带式运输机节能控制系统分析.pdf

2020 年第 2 期2020 年 2 月 伴随矿井生产规模的不断扩大，井下生产中带式 运输机的使用不断朝着大倾角、大功率、高速度等方 向发展，但现阶段矿井多数带式运输机在控制上采用 开环控制的方法，使得控制过程的优化难度加大，运 行的精度和能耗指标等往往难以达到理想要求。为有 效解决相关问题，设计在带式运输机节能控制中引入 PLC，并通过配套的 WinCC 组态软件实现对煤矿井下 生产运输的远程监测和控制。 1系统设计分析 带式运输机 PLC 采用两级控制，分别是集中控制 和现场控制。其中，集中控制以 PLC 为控制核心，配 设有数量充足的输入 / 输出端子，以便于第一时间确保 故障保护、紧急停车等操作功能；而系统的现场控制 则采用手动控制的方式，能够很好地满足现场调试或 PLC系统故障时的运行需求[1]。 1.1集中控制 鉴于煤矿生产作业环境的复杂和恶劣，带式运输 机的生产作业场所往往有着很强的外界干扰。这种情 况下进行集中控制系统的设计，必须尽可能选择高可 靠性的系统作为基础。本次设计选用型号为 S7- 300 的 PLC作为核心组件，配合冗余技术、现场总线技术和工 业以太网技术等，对智能控制系统进行研究。图 1 即 为 PLC控制系统的网络拓扑结构示意图。 分析图 1可知，带式运输机的节能控制系统整体上可 划分为3个不同的层次，分别是执行层、控制层和监控层。 1.2现场控制 现场控制需通过布设于作业现场的专用屏柜实现， 是系统上位机远程操作界面的后备和补充，核心功能 是确保特殊情况下系统的正常操作运行。现场控制的 主要方法包括就地控制、检修控制等。 2系统硬件部分 S7- 300 型 PLC 具备完善的通信功能，可以为使用 收稿日期2019-12-09 作者简介王楠，1992年生，男，山西阳高人，2016年毕业于山 西农业大学机械设计制造及其自动化专业，助理工程师。 带式运输机节能控制系统分析 王楠 （ 同煤集团同发东周窑煤业有限公司，大同 左云 037101 ） 摘要 井下带式运输机是承担煤炭外运和物料内运的主要设备，其运行质量是影响矿井运行持续和有效的关键要素。 将 PLC 应用于带式运输机运行中，设计具有良好适用性的节能控制系统，对于进一步提升矿井运行综合效益意义重大。 结合具体工程实际，在分析系统设计的基础上，分别对系统的硬件部分和软件部分进行了论述，希望能够为其他矿井相 似系统的搭建提供一定的帮助。 关键词 矿井；带式运输机；PLC；系统设计；节能优化 中图分类号 TD634.1文献标识码 A文章编号 2095-0802- 202002- 0054- 02 Analysis on Energy-saving Control System of Belt Conveyor WANGNan Tongfa Dongzhouyao Coal Industry Co., Ltd., Datong Coal Mine Group, Zuoyun 037101, Shanxi, China Abstract Underground belt conveyor is the main equipment to carry coal out and materials in, and its operation quality is the key factor to affect the continuous and effective operation of the mine. The application of PLC in the operation of belt conveyor and the design of energy-saving control system with good applicability are of great significance to further improve the comprehen- sive benefits of mine operation. Combined with the actual project, on the basis of analyzing the design of the system, this paper discussed the hardware part and software part of the system respectively, hoping to provide some help for the construction of similar systems in other mines. Key words mine; belt conveyor; PLC; system design; energy-saving optimization （总第 173 期） 节能减排 测量元件执行元件 被控对象 ET200M Profibus总线 PLC MPI Ethernet Ethernet HMI HMI.