間，對各個區(qū)間設置對應的輸送帶轉速。基于上述控制原理設計的速度控制流程如圖7所示。

圖7 速度控制流程Fig.7 Speed control flow chart

工作時先采集輸送帶載重量，依據系統(tǒng)采集得到的載重量確定其落入的重量區(qū)間，通過數(shù)據分析確定匹配的輸送帶速度。帶速確定之后速度動態(tài)控制模型采集驅動電機的電流，采用多電機功率平衡策略判斷驅動電機的功率是否達到平衡狀態(tài)，當帶式輸送機依據上述速度控制流程使帶速與運量達到動態(tài)契合時控制系統(tǒng)結束工作。

4.4 綜合保護系統(tǒng)

輸送帶綜合保護系統(tǒng)如圖8所示，主要功能是確保整個控制系統(tǒng)安全可靠工作，實現(xiàn)井下輸送帶的實時監(jiān)測與遠程控制。輸送帶運行過程中出現(xiàn)過流、過壓、速度偏離、煙霧、跑偏等問題時，PLC控制器能夠根據傳感器信號發(fā)出故障告警，嚴重的情況會自動停車。綜合保護系統(tǒng)開始運行時，由上位機進行輸送帶實時運行參數(shù)的采集，采集得到的電壓數(shù)值超限時發(fā)出過壓報警信號、采集得到的電流數(shù)值超限時發(fā)出過流報警信號、采集得到的煙霧濃度數(shù)值超限時發(fā)出煙霧報警信號，采集得到的溫度數(shù)值超限時發(fā)出過溫報警信號，與此同時，啟動灑水裝置進行降溫處理、采集得到的數(shù)據顯示輸送帶存在撕裂故障時發(fā)出撕裂報警信號、采集得到的膠帶堆煤量數(shù)值超限時發(fā)出堆煤報警信號、采集得到的輸送機膠帶運行出現(xiàn)跑偏時，如果出現(xiàn)的是一級跑偏，則系統(tǒng)發(fā)出跑偏報警信號，若進一步演變成二級跑偏情況，則直接進行停機保護，除此之外，其他報警信號發(fā)出時系統(tǒng)均會進行停機保護，綜合系統(tǒng)工作結束。

圖8 綜合保護系統(tǒng)流程Fig.8 Flow chart of integrated protection system

4.5 上位機系統(tǒng)

帶式輸送機控制系統(tǒng)上位機系統(tǒng)軟件開發(fā)基于iFIX開發(fā)平臺完成，上位機系統(tǒng)結構如圖9所示，主要涉及系統(tǒng)管理模塊、人機交互界面、數(shù)據分析模塊等3部分，上述模塊之間相互關聯(lián)，數(shù)據共享，是一個統(tǒng)一協(xié)調的整體。系統(tǒng)管理模塊主要負責系統(tǒng)配置設置與權限管理功能，包括系統(tǒng)需要采集的參數(shù)信號，監(jiān)控人員的登錄、查看等權限的設置等；人機交互界面主要包括監(jiān)控主界面、故障彈窗、登錄記錄查詢、開停記錄查詢、故障記錄查詢、歷史曲線查詢等模塊，具備帶式輸送機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、遠程控制、故障顯示、歷史數(shù)據查詢等功能；數(shù)據分析模塊主要負責數(shù)據庫操作和報表的輸出打印，如數(shù)據庫存儲數(shù)據的類型、數(shù)據庫內存的大小、數(shù)據報表的打印等。

圖9 上位機系統(tǒng)結構Fig.9 Upper computer system structure

5 應用效果評價

基于某煤礦帶式輸送機對應控制系統(tǒng)改造設計的需求，完成了設備中控制系統(tǒng)總體方案、硬件、軟件的設計。為進一步驗證控制系統(tǒng)的可行性和效果，將其應用于服役中的帶式輸送機中進行試運行，并跟蹤記錄系統(tǒng)運行效果。結果表明，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了井下帶式輸送機集中控制與遠程控制功能。統(tǒng)計結果顯示，該控制系統(tǒng)的投入使用，提高了帶式輸送機運行的穩(wěn)定性，速度調節(jié)功能的引入，減少了帶式輸送機近12%的能源消耗，設備啟動過程相對平衡，整個過程可通過遠程方式進行設備啟動控制，節(jié)約了2～3名帶式輸送機運維人員，降低了煤炭掘進的成本，預計為煤炭企業(yè)新增經濟效益近100萬元/a，取得了較好的應用效果。

6 結論

帶式輸送機作為煤炭企業(yè)必不可少的輸送設備，其工作的安全性和效率直接關系煤炭企業(yè)的產能和效率，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關注。針對某煤礦企業(yè)帶式輸送機運行效率低、安全性能差、電能損耗嚴重的問題，開展了智能控制系統(tǒng)設計工作，結果表明，系統(tǒng)控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了井下帶式輸送機集中控制與遠程控制功能。應用該控制系統(tǒng)之后減少了帶式輸送機近12%的能源消耗，減少了帶式輸送機的運維人員，降低了煤炭掘進的成本，為煤炭企業(yè)創(chuàng)造了更多的經濟效益。此研究也對提升設備的智能化程度具有重要意義。