人机接口；MPI.信息传递接口；Ethernet.以太网； ET200M.设备型号。 图 1PLC 控制系统的网络拓扑结构示意图 54 DOI10.16643/ki.14-1360/td.2020.02.022 2020 年 2 月2020 年第 2 期 Y.指令通过；N.指令不通过；V.皮带运行速度。 图 2软启动控制程序图 者提供简便且易行的组态通信功能。同时，系统具备 多个不同的通信结构，能够与 Profibus 总线系统、工业 以太网等有效互联。 2.1控制系统硬件 整个系统的主控单元便是 S7- 300 型 PLC，其构成 组件中的 CPU（ 中央处理器 ）、电源及其他各个中小组 件全部为独立的结构化设计，各功能模块间借由现场 总线进行现场数据交互。 主站中的模块主要包括 CPU 模块、通信处理模块 及电源模块；从站中的模块主要包括接口模块、计数 模块、数字输入 / 输出模块、电源模块等。 2.2控制系统保护 整个控制系统的保护功能主要包括故障定位、沿 线闭锁急停、自洒水灭火、断电保护、跑偏保护、打 滑保护、堆煤保护等。在此重点对打滑保护、跑偏保 护、堆煤保护及断电保护予以说明。 a 打滑保护。选用对运输机带速和滚筒线速同时 监测的方法，实现监测比对。一旦两者速度不同，则 证明皮带存在打滑的情况。b 跑偏保护。运用跑偏开 关探头对运输机跑偏进行监测，探头主要有两个挡位， 分别是重跑偏挡和轻跑偏挡。c 堆煤保护。通过堆煤 探头实现对带式运输机运行中堆煤保护功能的充分发 挥。在作业中一旦出现煤料堆积的现象，探头会马上 接地，从而使得系统立即停止并发出预警信号。d 断 电保护。断电保护功能主要通过以下两种方式实现， 即在运输机下部布设一条探测细线和在运输机上部托 辊处增设逆止托辊[2]。 3系统软件部分 PLC 系统所具备的功能主要包括超温、打滑、撕 裂、跑偏、断带、紧急停车、软启动、功率平衡控制等 基础性保护功能。其中，软启动和功率平衡两个功能 均需通过变频调速设备实现，作业时借助 PLC 实现对 电机转速和带速等信息的实时监测，随后将所采集数 据汇总整理后与预设的逻辑关系进行对比分析，从而 发现存在的各类问题，按照预设方案实施各类控制。 3.1软启动分析 对于带式运输机的软启动作业而言，在控制变频 装置驱动电机时，PLC 装置需对频率指令进行持续输 出。图 2 所示即为软启动控制程序图。 3.2综合保护分析 综合保护系统构成部分主要有两个，其能够对带 式运输机运行中发生的断电、皮带纵向撕裂、急停、 堆煤等故障予以有效的安全保护。当故障出现时，保 护装置会立即将异常数据传递至 PLC，通过分析确定存 在故障后，PLC 会立即发出停止指令[3]。此外，故障综 合装置还能对带式运输机运行中的超温、烟雾或打滑 等现象予以分析预警，这些功能主要通过 PLC 系统实 现。运行信号来自综合保护装置。图 3 所示即为节能 控制系统综合保护流程图。 V1.滚筒速度，m/s；V2.运输机速度，m/s；ε.安全阈值，m/s。 图 3节能控制系统综合保护流程图 按照 “S” 曲线控制 频率从零开始增加 闸开 V≥0.45m/s 延时10s 按照要求增加频率 输出运行信号 给煤机可启动 启动完毕 Y N V≥4.5m/s Y N N Y Y N 保护正常 起车预告 起车指令 拒启动报警 制动闸送电 开始 数据采集 综保装置 停机信号 故障报警并停机 温度超限 烟雾超限 一级跑偏 二级跑偏 跑偏报警 启动自动洒水装置 打滑报警并停机 V1-V2≤ε 温度超限 烟雾超限 火灾报警并停机 启动自动洒水装置 启动自动洒水装置 烟雾报警 Y Y Y Y Y Y Y N N N N N N N N 停机 Y （下转 115 页 ） 王楠 带式运输机节能控制系统分析 55 2020 年 2 月2020 年第 2 期 （上接 55 页 ） 4结语 带式运输机作为矿井生产作业高效、持续开展的 关键设备，其运行质量及能耗对矿井的综合效益有着 直接的影响。因此，矿井管理者必须高度重视对矿井 带式运输机的优化研究，通过有效应用 PLC 技术等现 代化技术，大幅提升带式运输机智能化水平，实现运 输机运行稳定性和有效性的显著提升和能耗的显著降 低，从而为矿井的长久可持续发展提供坚实保障。 参考文献 ［1］ 王海栋.带式输送机驱动方式的优化设计 ［J］ .机械管理开发， 201910 221-222. ［2］ 韩孟群.煤矿皮带机变频器节能研究与实践 ［J］ .中国设备工 程， 201914 102-103. ［3］ 刘根民.煤矿运输机的节能技术分析 ［J］ .装备机械， 20193 35-37. （ 责任编辑刘晓芳 ） 表 5巷帮支护参数 4支护优化效果分析 采用十字布点法对支护优化前后的围岩变形进行 监测，具体监测结果如图 4 所示。 a 优化前后顶板下沉量 b 优化前后巷帮变形量 图 4优化前后围岩变形监测数据 从图 4a可看出，原巷道支护参数在监测时间范围 内顶板最大下沉量 130 mm，顶板下沉量一直有增长趋 势；巷道支护完成后 5 d 时，顶板下沉量从 8 mm急剧 增加至 26 mm，原采用的支护方案不能有效对巷道围 岩进行控制。对巷道支护进行优化后，在监测时间范 围内巷道顶板最大下沉量控制在 70 mm 以内；掘进支 护完成的 15 d 内，围岩变形率增加明显，变形量占整 个监测期间顶、底板变形量的 75，随着时间的增加， 顶板下沉量逐渐趋于稳定。 从图 4 b可看出，在掘进支护后的 15 d 内，支护 优化前后巷帮变形量增加率均呈现迅速增加趋势。在 整个监测时间段内，支护优化前巷帮变形量值 90 mm， 且变形随着时间增加逐渐加大，未表现出稳定趋势； 支护优化的巷帮最大变形量 60 mm，且支护 35 d 后巷 帮变形量趋于稳定。 从监测结果看出，优化后的支护方案可有效地对 围岩进行控制，围岩变形从持续快速发展变成先增后 减的一般围岩变形规律。 5结语 a 轨道大巷掘进区域地质构造复杂，围岩破碎且 控制困难，通过对巷道矿压显现特征及松动圈测试， 得出围岩变形特征，在原支护方式下，在整个监测期间 围岩顶板、巷帮最大变形量分别为 130 mm、90 mm，且 未表现出趋于稳定趋势；轨道大巷围岩松动圈类型属 于中等偏大。 b 11 号煤层顶板为泥岩，岩性软弱，原有的支护 结构不能起到有效的锚固支护作用，水平地应力与巷 道掘进方向近乎垂直，加之构造应力作用，增加了巷 道围岩控制难度。依据悬吊理论及最大主应力理论， 对巷道围岩支护参数进行优化设计。现场应用表明， 优化后的巷道支护方案可有效地对巷道围岩进行控制， 顶板下沉量、巷帮变形量较原支护参数分别降低 46、 33.3，优化后的支护参数围岩控制效果明显。 参考文献 ［1］陈晋蜀.复杂地质条件下近距离煤层巷道支护优化设计与应 用 ［J］ .煤炭与化工， 2018， 418 22-24. ［2］ 胡晴， 王新民， 韩章程.深部复杂地质条件下巷道支护方案优 化 ［J］ .中国地质灾害与防治学报， 2016， 274 81-87. ［3］ 崔中明.复杂地质条件下巷道围岩控制技术探讨 ［J］ .西部探 矿工程， 2015， 271 179-180. ［4］ 郭振兴.复杂地质条件下大断面巷道支护方式优化研究 ［J］ . 煤炭科学技术， 2014， 423 12-16. ［5］ 冯冶.深部矿井回采巷道围岩变形失稳分析 ［D］ .西安 西安科 技大学， 2010. ［6］ 蔡来生.地下开采围岩稳定性及控制技术研究 ［D］ .兰州 兰州 大学， 2009. ［7］ 邹喜正.煤矿巷道围岩稳定性分类 ［M］ .徐州 中国矿业大学出 版社， 2000. （ 责任编辑高志凤 ） 锚杆 托盘网片 参数锚固位置布置方式 直径 20 mm， 长度 2 m， 采 用 M24 螺母 2 支锚固剂 全段锚固， 型号分别为 Z2360、 K2335 帮锚杆 垂直 巷帮 间排距均为 800 mm； 每排 施工 6 根锚杆 高强托盘， 长 度宽度厚 度 100 mm 100 mm 10 mm 6 号钢 筋编制 而成 140 120 100 80 60 40 20 优化前 优化后 顶板下沉量/mm 05101520253035404550 时间/d 100 80 60 40 20 优化前 优化后 巷帮变形量/mm 05101520253035404550 时间/d 张妙生复杂地质条件下的巷道支护优化 115